应用型人才培养的材料成型与加工课程教学实践*

聂宝华, 陈东初,邓前军,胡晓洪,何海英

(佛山科学技术学院材料科学与氢能学院，广东 佛山 528000)

材料成型与加工课程是材料专业核心课程，涉及材料熔炼铸造、锻造、挤压、轧制、焊接等方法的基本原理、工艺参数、设备结构教学内容，具有鲜明的应用性和实践性、知识点交叉融合等特征[1]。在应用型人才培养导向下，专业理论课时压缩，仍然按照以往传统教学方式，很难完成该课程课堂教学。而且，该课程应用实践性很强，课程理论教学往往与产业应用实践相脱节，不利于学生应用型创新实践能力培养[2]。针对课程知识点繁杂、应用实践强等特征，以地方高校应用型人才培养为导向，笔者从教学设计、教学方法等方面对课程教学进行改革探索，以期加强培养学生专业素质、工程实践以及创新能力培养。

1 课程教学优化

1.1 把握课程内涵，精炼课程知识体系

材料成型与加工涉及的知识点繁多，一般包括熔炼铸造、锻造、挤压、轧制、焊接、粉末成型等方法的基本原理、工艺参数、设备结构等教学内容，显然对少课时教学提出了更高的教学要求。梳理课程内涵，精炼课程内容体系是完成课程教学的前提[3]。材料成型与加工的前期理论课程是材料科学基础，从合金凝固、材料变形组织与性能、材料表界面等材料科学基础理论出发，梳理材料液态成型、塑性成型、粉末成型等知识逻辑。实际上，焊接成型，主要分为熔化焊、固态焊接，仍然是以材料科学基础的合金凝固、材料变形组织与性能为理论基础。因此，在课程教学的纵向坐标中，要以材料科学基础为先导，梳理课程知识体系(表1)，将材料成型与加工基础理论讲透。例如，在合金液态成型与熔化焊接成型原理授课中，先讲授材料科学基础中金属材料凝固组织三大特征、缺陷种类以及影响因素，然后联系合金液态成型的砂型铸造、金属铸造、焊接母材、焊接热循环等参数，分析液态成型与熔化成型组织与性能特点，进而阐述材料成型与加工基础理论。在课程教学横向坐标中，以材料成型与加工基础理论、工艺方法为核心，重点讲授砂型/金属型铸造、挤压、轧制、电弧熔化焊接、粉末冶金成型等基本理论与工艺方法设计，再介绍材料成型与加工设备结构，达到课程基础理论、工艺方法、设备结构等模块教学。

表1 材料成型与加工知识体系Table 1 Knowledge system of material forming and processing

1.2 紧扣学科前沿、工程实践，丰富课程教学内容

随着科学技术迅速发展，材料成型与加工新技术新工艺不断涌现。结合课程教学内容，有机融入学科前沿最新技术工艺(表1)，主要包括：激光熔化/粉末粘结增材制造、超细晶材料加工(大应变、低温轧制)以及焊接计算机模拟。在理论教学中，应该及时补充相关最新动态，拓展学生前沿科学视野，及时把握材料成型与加工领域的最新动态。在讲授前沿进展时，可采用教师引导+学生翻转课程模式，围绕增材制造、超细晶材料加工、焊接计算机模拟等方面，将学生分为若干个学习团队，开展文献调研、PPT制作、课程授课等学习环节，强化学生对材料成型与加工前沿技术学习能力。

同时，课程教学与材料加工产业工程实践紧密联系。该课程实践性很强，仅仅通过课堂理论教学往往容易与工程实践脱节。在讲授材料成型与加工基本理论与工艺方法后，补充材料加工产业生产工艺(表1)，促进产学深度融合，提高学生生产实践能力。在讲授材料液态成型、塑性成型、焊接成型、粉末成型等模块时，相应地介绍大尺寸铝合金热顶铸造工艺、钢铁材料连铸连轧工艺，宽幅薄壁铝合金型材挤压、铝合金厚板轧制工艺，航空铝合金激光焊接、汽车铝合金电池托盘搅拌摩擦焊接工艺以及航空发动机涡轮盘粉末成型等工业生产过程，让学生理解课程理论与工业化生产区别与联系，进而提高学生课程学习的积极性与有效性。

2 教学方法探索

2.1 线上线下混合式教学

材料成型与加工课程知识点繁杂，教师无法针对每一个知识点进行讲解，而且不能掌握每个学生学习情况，不利于课程教学。采用“互联网+”等信息技术，将慕课等课程教学资源，融入课程教学网络平台[4]。学生可以通过课程教学网络平台，围绕未熟练掌握知识点，如合金成分过冷与凝固形态、材料变形组织演变等，自主学习慕课教学资源，掌握课程相关知识点，促进材料成型与加工课程学习。同时，突破传统教学手段的局限，建立手机APP、“雨课堂”等教学创新模式，将课程教学融入每位学生的手机等移动设备，倡导移动式学习，无时差课堂反馈以及多变量考核方，提高学生实时自主学习与互动。

