“焊接冶金学”课程教学改革初探

温飞娟，龙 樟，杜建钢，周培山

（西南石油大学 a.新能源与材料学院；b.机电工程学院，四川 南充 637001）

制造业是国家竞争力的基础。焊接技术与工程专业为制造业提供高素质创新型人才。随着知识经济和信息时代的来临以及建设创新型国家，制造业进入一个高速发展的新时期。新的技术和生产模式不断出现，渗透到材料、工艺、结构、生产的各个方面。

“焊接冶金学”课程是焊接技术与工程专业的一门专业核心课程，对本专业学生既有专业入门的导向作用，又对后续专业课程学习具有搭建专业知识平台的重要功能。大一学年的大学物理及材料力学为物理冶金打下坚实的理论基础，同时，“材料物理化学”及“材料科学基础”等课程为化学冶金起到支撑作用；相应的，焊接冶金学的学习可以为后续焊接质量管理发挥引领作用。通过本课程的学习，学生掌握了材料在熔焊条件下冶金过程的基本理论和基本知识，为正确选择焊接材料、制定合理的焊接工艺和探索提高焊接质量的途径奠定基础，初步具备了分析和解决焊接工程问题的能力［1］。笔者结合多年讲授“焊接冶金学”课程的经验，深入探索教学改革方法。

一、“焊接冶金学”课程简介

焊接冶金学是熔焊过程焊接工艺和焊接材料的基础理论知识，分为化学冶金和物理冶金两大方面，主要包含焊接化学冶金、焊接材料、熔池凝固和焊缝固态相变、焊接热影响区的组织和性能、焊接裂纹等方面的理论基础。其中，焊接在高温环境下产生的各种气体及熔渣，气体与金属的作用及熔渣的酸碱性、氧化、脱氢、脱硫、脱磷以及合金过渡等均属于焊接化学冶金。而焊接物理冶金几乎涵盖所有的焊接方法，如焊缝涉及固态转变、晶粒长大及裂纹；熔合区涉及部分熔化、部分凝固、晶粒粗化、裂纹、偏析等问题；焊接接头的热影响区存在固态转变、回复、再结晶、晶粒长大及裂纹等问题［2-4］。良好的焊接接头需要分别控制焊接化学冶金及物理冶金过程。

二、教学方法改革

（一）知识结构拓扑化

“焊接冶金学”作为专业入门课程，其知识点众多，若能做好知识点的梳理，采用知识点拓扑结构图，有助于学生理解重点和难点，加强知识体系的系统性和精练度，如图1所示。同时，对于各小结还可以采用思维导图，有利于加深学生印象及课程复习。以“焊接冶金学”课程中气体与金属的作用为例，首先引出气体的来源，归纳总结出氮、氢、氧的主要存在形式，进而分析其对焊接质量的影响，最后作为焊接工作者可以采取的控制措施，以此进行知识的贯穿讲解。另外，此知识点还可作为熔渣与金属作用的引入点，顺联出脱氧、控硫及控磷的措施。这种拓扑结构系统性强、结构紧凑，学生易于系统掌握［5-6］。对焊接冶金学进行知识小结梳理，可以发现冶金学中需要记忆的知识常常是某种现象产生的原因、影响因素及控制措施，若能正确进行小结，将事半功倍。

图1 焊接冶金学知识点拓扑结构

（二）课程实践改革

在过去较长时间和范围内，对焊接专业学生的培养基本是以理论教学为主、厚基础、宽口径的教学模式，对学生焊接冶金实践环节缺乏足够的重视，对于高层次、高技能、复合型人才的培养缺乏统一的认识，在原有教学模式中，以理论教学为主体，理论课教师负责课程讲授，实验课教师负责实验，缺乏完整的实践教学体系。因此，可以建立由课程主讲教师带领学生实践的制度，完善相关的课带实训制度，建立一套行之有效的实践教学体系，帮助学生将理论知识与实践操作紧密联系，同时理论课教师可以掌握学生学习情况并及时做出调整［7］。

现有针对焊接冶金学的实验主要有两个，比较单一，针对性较差。基于此，探索传统理论课堂减少理论教学的学时，增加与之配套的焊接冶金实践学时的教学模式。“焊接冶金学”课程总学时为48学时，原有理论44学时，实践4学时，可调整为理论40学时，实践8学时。可参照表1设计的综合性课程实验进行选择，进行成套体系的实验测定。首先可以根据实际材料进行分析，设计并制备相应的焊条，以此完成焊接接头的制备，并进行焊接接头的显微组织分析，明确显微组织对性能的影响，进而进行熔焊接头缺陷检测分析，并根据断口形式判断断裂类型，从而实现焊接接头的性能控制。其次，对于焊接热循环的测定采用模拟与实验结合的方法，提供多种途径，加强学生的设计能力，注重学生工程素养的培养。对于感兴趣的学生还可以根据兴趣自拟题目，进行开放实验。教师在开放实验的设计过程中指导学生搜集资料，讲解仪器操作，并对实验中所遇到的问题进行探讨分析。如对于传统实验——“熔敷金属含氢量测试”，常采用甘油法、气相色谱法、水银法等进行测试，通过组织学生参加全国大学生焊接创新大赛等学科竞赛，结合大赛要求，与初中化学相联系，自主设计残余氢收集测量装置。此法不仅能调动学生的积极性，为参加学科竞赛奠定良好的基础，也锻炼了学生的创新性思维［8］。

