高能束流加工技術(shù)的課程改革與實踐

李曉鵬，范霽康，王克鴻，馮曰海，張德庫

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210094)

0 前言

南京理工大學(xué)為雙一流學(xué)科重點建設(shè)大學(xué)，長期服務(wù)于國防事業(yè)，從事軍事產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)和制造，是一所具有軍工特色背景的高校，其具有4 個國防重點建設(shè)專業(yè)和4 個國防特色緊缺專業(yè)。材料成型與控制工程專業(yè)作為4 個國防重點建設(shè)專業(yè)的重要組成之一，為國家國防事業(yè)做出了突出貢獻，培養(yǎng)了一大批獻身國防的高素質(zhì)人才。高能束流加工課程是面向材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課。該課程主要講述以電子束、激光、等離子為代表的高能束流加工的工藝與基礎(chǔ)知識。通過該課程的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生深入理解和控制材料的高能束流加工過程。該課程的開設(shè)對學(xué)生今后從事高能束流加工相關(guān)的設(shè)計開發(fā)和科學(xué)研究具有重要意義。高能束流加工技術(shù)，包括等離子加工、激光加工、電子束加工等技術(shù)，在航空［1-2］、航天［3］、艦船［4］、核能［5-6］領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其授課質(zhì)量與學(xué)生未來從事相關(guān)工作時解決問題的能力密切相關(guān)。

從近兩年的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，南京理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)的高能束流加工技術(shù)課程授課過程中，存在以下兩個問題:

(1)高能束流加工方法種類較多，具體分為3 類工藝、10 余種方法，而課程總學(xué)時僅為48 學(xué)時。如何響應(yīng)教育部提出的“厚基礎(chǔ)、寬口徑”政策［7］，在有限的課時內(nèi)使同學(xué)們掌握高能束流加工技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容，并能融合材料凝固理論、材料加工工藝等其它專業(yè)基礎(chǔ)課內(nèi)容是需要解決的關(guān)鍵問題。

(2)基礎(chǔ)知識與具體應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生僅在表觀上了解高能束流加工技術(shù)在國防領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但具體應(yīng)用案例不明確，不能充分理解高能束流加工技術(shù)的特點及其在國防領(lǐng)域應(yīng)用的原因，導(dǎo)致學(xué)生對專業(yè)、課程的自信度不足。

基于以上情況，利用學(xué)校在國防領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，開展了高能束流加工技術(shù)的課程改革，可為高等院校開設(shè)新課程或課程改革提供參考。

1 教學(xué)改革內(nèi)容

針對高能束流加工技術(shù)課程授課過程中存在問題，經(jīng)文中相關(guān)作者的研討，從以下3 個方面對教學(xué)課程進行了改革。

1.1 合理分配教學(xué)順序，理論與實踐結(jié)合

將原來的“講課-試驗”模式修改為“講課-試驗-講課”模式。以高能束流加工技術(shù)中的激光焊為例說明課改內(nèi)容。以往針對激光焊的教學(xué)為“講課-試驗”模式，從激光焊概述、激光焊原理、激光焊特點、激光焊應(yīng)用、激光焊試驗等方面展開，在統(tǒng)一完成激光焊基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)后開展相關(guān)試驗，通過試樣金相照片觀察了解焊縫成形情況及微觀組織信息。但由于基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)與試驗分析間隔時間較長(2 周)、學(xué)生知識框架結(jié)構(gòu)不完整，學(xué)生難以將試驗結(jié)果與課堂基礎(chǔ)知識有機結(jié)合。針對上述問題，開展“課程-試驗-課程”模式教學(xué)，根據(jù)艾賓浩斯遺忘曲線，在學(xué)習(xí)完成激光焊相關(guān)基礎(chǔ)知識(原理及特點)后，組織學(xué)生進行激光焊試驗，了解激光焊流程并分析焊縫成形及組織特征，隨后再次進行課堂講解，融合焊接冶金、金屬凝固理論等基礎(chǔ)知識，讓學(xué)生充分掌握激光焊原理、激光焊特點。

