新工科背景下锻造工艺与模具设计教材分析*

杨仕杰 袁玉红 翁玲玲 董美杨

（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳 550025）

0 引言

自党的十八大以来，我国高度重视教育工作，习近平主席对教育工作作出一系列的重要部署。教育是民族振兴、国家发展、社会进步的正确道路，是实现中国伟大复兴的重要因素。世界和经济的快速发展要求我国高等工程教育改革做出改变，以应对国家战略布局、新经济挑战和新兴产业发展，推动高校工程教育教学改革创新，以培养具有高度实践能力、创新精神和专业素养高的综合型人才。目前我国高等工程教育受到高度重视和普遍关注，新工科建设也随之快速发展，从“复旦共识”[1]和“天大行动”[2]可以看出我国对新工科建设正在做出改革，以此服务国家战略发展新需求需要。

教材作为课程教学的载体，是实现教书育人的重要工具，与学生发展、专业建设方向有着密切联系。新工科背景下，立足人才培养视角，结合教材，确定教学目标，将知识技能学习与个人素养培养放到同等地位研究，以提高学生核心素养、吃苦耐劳、追求真理、刻苦学习的精神具有重要意义。《锻造工艺及模具设计》是材料成型及控制工程专业开设的一门重要专业方向选修课，其专业性强、操作性强、工程意识强，注重理论知识与实践操作相结合，旨在为国家培养锻造技术领域的工程技术人才，肩负着培养新工科人才的重任。

1 锻造工艺及模具设计课程开展现状

教材是进行教学的“物质基础”，《锻造工艺与模具设计》教材是课程中心思想、课程目标和内容的集中体现，是师生间教学活动的主要媒介。教材分析是教师认识教材的基本途径，也是教师进行教学设计的基础。正确、合理地对教材进行分析，是教师备好课，上好课和达到预期的教学目的及顺利完成教学任务的前提与关键。由于教材分析的理论不足，以及教师在进行教学过程中对教材分析的意识淡薄，使得教师在教材分析的过程中存在一定的问题。

1.1 课程开设情况

《锻造工艺及模具设计》课程以“OBE”[3]成果导向教育理念，培养学生毕业时的能力能满足社会的需求。根据“金课”两性一度的建设要求，本课程要求学生掌握锻造的基本理论知识、掌握中等以上复杂锻件的锻造工艺设计及锻模设计方法，熟练掌握计算机辅助设计方法绘制锻件图、模具图，能够使用先进的锻造分析软件进行成形模拟分析，培养学生运用知识来解决问题的综合能力。从20 世纪50年代我国开始翻译前苏联布留哈诺夫和烈别尔斯基的教材《模锻及模具设计》[4]到1958年由西安交通大学金属压力加工教研组编写的《锻造工艺学》教材[5]，以及到现在的教材，都较为传统，变化不大。本课程采用闫洪主编《锻造工艺与模具设计》：机械工业出版社普通“十二五” 普通高等教育本科国家级规划教材，教材共13 章，338 页。与传统教材相比，本书知识点清晰，内容新颖，符合学生的培养方案。这本教材主要围绕锻造工艺编写，学生通过学习可以拓宽思维、扩大眼界、强化基础，同时教材注重理论与实际相联系，有新创意和较强的实用性。

1.2 教材内容

本教材讲解了锻造生产的特点、方法、选材用材、加热规范、自由锻造工艺、模锻成型工序分析、锤上模锻、机械压力机上模锻、螺旋压力机上模锻、平锻机上模锻、液压机上模锻、模锻后续工序、特种锻造及锻造工艺的技术经济分析，共计32 学时，其中自由锻造工艺、模锻成型工序分析、锤上模锻、机械压力机上模锻是学生需要重点掌握的，也是本书的重难点。由于课时较少，教材涉及内容过多，因此，本课程还使用了学习通平台，教师将所需要补充的知识点上传至学习通，通过资料和视频来完善知识点，同时授课时需要明确重难点，对学生需要掌握的知识点进行详细讲解，并进行课后拓展。本课程是一门专业技术课程，采用传统的教学方法课程教学会很枯燥无趣，为了增加学生学习的兴趣，激发学生学习的积极性，培养他们学习的自主性，在教学设计中教师不断改革和创新，科学安排每一堂课每一个教学活动，使得教学环环相扣、连贯一致，总体扎实，有效完成教学目标，较好地契合材料成型及控制工程专业的培养目标——旨在培养德、智、体、美、劳全面发展，适应现代制造业需要，主要面向锻压成型工艺管理、锻压模具制造各加工工种、锻压模具装配与维修、锻压模具设计等岗位，兼顾机械制造工艺、机械产品加工与装配等岗位的高端技能型专门人才。