表1 课程改革前后实验对比

（三）教学内容优化

焊接接头由焊缝、热影响区及熔合区组成，但是传统教材中对于熔合区往往不够重视。由于熔合区介于熔化的母材与未熔化母材的交界区域，尺寸小，所以也被称为熔合线。此区域是一个物理、化学及力学均极不均匀的区域，物理冶金和化学冶金在此区域均表现出相应的复杂性，服役工件的失效也大多从熔合区开始，物质的转变、残余应力、硬度的突变也使得此区域的性能控制成为焊接接头质量保证的难点。但由于熔合区尺寸小，讲授时经常一笔带过，没有深入讲解开发熔合区的知识。随着科学技术的发展，单一材料很难满足性能要求，且绿色环保、可持续发展意识已经深入人心，这些需求强烈带动了异种材料的焊接，焊接熔合区的物理冶金问题将越来越重要。异种钢焊接接头由于固/液相碳分配的特性、化学成分、晶体结构以及焊后热处理状态的不同，不可避免地会出现碳迁移现象，形成相应的脱碳层和增碳层，而化学成分的改变使得接头的性能表现更加多变，同时也间接影响了相应焊接材料及焊后工艺的选取。

（四）完善教学设计

“焊接冶金学”课程内容较多，学时数、知识点覆盖以及讲授深度均有赖于合理的教学设计。合理的教学设计有助于学生对知识的理解，提高学生的课堂参与度。教学设计时要突出教学方法的多元化、互补性及复合性，并且根据“焊接冶金学”课程特点外推一些项目驱动式、启发式、参与式、探究式、讨论式等教学方法，加强学生的交流协作能力。现有多媒体及网络平台丰富优化了现代教育技术，“焊接冶金学”课程应高质量地运用这些教学手段，以方便学生开展自主学习及课后学习。对于焊接冶金学中的公式推导，应弱化单纯数学推导，对此可以采用数值模拟的方法进行介绍，通过改变参数直观影响结果，并且可以以教师所做模型进行展示，促进学生对模拟及冶金原理的掌握。另外，“焊接冶金学”课程并不只是图片展示，在使用多媒体的同时应加强板书，梳理知识体系。对于学生而言，不能只是“知其然而不知其所以然”，要加强学生分析问题并能够独立解决问题的能力，这就要求教师在平常的教学设计过程中设计创新问题，培养学生的创新意识。教学设计要与时俱进，与国际接轨，展现现有冶金学领域的最新研究成果，体现现有国内外焊接冶金领域最高水平的图片、论文及重要理论，同时，要注重专业的应用，加强案例介绍。课堂教学的展现方法也多种多样，不能只是单纯的PPT或者板书，例如，对于熔滴过渡和熔池凝固部分可采用动画或者录像播放，对比不同熔滴过渡形态对接头质量的影响，体现熔池边界和中心参数变化所导致凝固组织的改变。优秀的教学设计可以增加教师与学生的联系，增加学生之间的协作机会。采用可以让学生进行能动学习的教学方法，尽量给予学生及时的反馈，尊重学生多种能力和多样的学习方法［9］。对于期末考核，应制定多种考核方式，防止“高分低能”现象的出现，同时，课本的基础内容如何服务于现有的高要求生产，创新思想如何在试卷中体现，这都是教学设计时应考虑的问题。试卷中综合题型、开放题型及生产相关的真实案例分析所占的比值可适当放宽；网上阅卷、随机抽题既能满足兴趣，也能防止考生舞弊，促进教学。

（五）引入国际焊接工程师培训内容

全球贸易一体化的发展迫使我国需要培养一批掌握国际化标准的焊接专业人才。在我国，国际焊接工程师是焊接专业最高的技术人员及质量管理人员。培养国际焊接工程师可促进我国高校焊接人才的培养与国际接轨，为我国焊接企业开展国际企业认证提供人才保证，从而推进企业参与国际竞争，走向国际市场。“焊接冶金学”教学过程会涉及各种缺陷的产生原因、影响因素及控制措施，但缺陷的评级各个国家的标准是不一致的，在教学过程中可以适当引入国际标准（ISO）、欧洲标准（EN）、美国标准（ASME）及德国标准（DIN），注重与中国标准（GB）进行对比分析，突出各标准的侧重点。同时，国际焊接工程师的培训教材可与冶金学教材交叉使用，取长补短。因为该培训教材作为国际教材更为系统，且国内大多数高校及企业对国际焊接工程师证书广泛认可，引入该培训资料进行教学既有助于学生顺利通过培训，提高就业能力和竞争能力，同时又有助于学生掌握多种焊接国际标准，促进国际交流，成为国际高端人才［10］。

（六）融入思政元素

优质的课程是课程思政的基础，思政元素的融入要忠于教育教学和课程本身，实现教书育人的完美结合。教师是课程思政的关键，但学生的获得感是检验施效成果的标准，要努力实现传播真理、塑造新人的时代重任。焊接中每一个焊点都会影响整体焊接质量，“焊接冶金学”课程讲解过程中可以插入大国工匠中焊接前辈的实例，激发学生的民族自豪感，培养工匠精神。教师在课程中要在厚植家国情怀上下功夫，如引入焊接冶金在航空航天先进制造装备中的案例，帮助学生树立“四个正确认识”，引导学生践行社会主义核心价值观。对于“焊接冶金学”课程，教师要转变教学观念、更新教学内容、改革教学方法，与时俱进地提升教学能力，增强人格影响力，促使学生能够真正“亲其师，信其道”［11-12］。