工程材料及机械制造基础课程“以点带面”教学方法

武玉琴，李成新，徐自立，卢记军，汪华方，唐令波，唐科，曹龙超，余联庆

工程材料及机械制造基础课程“以点带面”教学方法

武玉琴1，李成新2，徐自立1，卢记军1，汪华方1，唐令波1，唐科1，曹龙超1，余联庆1

（武汉纺织大学 1. 机械工程与自动化学院，2. 传媒学院，湖北 武汉 430073）

工程材料及机械制造基础课程是介绍工程材料及其加工工艺的综合课程，具有知识点多、实践性强等特点．以焊接接头组织与性能知识点为基础，提出“以点带面”的教学方法．该教学方法将相关基础理论知识、实验以及工程实践内容有机融合，使各章节知识点之间的联系更加紧密．该教学方法改革有利于加深学生对理论知识的理解和掌握，促进学生将理论知识转向实践应用，提高学生的工程意识与职业素养，也对相关课程的教学提供了新思路与新的方向．

焊接接头组织；以点带面；综合性创新教学方法

工程材料及机械制造基础课程是机械类专业课程设置中全面介绍工程材料与机械制造领域中的毛坯热加工成形工艺的课程，对毕业生今后的设计与制造等生产技术工作具有重要的指导作用[1-2]．多位教学工作者为了适应该课程知识量大、实践性强、课时减少等教学难点，对工程材料及机械制造基础课程的教学、实验、工程实训等进行了研究与改革，提出了很多有效的教学方法[3-11]．结合该课程生产实际应用性强的特点，孙康宁[3]等指出教学过程中应重视将理论教学与实践教学相结合，通过培养学生的动手能力、创新能力及综合设计能力，进而达到深化理解理论的教学效果．陆文金[4]、何水龙[5]等针对传统填鸭式教学提出把机械制造基础系列理论课回归到“工程实践”中．黄根哲[6-8]等采用以点代面、项目导向、课题研究等教学模式以及线上教学等各种方法进行教学改革，提高教学效果与学习效率．周世权[9]等将机械制造基础综合课程与工程训练实践课程进行有机结合，提高了教学水平，培养了学生的能力．

本文从知识点焊接接头组织与性能出发，提出“以点带面”的教学内容设计改革与创新，将理论与实践高效融合，提高学生的知识掌握效率、综合素质水平以及解决工程问题的能力．

1　“以点带面”教学知识点梳理

以焊接接头组织与性能知识点为中心，以点带面，涵盖工程材料与机械制造基础课程中性能、结构、成形工艺等内容，综合课堂教学、实验教学与工程实训相关内容进行创新调整，进行“以点带面”教学内容设计，引出相关知识内容．

1.1　引入知识点——焊接接头组织与性能

工程实训期间，学生进行手工电弧焊焊接实习，督促学生记录焊接电流、电机正反接法以及焊缝表面形貌等；初步分析焊接工艺参数对焊缝和焊接过程控制难易程度的影响．实训中穿插讲解熔焊过程以及焊缝的形成，引导学生进行理论方面的思考．

1.2　引入焊缝的形成——铸造知识点

焊缝的形成是一次冶金过程，如同小的熔炉．在熔炼过程易形成偏析、凝固组织不均匀等铸造缺陷．由于熔池较小，母材向外散热较快，焊缝熔体易形成晶粒粗大的柱状晶．引出并对工程材料与机械制造基础中材料凝固、材料组织结构以及铸造工艺等知识点进行讲解．

1.3　引入焊接接头组织观察与硬度实验

1.3.1探索焊缝组织，开展焊接接头组织观察实验该实验涉及金相样品制备与组织观察．在实验环节，学生观察焊缝组织结构的变化，引出相关热处理章节，焊接时焊缝及其附近的母材都会经历一个加热和冷却过程，焊缝附近区域可以看作受到不同条件下的热处理．随着各点金属与焊缝中心的距离不同，各点的最高加热温度和热历史也不同，因此形成不同的组织结构．以碳钢为例，其焊缝组织见图1[2]154．金相组织由左到右分别为正火区、过热区、熔合区与焊缝（见图1a）．正火区晶粒细小，力学性能最好；过热区的晶粒粗大，形成比较明显的魏氏组织，力学性能下降；焊缝区为焊接中心小熔池所在区域，因为金属具有较高的热导率，在焊接过程产生较大的温度梯度，晶粒组织呈粗大的柱状晶，力学性能差．而熔合区介于焊缝与过热区之间，晶粒组织形态由柱状晶转变为魏氏组织，由于各组织之间的性能差别较大，导致熔合区的力学性能很差．焊接接头组织与加热温度的关系见图1b．

图1　焊缝组织及其形成示意图

1.3.2探求焊缝性能，开展焊接接头硬度实验引导学生理解组织与性能之间的关系．掌握组织、性能与加工工艺之间的关联，能够分析焊接过程中影响材料组织与性能的因素，进而选择最优焊接参数，促使学生能够理论联系实际，系统掌握知识．