1.3 学情分析

从学生知识基础来看：学生在前期已完成专业基础课程《机械制图及AUTOCAD 绘图》《金属学及热处理》《材料力学》《材料成形原理》等课程学习。从学生知识需要来看：通过绪论部分的讲授，让学生知道通过本课程学习能掌握材料成型的重要技术之一“锻造”，掌握本课程知识学生将来能从事相关技术工作和科学研究，将来能为国家的制造业发展贡献力量。从学生知识能力来看：学生具备金属材料学、材料成形相关的基础理论知识、工程图学知识，能够理解本门课程的教学内容及其重要性，所以可以通过讲解并引导学生讨论“锻造技术的重要性”的方式进行教学。因此，授课时可以采用讲授法、讨论法、启发法、模拟分析法等。

1.4 根据学生特点，有效选择教学内容

新工科背景下，学生是教学的主体，教师应作为学生学习的引导者、组织者和协作者[6]，在教学的过程中，应该以学生为主，充分考虑学生的实际情况，以促进学生知识的获得，世界观与价值观的形成以及心理的发展与成熟。充分考虑学生的实际情况除了包括考虑学生的现有的知识结构及认知结构，还必须考虑到学生的心理发展变化和学生的兴趣所在等这就要求教师对于教育学和心理学有一定的了解。教师在教材分析的时候除了要以学生为主，还必须对选择的内容进行整合或进一步地筛选，使其较普遍地适用于大部分学生。

1.5 学生能力培养

如何培养学生能力成为教育的重难点[7]，当前国内外高校对学生能力培养展开一系列研究，并形成了有效而丰富的经验[8]。在新工科的背景下，学校提倡培养学生实践能力与创新能力，力争成为学与做的专业型人才，基于此，国内许多高校制定新的实习模式，缩短学校与企业距离，通过校企合作达到产教融合，并且，不少学校对学生实施双导师制，校内校外均有导师指导，让学生真正意义上实现理论与现实相结合，为新工科建设及《中国制造2025》[9]做出巨大贡献。通过《锻造工艺及模具设计》专业课的系统学习，在课程中期对学生布置课程设计安排，培养学生科学分析问题、解决问题的工程能力、团队合作精神，学会锻件图的制订与绘制工艺卡片，掌握锻件图绘制的要点，计算锻件坯料质量及尺寸的确定。最终要求学生能自主设计一套模具，并进行模拟仿真，如图1 ～2所示模具，由学生自主设计完成，并以此申报大学生科研项目。教师在培养学生专业技能的同时，鼓励学生积极参加科研项目，在参与项目的过程中检验了学生专业水平，锻炼了学生动手能力。

图1 机锻模模架结构图

2 教材结构待解决问题

2.1 注重局部分析，缺乏整体分析

图2 机锻模三维数字模型

在《锻造工艺及模具设计》教学过程中，教学以节为单位进行开展，所以教师在教材分析时经常是以小节来分析，使得教师在分析教学内容时注重了某一章或某一节内容。以镦粗知识点为例，本节知识点是《锻造工艺与模具设计》第四章“自由锻造工艺”第3 节。在前面三章学生已经学习了锻造用材料准备、锻造的加热规范，对锻造技术的用材、下料、加热有了一定的了解。第四章前两节介绍了自由锻用途、自由锻锻件的分类，为本知识点教学奠定了基础。在重点分析镦粗知识点，忽略了镦粗在本章节及本课程的具体地位。《锻造工艺及模具设计》教材以一定的主线为基础将所有知识串联起来的，前面知识点的学习都是为了后续知识的学习做铺垫，所以在教材分析的时候必须对教材进行小节和整体分析。这样才可以从一个较高的角度来把握教材整体的思路。

