提高《鑄造成型基礎(chǔ)及理論》課堂教學效果的探索

吳振卿，孫玉福，趙紅亮，潘繼民，趙靖宇

（鄭州大學材料學院，河南鄭州 450052）

本人擔任《材料成型基礎(chǔ)及理論》“鑄造部分”的授課任務，課時32學時，除去課程實驗及節(jié)假日，實際授課時數(shù)更少，為了在有限的課堂教學中盡量發(fā)揮課堂教學的作用，在和課程組其他老師共同研討的基礎(chǔ)上，對教學內(nèi)容和教學方法方面進行了一些探索，在此進行了簡單的總結(jié)，以供各位同行參考。

1 通過介紹中國古代悠久燦爛的鑄造史，提高學生對鑄造的感性認識和興趣

《材料成型基礎(chǔ)及理論》在大三第一學期進行，學生此時只是通過認識實習對鑄造有了一些簡單的了解，由于認識實習條件的限制，認識實習后，學生對鑄造生產(chǎn)的印象較差。為了提高學生對鑄造專業(yè)學習的興趣，同時進一步增加學生對鑄造生產(chǎn)過程的感性認識，特地將首堂課內(nèi)容設(shè)置為中國鑄造史。為此在課前先播放從網(wǎng)上下載的“永樂大鐘”的視頻，該視頻詳細介紹了永樂大鐘的鑄造工藝和該大鐘的特點，引起學生對鑄造工藝的興趣。

1）首先講解了中國古代錢幣的代表——“制錢”的鑄造工藝演化過程，從一個到四個，再到一次性澆注將近500個“制錢”的“立式疊鑄”鑄造工藝，最后總結(jié)了“制錢”對中國古代商品經(jīng)濟發(fā)展的促進也即對中國古代文明發(fā)展的促進作用。

2）通過大量的古代的大型鑄件圖片，介紹了中國古代在大型鑄件方面取得的成就，然后介紹了重達40 t多的“滄州鐵獅子王”的“泥范法造型，明澆法分段鑄接”工藝，并對比介紹了本世紀初某廠家仿制該產(chǎn)品前兩次失敗，第三次才成功的實例，說明我們祖先在鑄造工藝方面的創(chuàng)新和嚴謹精細的工作作風。

3）介紹了中國歷史博物館的鎮(zhèn)館之寶“后母戊大方鼎”鑄造工藝和有關(guān)該文物在抗戰(zhàn)和解放戰(zhàn)中的傳奇故事，又對前面視頻中播放的“永樂大鐘”的鑄造工藝進行了簡單的總結(jié)，說明了鑄造在中華文明所占的重要地位。

4）結(jié)合一些旅游景點優(yōu)美的工藝品如“曾侯乙銅尊”和頤和園的“龍鳳鹿鶴”等對古代的失蠟鑄造工藝進行了介紹，說明了鑄造工藝在實際生活中的應用。

5）對中國古代鑄造材料的開發(fā)也進行了介紹，重點介紹了春秋時期《考工記》中記述的不同配比的銅錫合金用于制造各種工器具和“河南鞏縣鐵生溝西漢鐵?頭”的球墨鑄鐵組織，該球墨鑄鐵的出現(xiàn)比西方早了兩千多年，說明了我國古代在鑄造材料的開發(fā)方面也曾處于世界領(lǐng)先水平。

6）在該堂課的最后也對中國近現(xiàn)代鑄造工藝及科技的落后進行了總結(jié)，同時也說明了當代中國鑄造在改革開放春風的沐浴下正在迎頭趕上世界先進水平，并列舉了目前世界上560 t的最大鑄件就是由學生下一年將要進行生產(chǎn)實習的洛陽中信重工生產(chǎn)的，同時在核電站和水輪發(fā)電機以及航空葉片等鑄件生產(chǎn)方面，我國也基本處在世界領(lǐng)先水平，在鑄造工藝和材料的開發(fā)方面學生將來大有可為，由此引導學生對鑄造產(chǎn)生興趣，提高從事鑄造工作的自豪感。

