“金属体积成形工艺及模具”课程实验教学改革与实践

杨 柳 顾勇飞

1.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 河北秦皇岛 066004；2.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066004

我国在5G网络通信、北斗卫星导航、量子信息、散裂中子源等高科技领域已走在世界前列。然而，受国内外环境多重挤压影响，我国传统制造业面临的问题愈加凸显，转型升级刻不容缓[3-5]。在全面推进实施制造强国和创新创业的背景下，作为培养高级专门人才的高等学校为国家输送具有实践能力和创新精神的复合型应用人才责无旁贷[6-7]。在这一使命前提下，对传统教学模式进行改革与创新，深刻践行理论与实验教学相结合，将计算机、信息、自控等多维技术融入实验教学中，可以使实验教学更加立体，学生的参与度和获得感将会得到整体提高。

“金属体积成形工艺及模具”课程是材料成型及控制工程专业的基础课，其课程体系中实验教学环节的重要性不言而喻。金属体积成形主要包括锻造、挤压、轧制和拉拔四种工艺，其特点是毛坯经特定工艺热加工后，达到控形控性的目的。本文主要针对锻造成形工艺进行了相关的研究与探讨，结合本门课程总体教学目标要求，以期通过开设4学时的实验训练，使学生达到加深对锻造工艺基础知识理解、依据锻造基本原理设计并实施实验、采集数据并进行分析、熟悉实验测试设备、了解实验室管理规定的目的。为顺应时代发展趋势，同时让学生对实验能够更加全面掌握，通过透析传统实验教学存在的问题，提出增加课程思政、实行小班化分组、数值模拟辅助以及改革考评等方式对教学内容进行优化，最大限度补齐短板，开发以研究为主的实验教学体系，最大程度提高学生实践与创新能力。

1 传统实验教学中存在的问题

与其他金属体积成形工艺相比，锻造成形工艺往往更为复杂，实验过程中的不确定性更高。在传统锻造成形的实验教学过程中因实验设备、教学时间等因素的限制，学生中普遍存在着思想懈怠、组织无序、望而不前、讲而不做等消极现象，对学生创新和实践能力的锻炼产生了较大的负面影响，主要体现在如下几个方面：

1.1 思想懈怠，重视程度不够

专业课通常是在第五学期开设，与之相对应的课程实验往往在该学期的中后段进行，此时学生的课业负担较重，同时面临着就业、考研、考公务员等多重压力的影响，虽然实验课的出勤率得以保证，但课上的同学们往往各行其是，实验室已然转换成了自习室的功能。另外，实验课的考核相对轻松，在整门课程中的占比较低，基本不存在挂科的风险，自然而然得不到足够的重视。

1.2 实验烦琐，普遍参与度低

合格锻件的生产要素包括压力设备选择、加热温控系统准备、配套成形模具设计、成形工艺方案制定等。烦琐的实验准备、缜密的模具设计、成熟的工艺方案各环节贯穿始终，交错冗杂。无论从硬件系统搭建，还是熟练使用操作，在有限的课程时间内，经常存在着“教师演示多，学生操作少”的情况。以上诸多因素的限制很难保证实验的完整训练，致使学生普遍参与度低，对实验内容得不到充分的理解。

1.3 经验不足，实验操作危险

锻造成形实验所涉及的硬件设施多为诸如大吨位压力机、大尺寸模具等大型仪器设备，存在着装配、拆卸和调整困难等不利因素，加之热锻过程的高温环境及工艺窗口短等因素叠加，进一步加剧了实验操作的危险性。对于经验不足的学生而言，尤其是女生更是望而却步，实验中突发的危险难以预测，学生对可能出现的问题难以应对。

1.4 独立分散，时间跨度较长

实验项目的安排应与理论课程的教学相互联系，无论在教学顺序还是认知程度上都不能独立分散。实验课程通常安排在非教学时间，增加了协调组织排课的难度，实验教师的积极性随之降低，学生的休息时间难以得到保障。另外，较短的学时不能确保实验过程的连贯性，较长的时间跨度使得学生容易遗忘前期学习内容，理论指导实践的最佳时机错失，与最终学习目标相差甚远。同时，现有的考核方式没有明确的标准，也使得学生不注重过程，只把“写好”实验报告一以贯之。