1.2 合理分配學(xué)時，以點帶面

雖然高能束流加工技術(shù)包括多種方法與工藝，但每種方法和工藝的特點具有相似性，如所采用的電子束、激光、等離子熱源均具有能量密度高、熱輸入小的特點。因此，為了響應(yīng)教育部提出的“厚基礎(chǔ)、寬口徑”政策，通過調(diào)整課時分配，重點針對一種工藝展開教學(xué)，在掌握該工藝的基礎(chǔ)上棄同即異，在剩余的課時內(nèi)通過比較其它工藝與此工藝的不同點，進而通過比較法教學(xué)加深學(xué)生的認識，起到“以點帶面”的效果。按照上述思路，將高能束流加工技術(shù)的各類工藝課時進行合理分配，如表1 所示。重點開展激光加工技術(shù)的講解(24 課時)，在此基礎(chǔ)上，通過比較法拓展到電子束加工技術(shù)(12 課時)及等離子束加工技術(shù)(12 課時)。

表1 高能束流加工技術(shù)的各類工藝課時分配情況 課時

1.3 穿插專題講座，提升專業(yè)自信

學(xué)生僅在表觀上了解高能束流加工技術(shù)在國防領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但對具體應(yīng)用案例并不明確，由此引發(fā)專業(yè)自信心不足。針對此問題，在授課過程中對每種工藝增加了2 課時的專題講座。專題講座有兩種形式:①結(jié)合自身科研經(jīng)歷，整理相關(guān)網(wǎng)絡(luò)公開背景，結(jié)合政治思想內(nèi)容，講解高能束流加工在國防領(lǐng)域相關(guān)部件的具體應(yīng)用;②讓學(xué)生以小組形式，自主查閱相關(guān)文獻、數(shù)據(jù)、制作PPT，在課堂上分享查閱成果。例如，針對電子束加工技術(shù)部分內(nèi)容，整理了題為“電子束在航空發(fā)動機中應(yīng)用”的PPT，介紹了采用電子束焊接航空發(fā)動機中的機匣薄壁結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子可顯著減小焊接變形量，使學(xué)生詳細地了解了機匣類薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程的難點和電子束焊接的優(yōu)勢，真正讓學(xué)生做到了知其然并知所以然，取到了較好的反響。

2 教學(xué)改革效果

通過對教學(xué)順序、教學(xué)模式的改革，增加了學(xué)生的參與感，改變了過往傳統(tǒng)教學(xué)的模式，使學(xué)生更加積極主動的投入課程學(xué)習(xí)中。同時，關(guān)于背景應(yīng)用的具體介紹，增加了學(xué)生對高能束流加工技術(shù)的認知及其就業(yè)方向感，真正讓學(xué)生體會到國家的強大與學(xué)生自身學(xué)習(xí)息息相關(guān)。圖1 為教學(xué)改革前后學(xué)生閉卷考試成績情況。由圖1 可以看出，改革前后多數(shù)學(xué)生成績均分布于80 ～89 分，說明多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果較好。改革后位于80 ～89 分成績區(qū)間的學(xué)生數(shù)量明顯增多，由12 名增加至15 名，而位于70 ～79 分區(qū)間的學(xué)生數(shù)量明顯減少，這說明教學(xué)課程改革后取得了明顯的效果。位于90 分以上區(qū)間的學(xué)生數(shù)量也明顯增加，說明課程改革可以讓成績處于中游水平的學(xué)生更加主動的投入到課程學(xué)習(xí)中。

圖1 教學(xué)改革前后學(xué)生閉卷考試成績情況

3 結(jié)束語

經(jīng)過兩年的努力，高能束流加工技術(shù)的教學(xué)模式已經(jīng)完成改革。通過合理分配教學(xué)順序、合理分配學(xué)時、穿插專題講座，加深了學(xué)生對課堂內(nèi)容的認知，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和參與度，增加了學(xué)生的專業(yè)自信，獲得了學(xué)生的一致認可。通過驗證，最終期末考試成績較改革前有明顯提升。