2 采用啟發(fā)誘導式教學，培養(yǎng)學生分析解決問題的能力

由于課時有限，為了在有限的時間內(nèi)盡量發(fā)揮課堂教學的作用，采用了啟發(fā)誘導式教學，以盡量培養(yǎng)學生分析解決問題的能力。

針對許多學生在解決一個問題時經(jīng)常感覺無從下手這一現(xiàn)象，在每一節(jié)內(nèi)容開始講解前，首先向?qū)W生提出一個問題，即從那一個方面開始對問題進行研究，也即在研究問題之前，怎樣找到研究分析的切入點，然后給學生短暫的思考時間，再開始講解，以此提高學生分析解決問題的能力。

如在講解晶體的生長時，首先假設(shè)如果是學生自己研究晶體的生長，學生應該怎樣開始研究？經(jīng)過短暫的停頓，再提示學生晶體生長的實質(zhì)是什么？結(jié)論為原子從液體中向固體的遷移，這樣學生很容易就聯(lián)想到可以從研究原子如何從液態(tài)向固體中遷移來研究晶體的生長。再提問從何入手研究原子的遷移？引導學生設(shè)想原子在啥樣的條件下才會遷移？以此引出金屬凝固結(jié)晶的熱力學條件，即在低于熔點的條件下，可實現(xiàn)個體原子從液體向固體中的轉(zhuǎn)移，即開始結(jié)晶。

在前面分析講解的基礎(chǔ)上，再提示學生研究完一個原子后應該繼續(xù)做什么？結(jié)論肯定是多個原子。研究多個原子怎么入手？提示學生多個原子在液固之間肯定要有一個什么東西將兩者隔開？界面！由此引出通過研究液固界面來對晶體結(jié)晶過程進行研究。

在研究界面的時候首先問界面一般有什么特性：結(jié)論為平整和粗糙！還有？由此引出從原子尺度區(qū)分研究平整界面和粗糙界面的生長，并由此引出二維形核生長和螺型位錯、旋轉(zhuǎn)孿晶、反射孿晶生長。再提問學生界面除了平整和粗糙之外，一般還有什么特性？松散和密實！由此引出晶體的生長以密排面為生長界面的結(jié)論。

在前面講解的基礎(chǔ)上，再啟發(fā)學生除了從原子角度研究晶體生長之外，還能夠從哪些方面對晶體生長進行研究？提示學生前面的研究是以單獨的一個界面進行研究的，實際上在結(jié)晶過程中，一般情況下結(jié)晶會僅僅是一個界面嗎？結(jié)合學生在金屬學中所學知識提示學生金屬的晶體結(jié)構(gòu)一般是多晶結(jié)構(gòu)，由此引出從晶粒長大的角度研究分析晶體的生長，最后總結(jié)出晶粒的四種生長方式：平面生長、胞狀生長、樹枝晶狀生長和內(nèi)生生長。

這一章的最后，再將前面的分析介紹和鑄造工藝聯(lián)系起來，提問學生前面是從微觀的角度研究了晶體的生長過程，那么鑄件的凝固過程有什么特點？由此引出鑄件的宏觀凝固過程和組織特點，分析介紹典型的鑄件宏觀凝固組織：表面細晶區(qū)+中間柱狀晶區(qū)+內(nèi)部等軸晶區(qū)。

通過該章節(jié)的講解分析，可以使學生了解在進行科學研究時如何開闊研究思路，提高學生分析問題和解決問題的能力。在本人的講課實踐中，始終將這一方法貫穿在自己的授課中，得到了學生的好評！

3 結(jié)合課堂教學內(nèi)容，介紹科學研究的常用思路和方法

根據(jù)課堂教學內(nèi)容，將部分章節(jié)轉(zhuǎn)化成某個研究課題，再結(jié)合該課題，向?qū)W生介紹進行科學研究常用的一些方法和思路。如在接手一個研究課題后，研究工作一般分為以下幾個階段：調(diào)研、試驗方案確定、試驗、試驗數(shù)據(jù)的整理和分析、研究報告的撰寫等。