上述多种因素的叠加，在不同程度上给实验课程的有效开展带来了一定的不利影响。目前，大多课程的实验教学环节仍以指导老师的讲解、演示为主，学生全流程参与程度普遍较低，对于实践出真知的理解只停留在纸面，学生创新和实践能力的培养更是无从谈起。

2 优化教学内容，改进教学方式

随着科技的进步，教学内容的不断深入，传统实验教学的弊端也逐渐显露，为更好地适应大力提倡创新的时代背景，需要补足传统实验教学中的短板，将新兴数字科技与实验教学相结合，从而使学生在实验课堂中有更高地参与度，对实验整体有更加深入理解，做到高效自主学习。鉴于此，在实验教学中，应当充分挖掘学生兴趣所在，结合实验课程固有特点，遵循高等教育规律，改进传统教学的方式方法，充分发挥学习的主观能动性。针对现有不足，具体的优化实验教学内容和改进教学方式主要分为以下几个方面：

2.1 课程思政，引领正确价值观

“师者，传道授业解惑也”，高等学校教师在教学过程中通过有力的思想政治教育能指引大学生不断更新知识、转变观念、改正行为。通过提炼和丰富专业课实验环节中蕴含的价值理念，结合课程培养目标，设置具体的项目实施方案，介绍近年来我国在飞机、汽车、能源等领域锻件制造技术上取得的非凡成就，讲述专业历史沿革、校友创新创业的典型案例，能充分激发学生的家国情怀和拼搏进取精神，提升对专业的认同感和归属感。

2.2 小组化研讨，提高普遍参与度

在扩招的基础上，受限于专业特点，实验用设备多为单台套，实验室的物理空间有限，考虑到安全性，教学过程中存在学生参与度低的情况。针对这种情况，将学生进行分组，实行小组化研讨的方式，每组为3～5人，教学与实验现场如图1所示。让学生能够依据自身特点，自行结对，自行分工，协同完成。在确保安全的前提下，教师扮演“旁观者”“点评者”的角色，提高学生参与度，加深对实验的理解。

图1 教学与实验现场

2.3 引入数值模拟，与实验有机结合

计算机、信息等技术的飞快发展，给复杂工程问题的有限元数值模拟分析提供了更加便捷、高效的现代技术解决方案。将数值模拟技术贯穿到实验教学中，与理论、实验有机结合将起到“1+1+1>3”的效果。本课程实验项目之一是研究“飞边尺寸对金属充满型槽及变形力的影响”，选用软件DEFORM-3D对实验过程进行有限元建模、处理和分析，涉及的零件模型与实验试件如图2所示。在有限元理论和体积成形理论的基础上，利用先进成形模拟软件对锻件的热锻过程进行相关物理场的分析计算，对实验实操过程能起到先验认知，做到二者优势互补，培养学生解决复杂工程问题的能力。

2.4 改革考核方式，多措并举

传统实验教学的考核方式往往以实验报告为主，经常出现数据单一、抄袭等现象，对实验的重视程度自然不高。为避免学生“轻过程、抄结果”敷衍了事，除上交实验报告之外，增加考核环节，对课程出勤、实验操作、小组分工、结果分析和扩展讨论等多环节进行跟踪监控，按照一定比例折算评定最终成绩。同时，鼓励发问、发散、发挥，并予以相应的奖励，如延长实验室开放时间、优先使用实验仪器、帮助职业规划等。

通过课程思政、小组化研讨、引入数值模拟和改革考核等方式可以让每个学生都参与到实验中，避免因为设备不足、人数过多、实验周期长而导致学生参与度低、对实验兴致不高等问题，有利于激发实践和创新能力。

结语

加快实现我国由工业大国向工业强国的转变，如期完成“中国制造2025”的发展任务，工科类高校更应起到支撑作用，培养出符合新时代发展要求的复合型应用人才。对传统实验教学进行改革，融合课程思政、专业理论和数字信息等多维手段，使学生加深了对锻造工艺基础知识的理解，能够依据锻造基本原理独立设计并实施实验。基于上述的改革和实践举措，打破了“讲—听—仿”的固化模式，重构了“认知—实践—应用”的过程，营造了“肯学—好学—乐学”的氛围，学生的家国情怀和求真务实的科学精神得到进一步提升，有效夯实了高校成为原始创新高地的基础。