2　“以点带面”教学内容规划

在工程材料与机械制造基础课程各章节讲解时，将相关教学内容有机串联，将性能——结构——工艺——应用等有机融合在一起，形成知识点脉络（见图2）．焊接接头组织与性能知识点涉及工程实训中实践操作、课程理论内容以及课程实验．以焊接接头组织与性能为核心知识点，以焊接实验与焊接接头组织观察实验为例，对各相关知识点进行讲解，将理论与实践直观联系起来，避免学生虽然学到大量专业名词，头脑中却还是一片模糊，不能融会贯通，学以致用．

图2　焊接接头组织与性能相关的知识点脉络

焊接接头组织与性能涉及的具体知识点与实验实践内容为：

（1）分析观察热影响区间组织结构变化规律．对比铁碳二元合金相图，结合热处理工艺，得到熔合区、过热区、正火区所对应的过热温度，得到金相组织所在的热处理区域．期间引导学生对金属凝固过程、金属凝固组织以及热处理知识进行学习掌握，并在实践中应用理论知识进行实验数据分析，给出结论．

（2）观察焊接热影响区是否存在再结晶区．在观察焊缝金相组织结构过程中，分析比较不同母材对应的热影响区的组织变化，引导学生思考何种钢材具有再结晶热影响区，并引出金属材料塑性成形，梳理金属塑性成形知识点．

（3）测试焊缝及其热影响区的维氏硬度．记录焊接接头不同位置对应硬度值的大小，并绘出维氏硬度随热影响区组织变化对应的硬度值变化曲线．通过实验结果进行分析硬度与材料组织结构之间的关系．引导学生思考影响焊缝性能的因素，分析得到提高焊缝力学性能的措施．

（4）掌握并运用材料组织结构对性能的影响规律．根据焊缝热影响区的组织结构观察与力学性能测试，讲解固溶强化、第二相弥散强化、加工硬化和细晶强化等基本概念．加深学生对材料组织、性能与加工工艺涉及知识点的掌握程度，并进一步了解组织、性能与加工工艺之间的关系．

（5）深入了解焊接工艺与焊接接头组织与性能的关系．通过对焊缝进行组织结构观察和硬度测试，结合焊接过程中所记录的电流、焊条、母材等数据条件，分析焊缝组织结构与焊接过程中条件之间的关系，根据所学知识给出最优化焊接条件，并反思焊接过程的技术问题，进而提高材料焊缝性能．达到理论与实践深度融合，提高学生能够学以致用的目的．

通过以上教学内容的规划安排，以焊接接头组织与性能为核心知识点，引出工程材料与机械制造基础理论基础知识，并与工程实践和课程实验内容相结合，形成知识面．

3　“以点带面”具体授课内容与安排

在工程材料与机械制造基础课程中，与焊接接头组织和性能知识点相关的授课内容包括：力学性能、组织结构、材料凝固、二元合金相图、热处理、液态成形、塑性成形以及焊接成形．将实际操作手工电弧焊内容、课程内实验内容以及相关理论知识内容相互融合渗透，并进行综合讲解，从而加深学生对理论知识的印象，促进学生能够将理论知识应用在综合实践中，提高学生工程意识与应用理论专业知识解决实际问题的能力，为培养创新型人才打下基础．该知识点总计6课时，包含实验与课堂讨论，具体授课内容安排为：

（1）结合焊接接头的组织结构讲解工程材料基础理论知识，2课时．通过实验观察焊接接头金相组织，从组织结构出发，分析晶粒尺寸并引申晶粒的形成与长大，以及凝固过程中的一系列问题，包括细晶强化、固溶强化、加工硬化等重要知识点．并通过对比讲解，加深学生对基础理论概念的掌握．

（2）结合焊接接头的硬度测试，讲解材料硬度测试需要注意的问题，2课时．材料性能测试时所需要注意的问题对于能否得到准确的测量值非常重要，在该部分对材料硬度测量过程及其所需要注意的问题进行详细讲解．引导学生分析如何选择硬度测试计以及得到精确的硬度值．指导学生分析材料硬度值与结构之间的关系，了解不同加工工艺下会产生不同的材料组织结构，从而得到不同的力学性能．鼓励学生探寻有关测量设备的工作原理，了解设备不同零件对材料性能的要求，并将知识应用于实践过程，进一步根据材料性能要求选择原材料及其加工工艺．

（3）结合焊接热影响区的组织结构变化，讲解材料热加工工艺，2课时．焊接接头组织结构涉及热处理中的正火、退火、再结晶退火等知识，回放热处理视频与对应金相组织图，将热处理相关知识点进行梳理．引导学生根据理论知识的学习，分析加工工艺与材料性能之间的关系，并应用理论知识分析不同焊接方法对应的焊接接头组织与性能．再结晶是在工件经过压力加工后出现加工硬化，通过再加热晶核重新形成并长大的现象，因此只有经过压力加工后的材料其焊接热影响区存在再结晶区，实验与课堂授课中将冲压板材与其它板材焊缝热影响区的金相组织进行观察比较，讲解塑性成形相关知识．