調(diào)研一般分為實地和文獻查閱，結(jié)合課堂教學內(nèi)容舉了相當?shù)睦诱f明文獻查閱在科學研究中的重要作用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合教科書中有關(guān)內(nèi)容介紹了如何制定試驗方案，預測可能的試驗結(jié)果并進行相關(guān)試驗。試驗完成后，如何對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，得到有用的結(jié)論，剔除不合理數(shù)據(jù)，特殊數(shù)據(jù)的分析處理。最后結(jié)合課堂教學的有關(guān)章節(jié)內(nèi)容，介紹分析了研究報告撰寫的一些基本方法和技巧。

如在介紹試驗結(jié)果整理分析時，說明圖、表或數(shù)學公式三種表現(xiàn)方式各自的特點、適用范圍和分析方法。當分析用圖表示的試驗結(jié)果時，一方面要重點分析圖線所顯示的變化趨勢，另一方面要重點分析一些關(guān)鍵的點和區(qū)域，對于一些反常的數(shù)據(jù)或是不合常理的現(xiàn)象要給與特別的重視。如在講解晶體的臨界形核半徑、原子集團平均半徑和溫度間的關(guān)系時，首先分析兩者與溫度間的關(guān)系，然后將兩者合并到一個圖上，這樣就產(chǎn)生了一些交點，并將圖分成了幾個區(qū)域，分別交叉點和交點所分割的區(qū)域進行分析，最終得到了三者清晰明了的關(guān)系。

在講到晶核半徑與自由能變化的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：晶核在形成過程中其自由能是增加的，這明顯的違反了熱力學定律，但在晶體降溫的過程中晶核確實是形成了。如何解釋這一現(xiàn)象？讓學生思考這一問題，并對學生進行提問，加深學生的印象。最后提示學生前面講解液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一章中的內(nèi)容：在液體中不是一個晶核，而是由多個原子集團組成，一個原子集團如長大其自由能是增加的，但如果相鄰原子集團的尺寸是減小的，其自由能是降低的，這部分降低的自由能就可能貢獻給了前面的原子集團，使其能夠順利形成臨界晶核，這部分臨界晶核形成后再繼續(xù)長大，自由能大幅度降低，這部分降低的自由能，又可以貢獻給原來尺寸縮小的原子集團，使他們也能夠迅速的達到臨界形核半徑，從而保證結(jié)晶過程的順利進行。

4 讓學生部分成為課堂教學的主角，調(diào)動學生學習的積極性

為了改變課堂上老師照本宣科，課后學生死記硬背的教學模式，本人通過各種方法提高學生對課堂教學的參與度。前面介紹的啟發(fā)式教學即是一個十分有效的手段。另一個常用的方法即是將部分章節(jié)的課堂教學設(shè)想成學生的研究課題，讓學生從思想上參與到課堂教學中來，以此來提高學生課堂教學注意力的集中和課堂教學效果的提高。

如針對目前相當一部分學生本科畢業(yè)后要進行研究生學習這一特點，假設(shè)“鑄件熱裂的研究”為學生上研究生后的研究論文題目，以此為主線來講授該部分內(nèi)容。

第一步是提示學生要進行文獻查閱，在此基礎(chǔ)上，提問學生如何切入該課題？提示學生從“熱裂”這個詞出發(fā)，可以從兩方面入手：熱和裂?！盁帷闭f明熱裂的產(chǎn)生是在較高的溫度下產(chǎn)生的。那么熱裂具體是在什么溫度下形成的？引導學生結(jié)合相圖進行分析，將可能出現(xiàn)的熱烈溫度劃分為：固相線附近，低于固相線到共析線，共析線一下三個溫度范圍，讓學生考慮采用什么辦法來確定具體的溫度區(qū)間？

