以《材料成型技术》教学改革为例，探讨本科生专业思维的建立

2022-06-05王琳宁

速读·上旬 2022年4期

◆摘要：新工科背景下，技术快速更迭，学校教育落后于技术前沿。如何实现教育“成果导向”的改革，帮助学生适应技术飞速发展，是高等教育面临的共性难题。本文以《材料成型技术》教学改革为例，探讨大学教育在紧跟技术发展步伐的同时，如何培养学生抓住问题核心，看清问题理论本质，由本质出发寻找问题解决方案的专业思维方式。

◆关键词：教学改革;专业思维培养;材料成型技术;线上线下混合教学

新工科背景下技术发展日新月异，新材料、新工艺层出不穷，书本知识的更新自有其周期，因此很难站在技术的最前沿。如何帮助毕业生快速熔融新岗位，掌握新技术，在工作中适应技术的飞速发展，实现高校教育真正的“成果导向”，是各大高校面临的共同问题。

本科学生眼中基础理论课与专业课是彼此独立的。他们常常会迷茫于所学的知识“有什么用，该怎么用”的问题。因此，在教授学生知识的同时，引导学生运用所学知识解决实际问题，培养学生用基础理论知识分析实际工艺设计的专业思维方式是非常必要的。《材料成型技术》是材料类专业学生的一门专业基础课，课程本身连接基础理论与工艺实践。本文以该课程为例，探讨通过教学改革，引导学生培养基础理论与实际工艺相融的专业思维的教学思路。

一、《材料成型技术》课程尴尬的定位

材料成型技术是材料成型及控制工程专业的一门专业基础课，定位核心在对金属材料常用的成型工艺进行概述，让学生对这些工艺具备基本认识。在目前的定位下，本课程既没有艰深的理论，在有限的学时内也不会对每一种工艺进行详细、系统的介绍，如同鸡肋，难以得到同学们的重视。通过课程的学习，部分学生能够如图1中“学生思维”一般，在书本内容范围内，判断工艺合理性。一旦超出書本范围，则既无法为给定制件选择相对合理的成型工艺，亦无法判断给定成型工艺是否合理。但工艺发展日新月异，“新材料应该用怎样的工艺成型？”“新工艺的改革是否适合某项产品？”书本和课堂都不能为学生提供答案。怎样让学生学会抓住问题的难点，透过难点看清问题理论本质，从理论本质出发分析解决实际问题、激发创造力的思维方式，才能够帮助他们成为新技术、新工艺的掌控者、发明者。针对这一目标，对《材料成型技术》课程进行教学改革。

二、搭建联通基础理论与工艺实践的桥梁

（一）课程定位

在材料成型与控制专业的课程设置中，《材料成型技术》课程具有非常重要的理论联系实际的作用。例如：合金熔体流动性，向工艺方向延伸是影响熔体充型性的重要因素，是铸造工艺参数制定的依据之一;向理论方向延伸是由熔体表面张力和凝固特性决定，原理源自《物理化学》课程的界面能部分和《金属学》课程的相图部分。可见，本课程能够有效的联通基础理论知识和工艺实践，帮助学生建立从理论到实践的专业思维。因此对课程重新定位如下：

“课程综合介绍材料成型全流程，是材料学基础理论通往实际工艺的桥梁。使学生了解常用金属材料及其它工程材料的主要成型工艺，掌握铸造、压力加工及焊接工艺的材料学原理及工艺特点，学会运用基础理论知识分析实际工艺的选择、设计原则，为日后学习其他相关课程、从事相关工作奠定良好的基础。”

（二）课程内容

根据新的定位，在课程内容中适当添加了合金组织随工艺手段的变化规律，及母材和半成品成型工艺即铸造、压力加工与焊接工艺在制件成型全流程中的关系，如图2所示。铸造既可作为最终成型工艺，也可以作为压力加工和焊接工艺母材成型工艺;压力加工必须以铸造或压力加工母材为原料;而焊接工艺的被焊接件也一定是经过铸造或者压力加工成型的。

每一个制件都有核心质量要求，通常是外形或力学性能。制件的力学性能与材料的力学性能密切相关。分析制件成型全流程组织及力学性能变化规律需要从基础理论知识入手。学生面对超出书本范围的给定制件，也可以根据其核心质量要求，分析理论本质，从理论本质出发寻找可行的加工流程及后续处理工艺;进而制定制件成型工艺全流程。从而具备自主工艺设计和工艺创新的基本能力。