以焊缝接头组织与性能知识点为中心，将涉及到的授课内容进行综合性教学，形成知识面，将覆盖的章节内容进行系统讲解，帮助学生更好地理解和运用理论知识．该教学方法有助于梳理实践——实验——课堂教学关系，促进实践与理论的高效融合．

4　“以点带面”教学方法的效果

学生通过动手操作手工电弧焊，调节焊接电流，接线方法，记录实验数据等实践过程，结合比较先进的实验设备和测量手段进行显微硬度实验与金相组织观察，加深对焊接接头组织与性能知识点的理解与运用．同时，运用课堂讲解的理论知识，能够举一反三，在实验和实训过程中进行应用并发现提高材料性能的方法，达到能够解决实际问题，提高动手能力与学习能力的教学目的，提高教学效果．

“以点带面”教学方法将课堂教学、课程实验与工程训练相互结合，在课程内容增多、课时减少的情况下提高了学习效率，更有利于学生综合所学知识，从而真正了解产品的选材——加工工艺——材料组织结构——材料服役性能的整个过程，提高应用理论知识解决实际问题的能力，达到专业认证所应具备的毕业目标与要求．

5　结语

“以点带面”教学方法有利于引导学生在实操过程中应用理论知识进行分析，达到学以致用的目的；有利于加深学生对理论知识的理解和掌握，培养学生学习兴趣与创新意识；有利于提高学生分析问题、解决问题的能力；有利于培养学生的工程意识，提高了教学质量；有利于工程材料与机械制造基础课程的系统讲解．该教学方法促进相关课堂教学、课程实验与工程实践的高效融合，使各章节之间的联系更加紧密，在一定程度上解决了课时少、内容多的困境．通过该课题的实施，学生更容易将理论知识转向实践应用，也对相关课程的教学提供了新思路与新的方向．

[1] 徐自立，夏露．工程材料[M]．武汉：华中科技大学出版社，2020．

[2] 邓文英，郭晓鹏，邢忠文．金属工艺学[M]．北京：高等教育出版社，2017：154．

[3] 孙康宁，张景德，傅水根．“工程材料与机械制造基础”课程知识体系研究[J]．中国大学教学，2015（5）：63-66．

[4] 陆文金，张晓红．《机械制造基础》课程的课改建议及可行性分析[J]．产业与科技论坛，2018（17）：161-162．

[5] 何水龙，鲍家定，何玉林．“金课”导向下卓越班“机械制造基础”课程教学改革[J]．西部素质教育，2019（17）：7-8．

[6] 黄根哲，于化东．“工程材料与机械制造基础”系列课程：昨天、今天、明天[J]．现代教育科学，2016（9）：64-67．

[7] 黄根哲，朱振华，于化东，等．大工程背景下工程材料与机械制造基础系列课程存在的主要问题和解决方案[J]．教育教学论坛，2016（32）：216-218．

[8] 黄根哲，宋善女．工科院校机械类专业《工程材料与机械制造基础》系列课程发展初析[J]．教育教学论坛，2016（23）：154-157．

[9] 周世权，黄胜智，赵轶，等．“工程训练与机械制造基础”综合课程的探索与实践：以铸造工艺为案例[J]．实验室研究与探索，2018（37）：203-209．

[10] 高玉芳，李薇．工程材料及机械制造基础课程教学改革与实践[J]．高师理科学刊，2018，38（10）：72-75．

[11] 刘隆节．工程材料教学和机械制造基础教学的有效融合[J]．内燃机与配件，2020（18）：227-228．

The teaching method of point to area for engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing

WU Yuqin1，LI Chengxin2，XU Zili1，LU Jijun1，WANG Huafang1，TANG Lingbo1，TANG Ke1，CAO Longchao1，YU Lianqing1

（1. School of Mechanical Engineering and Automation，2. School of Media & Communication，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China）

Engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing is the course that introduces engineering materials and their processing technology．It has the characteristics of many knowledge points and strong practicality．Based on the knowledge of welded joint structure and performance，the teaching method of point to area is put forward．The contents related to basic theoretical knowledge，experiment and engineering training are organically integrated under this teaching method，so as to make the connection between the knowledge points of each chapter closer．This teaching method reform is beneficial to deepen students′ understanding and mastery of theoretical knowledge，promote students to turn theoretical knowledge to practical application，improve students′ engineering consciousness and professional quality，and also provide new ideas and new directions for the teaching of relevant courses．

welded joint structure；the teaching method of point to area；comprehensive and innovative teaching methods

1007-9831（2022）09-0095-05

TB3∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.021

2022-05-06

武汉纺织大学教学研究项目（2021JY056）

武玉琴（1979-），女，山东菏泽人，副教授，博士，从事非平衡下金属材料凝固、电子封装技术研究．E-mail：yuqin_wu26@163.com