告訴學生在對一個問題進行研究時，常用的三種方法：查資料；理論分析；試驗。具體研究時可對這三種研究方法進行對比，并確定最優(yōu)研究方法。在研究熱裂時，假設(shè)前人還沒有對鑄件的熱裂進行過研究，此時可行的僅是采用試驗的方法確定熱裂產(chǎn)生的溫度區(qū)間。

試驗方法的確定也需要花費相當?shù)木Γ嬖V學生可以通過上網(wǎng)、向老師或師兄請教，或是到圖書館查資料等方法來確定試驗手段，最后通過同學們的辛勤工作，找到并確認了測量熱裂產(chǎn)生溫度區(qū)間的試驗方法——X射線衍射照相方法。

試驗方法確定后，進行大量試驗，并總結(jié)試驗結(jié)果，將相關(guān)數(shù)據(jù)整理到到鐵碳相圖上，觀察后可以發(fā)現(xiàn)：“熱裂”出現(xiàn)在固相線上下。對于這個現(xiàn)象，具體分析時可能出現(xiàn)三個結(jié)論：熔點以上、熔點以下以及熔點上下均可出現(xiàn)。對于該結(jié)論應該如何再進一步深入的分析？

提示相圖中的固相線是在什么條件下得到的？平衡條件！鑄件的實際凝固條件是什么樣的？非平衡，結(jié)果是金屬的實際熔點有可能下移。在提示學生除了冷卻速度，還有什么會對熔點造成影響？結(jié)論是化學成份。如果在金屬中存在低熔點元素，會出現(xiàn)什么情況？金屬熔點被大大壓低。這樣就可以通過重點研究在遠低于固相線溫度出現(xiàn)熱裂的鑄件的化學成分來確定熱裂產(chǎn)生的結(jié)晶區(qū)間。通過測量化學成分，發(fā)現(xiàn)在這些鑄件中，大量存在可形成低熔點共晶的雜質(zhì)元素：硫磷等，結(jié)果導致熱裂產(chǎn)生溫度大大降低，但熱裂的出現(xiàn)溫度還在完全凝固之前。

最終可以得到如下的結(jié)論：“熱裂在固相線溫度以上出現(xiàn)，即凝固沒有完全結(jié)束的時候產(chǎn)生！”

試驗結(jié)果出來后，說明研究取得了階段性的成果，可以慶祝一下，或許還能得到導師的表揚，并有可能完成一篇學術(shù)論文發(fā)表。但科學研究是無止境的，對熱裂的研究馬上就面臨下一個問題：熱裂為什么會“在凝固沒有完全結(jié)束的時候產(chǎn)生”？對這個問題怎么著手進行研究？

讓學生簡單思考后，提示學生裂紋是怎么產(chǎn)生的？前面從“熱”進行了分析，另一個特點是：“裂”。之所以出現(xiàn)裂，是因為材料的強度極限低于所受的應力，因此完全可以以此入手對其進行進一步的研究--應力和強度。

應力方面，由于靠近固相線，所以在鑄件中已經(jīng)形成金屬骨架，因此有可能產(chǎn)生應力，但由于金屬處于塑性狀態(tài)，應力應該非常小，此時要出現(xiàn)裂紋，金屬的塑性和強度也應該非常低。具體情況是不是這樣的？

首先以鋁銅合金為例，采用試驗方法確定金屬材料的高溫塑性，試驗數(shù)據(jù)顯示在固相線附近，合金的塑性和強度均非常低，接近于零，說明只要有應力就可能出現(xiàn)裂紋。此時距離研究的成功又近了一步！

在此基礎(chǔ)上，又向?qū)W生介紹了鑄造作為一門應用型的學科，可以借鑒其他學科的研究程果，提示學生除了進行試驗，查資料也是一個十分有效地研究手段：通過查資料，也可以得到與前面試驗結(jié)果相近的結(jié)論，并將這兩種方法進行對比，說明查閱文獻事半功倍的作用，是一個站在巨人肩膀上的方法。