2.2 注重表面分析，缺乏深层次的分析

从《锻造工艺及模具设计》这本书目录来看，可以得知整本书涉及的内容过多，教师在讲授知识点时，仅靠书上的内容是完全不够的，需要教师在课下准备更多的资源。而更多更深层次的知识点在书上是没有体现的。以第四章第3 节知识点镦粗为例，书上介绍了镦粗的概念、分类、方式及镦粗过程产生的缺陷的措施，在这个知识点里，学生需要掌握的知识目标有（1）理解镦粗的作用、目的、分类；（2）掌握平砧镦粗的变形原理；（3）能够分析镦粗缺陷产生的原因，掌握减少镦粗时鼓肚和裂纹的措施。通过重难点的讲解，学生能够对镦粗的三大变形区的变形进行分析，最终运用镦粗成形理论知识选择镦粗方式。虽然教材上将镦粗涉及的知识点介绍比较全面，但是对于学生需要重点掌握的平砧镦粗和三大变形区的讲解却微乎其微，此时，需要教师对该知识点进行补充。在拓展专业知识时，借用Deform-3D专业锻造成形模拟仿真分析软件播放平砧镦粗的有限元模拟视频，如图3-6 所示，使知识点讲解更加生动具体，利于学生吸收掌握。同时，通过借用软件等技术，“让学生认识自由锻工艺在生产中的重要性，激励学生学好专业知识为国家制造业发展做贡献”，完成思政教学任务。通过镦粗这一知识点的讲解可以反映出整本书大量存在这样的问题，许多知识点需要教师下去进行收集资料补充，教材只是涉及概念内容，并未列出相应的例子。学生在学习时普遍会产生无聊和厌学的情绪，因此教师应基于教材已有内容，及时补充教师专业知识案例。

图3 镦粗

图4 有限元分析

2.3 增强专业知识的学习，形成整体的知识结构体系

扎实的专业知识是教师进行教材分析的基础[10]。只有具备扎实的专业知识，教师才能从较高的角度对教材进行整体的分析，在对教材进行局部分析时，需考虑到整体的思路，对教材结构做出适当的处理。在对教材结构分析的过程中，能将各知识点之间及与其他学科之间的联系分析出来，从而较好地进行教学设计。教师进行教材分析，必须达到“懂、透、化”的程度[11]。“懂”就是对教材的基本思想、基本概念、基本理论，甚至每一句话，每一个字，都要弄懂，弄清楚，搞明白。“透”就是对教材不仅要懂，而且要熟悉，能够运用自如。“化”就是教师的思想感情和教材的思想性。科学性融合在一起。而这些都需要扎实的专业知识作为依托，也就是说在弄懂的基础上才能进行下一步，最后将知识、能力、思想内化为教师自身的东西，最终形成整体的知识体系结构。在教材分析的时候就会既考虑到知识点之间的关系、也会考虑到与其他学科之间的关系，同时对教材分析也会达到一定的深度，而不仅停留于表面分析。

3 解决对策

3.1 展示生产视频，激发学生学习积极性

本课程主要学习锻造加工辅助工艺和锻造工艺，每一种工艺在生产中都会使用，所以本课程应加强锻造生产各环节视频的收集和整理。在每一章的开始基本都会利用生产视频，把学生带入生产现场，让他们对锻造加工有直观的感性认识，避免学生闭门造车虚无想象。激发学生学习的积极性同时提高教学的效率。

3.2 使用模拟仿真案例，激发学生学习兴趣

传统教学方式的直观感、立体感和动态感等方面的不足，使一些抽象的内容难于理解和掌握。在《锻造工艺及模具设计》这门课程中，探索金属的流动规律贯穿于整个教学过程。学生的抽象能力是有限的，为了解决教学中“金属流动”这个难点，本课程运用先进的锻造成形模拟分析软件Deform3D 模拟了锻件的成形过程，学生可以直观锻造成形过程中金属流动状况，锻造温度的变化、锻件的应力应变状况。学生可以轻松学习、兴趣更浓，树立学习先进研究技术方法的信心。目前在整个课程体系中，教师团队制作了：“齿轮坯自由锻成形模拟仿真；“齿轮坯开式模锻成形模拟仿真”“后钢板弹簧吊耳开式模锻成形仿真”“刷盒闭式模锻成形模拟仿真”等案例来讲解自由锻、模锻成形、闭式成形，拓展了专业知识，激励学生学习兴趣。

