“新工科”建设背景下“焊接理论基础”课程教学改革与实践

崔雪鸿 龚冠华 李光丰

摘 要：在新工科建设背景下，焊接技术作为推进工业发展的一个重要技术环节，也必然需要进行不断的革新。为了培育大量具备实践动手能力和勇于创新精神的高级专业人才，教学上合理优化课程内容、丰富教学手段、推广虚拟仿真模拟实践、增加实践环节的趣味性，本项目将开放性实践课程设置与工业上的案例项目实例、教师的课题研究相结合，加强校企合作、共建校企联合实践基地，对课程考核环节进行优化调整，致力于培养出新一代建设中国特色社会主义接班人。

关键词：焊接；教学实践；虚拟仿真

中图分类号：TG4；G642.0  文献标识码：B

1 概述

“新工科”是对传统工业的升级改造转型，为了积极应对新一轮工业革命，新兴产业需要的是工程实践能力强、创新能力强、自主学习能力强、多样化和个性化的“新工科”人才［1］。焊接作为一种先进的加工生产技术，已广泛地应用于机械制造各行业。焊接技术在推进工业日益进步和产品技术锐意改革以及推动国民经济蓬勃繁荣过程中都发挥着重要作用。伴随着新兴工业的发展，它逐渐从单一的加工工艺演变成为一种涵盖多学科交融综合的工程技术。

调研结果显示，企业要求学生不仅具有焊接操作技能、焊接工艺设计能力、焊接设备的使用和维护等能力，此外还要求其具备金属材料科学与工程等方面的知识，能在工件材料、工件设计、焊接材料、焊接技术和焊接生产流程及自动智能化领域从事研究开发、工艺设计、质量检测分析、设备管理和经营生产等工作。“焊接理论基础”课程是金属材料工程专业的重要核心课程之一，需要以“材料科学基础”“机械设计”“材料力学”“物理化学”“热处理工艺”及“电子电工”课程为前期铺垫，后期以“焊接结构”“钎焊”“无损检测”等课程为延伸拓展。为了培育大量具备实践动手能力和勇于创新精神的高级专业人才，教学上应该做到既要注重基础知识的传授，也要加强对学生创新意识的引导，多增加动手实践环节，激发学生的学习兴趣，培养学科内的基本技能。合理优化课程内容，丰富教学手段，推广虚拟仿真模拟实践，增加实践环节的趣味性，让教学过程不再枯燥乏味。将开放性实践课程设置与工业上的案例项目实例、教师的课题研究相结合，开展科研兴趣小组，进行科研创新，把选课、课程实践、专业训练和毕业设计相统一，形成“理论基础体系、应用基础体系、专业训练体系、科研创新体系”的有机结合。

2 教学中存在的问题

在“焊接理论基础”课程教学中，出现了一些非常具有代表性的问题。

2.1 课时不足

培养方案修订过程中本课程从开设之初的64课时压缩至54课时，再调整到现今为40+8课时，而且课程内容中理论知识和技术参数较多，学习起来比较枯燥。目前教材选用的是《焊接冶金学——基本原理》（杜则裕编著），教参和辅助教材较少，焊接前沿相关知识更新较慢。

2.2 实验课时占比不足且实验种类单一

本课程实验课时为8个课时，设立的课程实验均为验证性实验，实验中所用钢种基本都是低碳钢，与市场实际需求产生了失配。

2.3 实验设施不足

可以用于实验教学的设备和工位较少，实验环境比较恶劣，存在强光、噪音、紫外线、烟尘污染，配套的实验防护用品不足，导致实验过程中也存在一定的安全隐患，从而导致了焊接人才的流失，达不到原本的培养目的。

2.4 学科相关宣传和引导工作不到位

学生自身观念存在误区，在传统观念上焊接技术人员经常会与体力劳动或“脏苦累”画上等号，导致很多学生在动手实践过程中存在抵触情绪。

3 教学改革措施研究与探索

进行教学改革应该从教师自身开始转变，优化教学思路、引进新的教学理念和教学方法。按照传统的教学方式，备课—讲课—复习—批改作业—考试看起来貌似完成了教学任务，但是在教学过程中如果照搬课本内容进行讲授就会很枯燥，学生注意力无法集中，会失去学习主观能动性。如果增加拓展焊接知识，就会使课时延长，无法如期完成教学计划。因此在优化教学内容的过程中，教师不光要有“反思”更要有“行动”，只有二者相互结合才能更好地完成真正意义上的教学内容优化。教师在备课和教学中应该认真思考教学目标的目的，有意识地围绕教学目标来改善教学途径，丰富教学质量检测手段，对教学全程做出精细化管理，从而提高课堂教学效果。本项目遵循了以下五个原则：把握学科重点、紧跟时代发展、化枯燥为生动、注重结合实践、加强引导激励，分别对应了教学内容优化、教学手段改革、实践环节改革、考核环节改革以及融入课程思政教育。