將整個研究總結(jié)一下：在金屬形成晶體骨架后，繼續(xù)冷卻金屬骨架收縮，出現(xiàn)應力，由于此時的高溫強度非常低，塑性非常差，相當于一碰就碎，因此采用強度理論可以很好的解釋熱裂的產(chǎn)生。

到了這一步，可以進行研究生論文的寫作了！以幽默的口氣告訴學生，寫出來的論文肯定可以得到優(yōu)秀論文的榮譽！將整個論文整理一下，可以在高質(zhì)量的學術(shù)期刊上發(fā)表幾篇高質(zhì)量的學術(shù)論文。最后，通過一些實例說明如何妙筆生花，使論文上升層次。如前面提到：“鑄件熱裂是在固相線以上即凝固完全結(jié)束前產(chǎn)生的”，這句話在論文寫作中非常拗口，同時也不十分準確，怎么辦？可以引入一個新的名詞：“有效結(jié)晶溫度區(qū)間”，其定義為：“在溶液中形成晶體骨架的溫度區(qū)間，上限為線收縮開始的溫度，其下限為凝固結(jié)束的固相線溫度”。引入該名詞后，即可將試驗結(jié)果表述為：“熱裂是在有效結(jié)晶溫度區(qū)間”產(chǎn)生的，既清晰簡練，同時也提高了論文寫作的檔次。

為了進一步開闊學生的思路，在本章的教學中，又向?qū)W生提出了這樣一個問題：根據(jù)強度理論，由于金屬材料的高溫強度非常低，塑性非常差，在實際生產(chǎn)中，鑄件應該大量出現(xiàn)熱裂，但現(xiàn)實是鑄件只有在一些特殊的情況下才會出現(xiàn)熱裂，理論和實踐之間為什么會出現(xiàn)這一問題，說明強度理論本身存在一定的缺陷。在此基礎(chǔ)上引出了分析熱裂的另外兩種理論：“液膜理論”和“裂紋形成功”理論，這兩種理論較好的克服了前述強度理論的不足，讓學生理解學術(shù)研究的百家爭鳴和百花齊放的特點。

5 結(jié)合課堂教學，適當類比介紹相關(guān)社會現(xiàn)象，提高課堂教學的趣味性

在課堂教學中，適當類比介紹一些社會現(xiàn)象，可以有效地提高課堂教學的趣味性。如在講解晶體凝固這一部分基礎(chǔ)理論時，與諾貝爾獎的頒獎時間基本一致，在諾貝爾獎公布的時間介紹由于研究晶體而獲得諾貝爾獎的科學家，并提示學生諾貝爾獎距離我們并不遙遠，希望在他們之中也能出現(xiàn)中國的諾貝爾獎獲得者，提高學生學習的積極性。再者如講到柱狀晶的生長時，提出“物競天擇，適者生存”這一自然界的法則，在自然科學的研究中也是適用的，同時鼓勵學生好好學習，以免被社會所淘汰。另外在講解前面提到的形核過程中自由能的變化違反熱力學定律時，最后將該理論與鄧小平的“讓一部分人先富起來，然后共同致富”的理論進行對比，說明鄧小平理論在現(xiàn)實中的可行性以及社會科學和自然科學之間的聯(lián)系。在講課的過程中還插入了中國古代科技著作如《天工開物》，《演繁露》、《齊民要術(shù)》、《夢溪筆談》的內(nèi)容，將現(xiàn)代科學與古代文明結(jié)合起來。這些都調(diào)動了學生課堂學習的積極性。

6 結(jié)論

在課堂教學過程中，通過上述一些教學實踐活動，調(diào)動了學生學習鑄造課程的積極性，拓寬了學生的知識面，培養(yǎng)了學生分析解決問題的能力，達到了提高課堂教學效果的目的，得到了學生的歡迎和好評。

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