3.3 在教学中开设课程设计，促进学生自主学习

本课程的最终目的是要培养既掌握锻造工艺及模具设计的人才，也要培养会撰写工艺文件、设计说明书的人才，还要培养口头表达能力强的人才，更要培养协作创新创业的人才。在教学中，利用课后作业环节，分组完成“齿轮坯自由锻工艺设计”“冷锻件图工艺设计”“热锻件图工艺设计”，要求完成设计说明书、绘制图纸和三维模型，还要分组答辩。同学们相互学习，分工协作完成设计任务，制作PPT，共同答辩。通过课后的教学活动，促进学生自主学习，锻炼学生的综合素质。

3.4 通过网络课程教学，方便学生课前预习

利用网络资源辅助教学学习，教师可以把更多先进的锻造知识推送给学生，学生课前完成各章节任务点也可以提高课堂教学的效率。教师通过观察同学们课后作业完成的情况，课后学习、讨论的情况，及时对教学问题进行调整。线上线下教学模式打破了传统教育局限，丰富了教学内容和方法，学生学习时间更加自由，能解决跨时空的限制，在一定程度上节约了教育资本，并且好的线上线下课程还具有覆盖面大、推广性强等特点；同时线上线下教学还能解决单一的线下教育与线上教育模式所带来的不足。

3.5 在教学中注意多种教学方法的结合使用，激发学生自主学习

对于现在信息时代的青年学生，必须使用更多先进的教学方法，才能吸引他们学习的注意力。在教学中除了采用常规的讲授法，还运用了探究、讨论、提问、项目学习、任务学习、模拟仿真等多种教学方法，激发学生努力学习达到学习要求。

3.6 根据课程特点，增添思政教学目标

《锻造工艺及模具设计》作为工科课程，注重理论知识与实践操作相结合，在教学过程中发现理论知识与实践操作两部分渗透的课程思政元素均较少。通过教学与考核，部分学生存在专业认可度低、学习参与性差、对专业课的学习不感兴趣等现状。因此，为改变这一现状，现将课程做出调整。在整个教学过程中增添课程思政知识点，融入思政教学，以提高学生专业自信，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，促进学生全面发展，实现立德树人的根本任务。在课程教学中时常让学生了解锻压技术的重要性，培养学生科技报国的理想。一个国家的锻压技术可以衡量其工业水平和国防实力，要求学生学好专业知识为社会、为国家出力，做出大学生应有的贡献。教学过程中教师始终要遵循学生身心发展规律，从专业课程出发，立足专业建设要求；从学生道德修养、技能掌握与知识水平层面考虑，引导学生为中国制造业发展、实现工业现代化以及迈入制造强国而奋斗。

3.7 转变教师观念，对教材进行拓展延伸

图5 模拟仿真图

图6 三大变形区

教师要通过学习，对新工科背景下的《锻造工艺及模具设计》教材的拓展延伸有一个正确的理解，以课程标准为根本，合理地对教材内容和结构进行一定的拓展延伸。针对教材进行再度开发，应以教材为中心，联系当地的实际情况，利用最有效的资源去辅助教学，促进学生理解、分析和解决问题的能力提高。此外，教师要通过学习，不断提高自己的业务素养，使自己能够可以从大量的信息中找到并提炼出自己所需要的信息，真正成为教学中的引导者，更好地让学生的身心得到全面的发展。

4 结语

在新工科的指导下，教师开始将教材作为一种教学资源，渐渐地打破了一切以教材为中心的思想观念。教师在进行教材分析的时候，必须以课程标准和培养方案为根本，深入解读课程标准和培养方案，弄清楚教材的存在的不足。在拓展延伸内容时要以学生为主，了解学生心理和注重技能的培养。只有这样，教材分析才能更好地分析学生的情况，在教材需要拓展的地方就可以清楚地知道学生的需要。结合实际情况，对教材进行拓展，让学生学习对生活有用的知识，坚持理论知识与实践知识相结合，鼓励学生做学习的主人，真正实现做中学。（文责自负）