3.1 教学内容优化

3.1.1 制订优化教学方案

在优化教学方案的过程中，首先熟悉和贯彻执行教学大纲，其次深入研究教材，根据教材内容的内部逻辑联系来制定教学重点。但是不能忽略学生在作为教学对象的同时也是教学的主体，作为教师，我们必须全面了解学生的情况。教材中的一些基础知识（如熔池凝固、固态相变、熔渣化学冶金反应和焊接温度场等），这一类教材中的基本概念、基本原理、基本定律和公式等内容是必须要求全员掌握的知识，在教学过程中必须将其作为重点，并采用“由浅入深、循序渐进”的教学方式进行讲授。而对于一些学科内的基本技能（如焊接缺欠与焊接缺陷的评级方法、超标缺欠的返修工艺、形成气孔的影响因素及防止措施等），也就是应用基础知识去完成某些实验或实践操作的能力，对于不同基础的学生来说是不能同步达到理想教学效果的，但恰好这类基本技能是在我们学科学习中最需要重视和掌握的。因此，在教学过程中，我们应该结合学生的实际情况，有针对性地增加部分学生的参与练习、实践的机会或调整部分学生参与练习、实践的方法方式，以达到更好的教学效果。

3.1.2 教学内容更新和补充

现代焊接技术最早出现在19世纪末，是一种以加热、加压或者二者并用的方式形成永久性接头的连接技术。焊接技术的发展史基本上也是焊接新型热源的开发研究发展史，从最早的弧焊、氧炔焊、电阻焊到20世纪早中期的手弧焊、埋弧焊、电渣焊，再到20世纪下半叶新型的超声波焊、摩擦焊、爆炸焊、激光焊、太阳能焊和电子束焊接。“新工科”背景下，焊接技术走向高精度、高智能化、高自动化和高速高效节能化。比如，微型焊接在微电子工业的应用；水下特种焊接在石油化工、钻井平台、船舶业的应用；空间特种焊接技术在航空、航天行业的应用；焊接机器人在汽车制造业自动生产流水线上的应用；焊接工件从传统黑色金属、有色金屬拓展到陶瓷材料和复合材料。焊接知识的学习也应该相应的更新迭代，在教学内容中补充最新研究成果，增加工程实例讲解，引导学生关注焊接新工艺、新设备，保证教学内容的新颖性和先进性，这样不仅能够提升学生的学习兴趣，还能挖掘学生自主学习的动力［2］。如本课程选取的案例：辽宁舰上国产的飞机拦阻索，增进了民族技术自信和自豪感；为火箭焊接“心脏”的航天特种熔融焊接大国工匠高凤林，体现了为国奉献的大无畏精神；港珠澳大桥获得了国际焊接学会“Ugo Guerrera Prize”奖，这是国际焊接的最高奖项。焊接技术采纳了机器人焊接、免涂装特种钢焊接等，体现了我国先进自动化焊接水平，为我们焊接领域起到了示范引领作用。活生生的案例，言传身教比照本宣科宣科更能震撼心灵，由讲知识到树立、实现理想，于细微处见大道，养成正确的爱党爱国爱民的人生观、价值观、世界观［3］。

3.2 教学手段改革

在大众认知中，焊接行业一直都贴着“脏苦累”的标签。在进入实验环节后，比较恶劣的实验环境就阻止了学生深入学习的热情。为了达成提升学生的学习兴趣、改善实验教学成效目标，教师引入虚拟仿真焊接教学手段，部分取代实际焊接操作，利用互联网软件模拟和设备模拟焊接过程中的热循环曲线、焊缝成形效果、应力分布图，各种材料在不同焊接过程中获得的金相组织和构成、不同焊接参数对焊后质量评估。通过采用仿真模拟教学，可以达到如下效果：（1）缓解设备使用压力，改善教师人员与学生配备比例。传统的实验操作中，基本上要采用一对一的讲解模式，从而设备和师生比压力都非常大。引入仿真虚拟实验，实现了师生间点对面的指导与考核，提高了教学效率，同时削减了焊接材料的消耗和对环境的污染。此外，仿真实验中可以弥补一些高成本先进设备的空缺，如自动焊、激化焊、电子束焊和焊接机器人等，使学生能在虚拟环境下学习新型焊接技术。（2）改善学生焊接操作體验。由于焊接过程中存在强烈弧光，需要操作者全程佩戴面罩，操作者难以观察熔池状态，如熔池大小，液态金属流动搅拌状态、熔池位置是否出现偏移；同时给掌握操作要领带来难度，如平焊中的引弧、运条、收弧操作。采用虚拟仿真实验，排除了强光干扰，有利于教师讲授分析焊接原理和学生反复熟练操作，提高了教学效果。（3）提高安全性。焊接过程中难以避免高温飞溅、强烈弧光、烟尘和紫外线污染，学生在进入实验室后，尽管指导教师屡次强调安全问题，仍有可能发生实验事故。在经过仿真虚拟实验预先培训后，降低了一些操作事故的发生；引入互联网网上教学，解决无法进行线下教学的特殊情况。如运用国家虚拟仿真实验教学课程共享平台资源，本课程就利用了其中的浙江师范大学的大型钢结构多机器人协同焊接控制虚拟仿真实验线上课程和哈尔滨理工大学的典型压力容器的焊接生产制造过程虚拟仿真实验线上课程。