以某小型齿轮的大批量生产为例。常规教学中，仅介绍根据齿轮力学性能要求，建议使用锻钢进行加工。其原因在于锻钢力学性能优于铸钢。课程改革后，需要引导学生如图3进行分析，以便建立专业思维。如果齿轮用于传动，力学性能要求是制件的核心质量要求。满足力学性能要求，需对金属进行强化。金属材料的常规强化手段中，固溶强化、相变强化等手段主要是通过合金成分设计配合热处理工艺实现的，而细晶强化则是可以通过锻造/轧制成型工艺实现的。因此优选锻造/轧制母材进行轮齿加工。如果小齿轮用于工艺品装饰，则对制品表面质量要求成为核心质量要求。如果采用金属材料制件，相比锻件而言，铸件既可达到表面质量要求又减少了压力加工工序，降低了加工成本。此外，塑料成型性好，制件成型温度低于金属，也可考虑，但是其表面缺乏金属光泽。因此可根据实际情况选择采用铸造/注塑成型后进行表面镀膜的方法制备所需小齿轮。

三、教学方法与手段

《材料成型技术》课程的目的只是联接而非重新教学，因此在课堂讲授过程中仅选取课程需要的结论，采用通感、类比等简单易懂的方式帮助学生重温、理解并应用这些结论，不会进行深度讲解。但部分被激起好奇心的同学有可能课后对相关知识进行的二次学习。

例如，合金元素对熔体流动性的影响。首先让同学们判断夏天吃的沙冰和水的流动性哪一个比较好。结果显见是水。因为沙冰是固液两相混合物，流动性较差。同理，相同温度下，熔融的合金液也是纯液相体系的流动性好于两相混合体系。观察铁碳相图（图4）发现，共晶点C左侧，液相线温度随碳含量的升高而降低。相同温度T下，铸钢（A）进入固液两相区而铸铁（B）仍为纯液相。因此铸铁的流动性比铸钢好。由此推广，凡是降低液相线温度元素都有利于提高合金熔体流动性。如此关联，既可以有效的将基础理论知识直观化，便于学生理解，也可将相图部分知识有效的和铸造工艺成型性连接起来，为学生建立完整的分析问题的思维链条。日后学生遇到相似的问题，如制定新合金成型工艺时，即使缺少实验结果与别人的经验，也可以根据自己所学进行初判，建立自己的观点。

四、课堂模式

为了调动学生的学习积极性，扩展学生的视野，课堂采用线上线下相结合的模式进行教学。

课前选择如永乐大钟铸造访谈、高频焊接生产工字钢等与本次课内容相关的、有代表性的或者先进的加工工艺视频，作为预习资料发给学生。扩展学生的视野，让他们带着对课程内容的好奇心进入课堂，提高课堂学习专注力。

课堂上，采用线上课堂习题以及工艺讨论的方式不定时与学生互动。课堂习题主要涉及刚刚讲过的知识点或者分析过的工艺特点，以检查学生课堂的接受程度。课堂讨论主要是针对正在学习的工艺选取制件，讨论其可选成型工艺流程及工艺流程中的注意事项;或者在某类工艺特点讲解告于段落的时候，讨论给定制件的给定工艺流程的合理性等可以刺激学生发散性思维的问题。例如：“后母戊鼎的铸造难点有哪些，如何解决？”“大明永乐剑剑首与剑身如何连接，为什么？”“鸟巢的钢结构是铸造成型的还是压力加工成型的？为什么？”在此类问题讨论过程中，引导学生从所选择的工艺回溯工艺选择背后的基本原理。往往学生在回溯过程中自己就可以判断最初的选择正确与否。这种讨论可以帮助学生建立专业的思维方式。

五、教学评价

在期末考试中加入学生自主发挥题。请学生自选制件，查阅并总结制件从铸造开始的成型工艺全流程。并在考场上临场发挥，从所总结的成型工艺中分析工艺中蕴含的材料成型原理与选择的合理性。該题目考核学生查阅资料总结制件工艺流程，并提炼工艺流程中所运用的成型工艺理论的能力，检验学生知识的整体性，锻炼学生的专业思维。

六、以《材料成型技术》课程为起点将基础理论用于工艺实践

在教学改革的实践过程中，经过课堂上多次分析实际成型工艺背后的基础理论，由原理预测成型工艺影响因素及优化方向后，学生对专业基础理论的反应明显好转，能够对老师提出的专业名词进行解释的同学越来越多。并且在课堂讨论过程中，如果书和手机上都没有答案，学生会尝试用自己的思路分析。课程后期，部分同学可以对老师或书上举例的一些工艺选择提出疑问。例如“摩擦焊两个工件必须是回转体吗？非回转体接触面上能量输入足够不行吗？”可见，学生已经初步掌握将基础理论与实际工艺相联系的专业思考方式。

期末考试中，学生自主发挥题总达成度达到78%。但得分点主要集中于对于自选制件工艺全流程的总结。在从工艺全流程中提炼工艺理论方面学生达成度较低，仅约60%。表明课程教学改革工作仍需进一步努力。

七、结语

专业思维的形成是长期训练与累积的结果，仅靠一门课程的有限时间是不够的。但是可以以《材料成型技术》为起点，引导学生建立在工艺问题中找出问题核心，分析理论本质，从理论本质出发解决问题的专业思维，为未来的发展提供助力。

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