2.2 案例教学

在掌握材料成型与加工基本理论与工艺方法后，以分析、解决分离工程问题为导向进行案例教学。笔者选取6000系铝合金成型与加工工艺设计为案例，分为铝合金熔炼、金属铸造、热轧、冷轧、固溶时效、激光焊接与搅拌摩擦焊接等七个加工环节，将学生划分为7个小组，要求学生按照材料成型与加工基本理论方法，进行工艺参数选取、成型结构设计、加工设备选用，完成各个案例研究报告，提高了学生课程理论学习积极性，增强了学生应用相关理论分析解决问题专业能力，取得较好教学效果。在后续课程教学中，可以设置若干个研究案例，如钛合金激光增材制造、铝合金超细晶材料加工制备、材料计算在成型与加工中应用等，进一步激发学生课程学习热情。

针对该课程教学与企业生产紧密结合特点，涉及到挤压生产各种工序流程、挤压设备等，对于学生而言比较陌生、抽象的，不利于课程教授。课程教学首先通过网上共享资源，介绍铝合金熔炼与铸造、轧制、挤压、焊接、表面处理等生产过程(图1, 图2)，在课堂上紧密结合企业生产情况开展课程教学，让学生对材料成型工艺形成直观的认识，提高学生产业实践能力。

图1 铝合金挤压生产Fig.1 Aluminum alloy extrusion production

图2 铝合金表面阳极氧化Fig.2 Anodizing of aluminum alloy surface

以学生为中心，建立以实际材料企业生产案例，分析的教学方法，提升学生解决复杂工程问题的能力。在课程实际教学过程中，采用与实际生产相关的案例，如汽车用高强耐蚀可焊6082铝型材生产为例，从合金成分设计、工艺参数优化、模具设计与优化、材料组织与性能分析、表面处理等专业知识体系，以学生为主体，完成方案设计、合理性分析、工艺参数分析、结果讨论与分析、方案反馈、教学改进，形成预习-讨论-分析-讨论-反馈-改进的闭环(图3)，加深专业知识与材料实际生产融合，提高学生解决实际问题的能力。

图3 以学生为中心的案例教学设计Fig.3 Student-centered case teaching design

2.3 虚拟仿真教学

基于虚拟仿真技术的课程教学为产教融合课程教学新模式提供有效途径。虚拟仿真实验可克服传统实验受学校、企业的空间、时间和管理的弊端，将企业生产中心搬到课堂，实现产教深度融合的教学模式[5]。近年来，虚拟仿真实验教学方法可以弥补传统教学的不足，成为专业课程实践教学发展趋势[6]。由于材料加工工业化生产过程的复杂性，学生在课堂教学学习仍然对材料加工过程缺乏清晰的认识。与传统教学相比，虚拟仿真教学通过虚拟仿真真实工业化生产过程，而且可以连续性地再现不可见的材料成型与加工微观过程。例如，通过虚拟仿真教学，可以动态显示铝合金在不同工艺参数下挤压应变、温度、显微组织演变过程，让学生形成直观认知，加深对材料成型与加工微观过程及其规律理解，促进学生创新能力培养。

在课程教学时，笔者利用已有材料成型与加工虚拟仿真教学项目，开展了线上虚拟仿真教学。以铝型材的表面阳极氧化虚拟仿真为例(图4)，通过虚拟仿真教学，使学生直观认识铝型材阳极氧化膜形成的微观全过程，掌握到常规阳极氧化实验无法观察到多层、多孔的纳米尺度的微观结构特征。尤其是，学生通过课外的虚拟仿真实验操作，改变铝型材阳极氧化工艺参数，直观观察不同工艺参数下的阳极氧化膜的微观结构特征与腐蚀性能，建立合金工艺-结构-性能的关系；同时，通过演示模型与操作模式相结合，学生可以在虚拟仿真真实场景中开展虚拟材料加工生产实训，增强学生的高效、可视化课程学习，切实提高学生应用型实践创新能力。

图4 铝型材阳极氧化虚拟仿真Fig.4 Virtual simulation of anodizing foraluminum profile

3 结 语

以应用型人才培养为导向，精炼材料成型与加工课程知识体系，紧密结合学科前沿与工程实践，优化课程教学内容；通过线上线下混合式教学、案例教学、虚拟仿真教学等教学方法改革，提高学生应用专业知识解决工程实践问题的能力，培养学生工程实践创新能力。通过近年来课程教学实践，在材料成型与加工专业知识的学习能力、解决工程实践综合应用能力等方面取得较好的成效，加深了对材料加工产业与生产过程的认知，同时提高了学生学习专业知识积极性。材料成型与加工课程教学体系与方法还需要进一步改进，需要有机结合材料成型与加工实验课程，做到专业理论/实验课程相融相促，避免理论教学与实验教学脱节，进一步提高材料成型与加工课程教学质量，培养专业知识过硬、创新实践能力强的应用型人才。