3.3 实践环节改革

3.3.1 缩减原有验证性实验比例，增加创新性和设计性实验

实验内容可结合工程实践，基于工程实际案例，着重培养学生的实践能力和创新意识［4］。实验内容也可以是教师科研成果或科研项目向实践教学的转化，引导学生参与指导教师的科研项目和课题，融合各项交叉实验内容，综合体现在学生的毕业论文工作中。增补多种材料焊接方法和焊接技能培训，如焊接机器人的编程操作，不锈钢同种或异种焊接、铝铜合金焊接，材料不再局限于低碳钢，焊接方法也更多样化。同时继续推进开放式实验，鼓励学生根据市场需求自行选择实验课题，开展设计性实验，大大提高了开放实验室的设备利用率。同时为了缓解开放性实验带来的经费压力，鼓励组织学生参加各项大赛［5］。本项目实践实施中就获得了两项国家级和一项区级创新创业项目，以赛促学，以赛促教，让学生参与焊接技术创新，培养创新思维、团队协作、焊接操作与工程能力，提高科研素养。

3.3.2 加强校企合作

从企业中吸纳专业熟练的技术操作人员来校授课讲解，高校教师深入企业内部调研，扎进生产第一线［6］，进行轮岗挂职，全面提升师资力量，建设“双师型”专业教师队伍。利用企业的设备和技术优势、改善实践教学条件，共建校企联合实践基地，联合企业开展项目式教学，一方面提升学生实践综合能力，另一方面可以将产业链中存在的实际问题作为教学研究内容，能切实解决企业技术开发关卡和生产难题。

3.4 考核环节改革

为适应配合焊接教学改革，考核环节也进行了相应的调整。对于教学改革而言，作业既是一次教学全流程的最终环节，也是考核教学质量的重要指标。相对比一堂课中教与学的案例分析研究，一份作业完成情况的案例分析更能够体现教师的教育观念、教育过程以及教育成果。因此，在考核环节中加大了平时成绩的比重，通过学生每次作业完成情况，来检验学生知识掌握程度，同时也检验教师的教学质量情况。本课程在实践考核环节增加了焊接结构设计，集中进行载人承重展示，极大地增强了挑战性和趣味性。增加阶段性考核环节，按照焊接知识脉络构成分版块考核学生掌握理论知识和实践的能力，如在焊接结构缺陷分析时，综合理论和样品实际测试分析对比。如右图所示，焊接缺陷少的样品即使经过长时间锤击测试，样品弯曲变形，但是焊缝处并未脱焊，而有些样品却直接发生了脱焊。在期末考试中，压缩甚至取消了客观题型，以综合应用的主观题型为主，加入融合性试题或实际案例分析设计，检验学生综合运用能力。

焊接样品锤击测试图

结语

经过近三年的改革探索实践，学生的主观能动性、团队合作意识有所改善，焊接设备利用率提升，焊接课程教学效果良好，学生从事焊接行业的认同感和意愿增强。同时教学相长，教师能不断地提升自身综合教学能力，新的教学模式展现出优秀的应用前景。

参考文献：

［1］徐震霖，方俊飞，杨磊，等.新工科背景下焊接技术与工程专业实验实训教学改革［J］.科技视界，2021（05）.3536.

［2］许惠斌，伍光风，杨栋华.课程焊接冶金学教学内容改革探索［J］.山东化工，2017（20）：152153.

［3］费兰兰.“大思政”格局下高校实践育人模式的探索与实践［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2023（05）：8285.

［4］岳丽杰，曹梅青，夏鹏成，等.金属材料专业的焊接实践课程教学改革［J］.中国现代教育装备，2020（01）：6164.

［5］高党寻，姚启明，彭世广，等.焊接实践教学改革的实施路径探析［J］.湖北理工学院学报，2021（04）：6568.

［6］潘婷婷.“1+X”制度下计算机应用技术专业（大数据方向）协同育人培养模式［J］.科技风，2023（12）：5052.

基金项目：2019年广西民族大学教改项目（2019 XJGY41）；2022年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2022KY0150）

作者简介：崔雪鸿（1984— ），女，湖北黄冈人，博士，广西民族大学材料与环境学院副教授，主要从事金属材料加工工程研究。