面向新工科建設(shè)的有色金屬加工課程混合式教學(xué)改革

秦芳誠，劉崇宇，李義兵，亓海全，黃宏鋒

（桂林理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

在“一帶一路”倡議、“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略規(guī)劃的大背景下，圍繞新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)等新經(jīng)濟(jì)（含傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級改造）對工程科技人才的知識和能力需求，急需加快開展工程教育改革創(chuàng)新，推進(jìn)“新工科”的研究、實(shí)踐、建設(shè)和發(fā)展。材料是人類賴以生存和從事一切活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展對材料的功用提出了更高要求，催生了對自然界有色金屬（鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂及鎂合金、鈦合金等）的大力開發(fā)與應(yīng)用，任何有色金屬材料的使用都要經(jīng)過加工成形，其成形加工技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的地位。有色金屬材料加工的任務(wù)是解決其幾何成形及內(nèi)部組織、性能控制的問題，以獲得所需形狀、尺寸和質(zhì)量的毛坯或零件，在加工方法的選擇上要綜合考慮有色金屬的種類、性能和零件的形狀尺寸、工作條件和使用要求、成本等因素，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)可行、質(zhì)量可靠和成本低廉的目的。因此，針對面向新工科建設(shè)的金屬材料工程方向本科生有色金屬加工課程的性質(zhì)、特點(diǎn)與重要地位，分析目前該課程教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題，提出能夠切實(shí)改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段的關(guān)鍵措施。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

有色金屬加工是金屬材料工程方向的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是使學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論與專業(yè)技能，培養(yǎng)專門技術(shù)人才和創(chuàng)新型人才，該課程集加工原理、加工工藝和設(shè)備于一體。目前除了單一課堂講授為主的靜態(tài)教學(xué)外，還有線上與線下的混合，即“E（e-Learning）+C（Classroom）”的混合模式，沒有體現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的混合、“學(xué)”與“習(xí)”的混合，混合的策略過于簡單，達(dá)不到預(yù)期的效果，學(xué)生創(chuàng)新思維和能力得不到訓(xùn)練、提高。而教學(xué)理念和教學(xué)模式的新穎程度是高等工科院校在專業(yè)課教學(xué)過程中需要加以重視的核心問題，亟待探索解決傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法的新舉措，如在工廠實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生只能看到簡單工藝流程，知識應(yīng)用與實(shí)踐純粹變成了走馬觀花式的觀摩過程，無法體會當(dāng)中涉及的科學(xué)問題，制約了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的提高[1]。目前的教學(xué)方法與實(shí)習(xí)模式已不適應(yīng)新形勢下的要求，改革與創(chuàng)新勢在必行。

2 教學(xué)改革的關(guān)鍵措施

2.1 課程內(nèi)容改革的重點(diǎn)

有色金屬加工涵蓋了冶金、鑄造、塑性變形、熱處理等材料科學(xué)知識，對于具有服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展特色的工科院校而言，應(yīng)該結(jié)合有色金屬資源冶煉、加工和產(chǎn)業(yè)化的區(qū)域優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對有色金屬材料加工的全流程控制（圖1）。根據(jù)金屬材料工程專業(yè)方向新工科建設(shè)目標(biāo)，課程改革要側(cè)重于有色金屬加工理論、方法和技術(shù)方面，突出鋁合金及鋁基復(fù)合材料的冶煉、鑄造和深加工內(nèi)容。有色金屬加工課程教學(xué)內(nèi)容上融合有色金屬加工專業(yè)課、計算機(jī)編程設(shè)計和數(shù)值仿真技術(shù)，通過學(xué)習(xí)程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)值模擬應(yīng)用課程來培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)有有色金屬加工課程專業(yè)課知識、計算機(jī)技術(shù)和軟件的運(yùn)用和操作能力，根據(jù)有色金屬構(gòu)件的形狀不同主要包括軋制加工、擠壓加工、拉拔加工和鍛造與沖壓加工等方法，如圖2所示，要體現(xiàn)信息化對傳統(tǒng)優(yōu)勢工科專業(yè)的促進(jìn)與引領(lǐng)，緊密圍繞在區(qū)內(nèi)具有行業(yè)特色的南南鋁等大型企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用周圍，應(yīng)切實(shí)結(jié)合廠實(shí)際應(yīng)用的工藝技術(shù)，講授一些新知識，解決一些新問題，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建面向新工科建設(shè)的有色金屬加工課程混合式教學(xué)與學(xué)習(xí)模式，達(dá)到促進(jìn)行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的目的。

2.2 改革教學(xué)方法

圍繞著有色金屬加工課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，改革現(xiàn)有教學(xué)大綱、課件及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入程序設(shè)計、數(shù)值仿真領(lǐng)域多學(xué)科交叉的創(chuàng)新方法，融合金屬材料加工方向?qū)I(yè)知識運(yùn)用，結(jié)合廣西南南鋁業(yè)集團(tuán)的板材軋制加工、型材擠壓加工、中國鋁業(yè)公司（平果）的鋁土礦棒磨機(jī)襯板（圖3）加工等，改善傳統(tǒng)單一教學(xué)模式的不足。在有色金屬加工課程理論教學(xué)重點(diǎn)講深講透基礎(chǔ)上，融合廣西有色金屬生產(chǎn)一線案例進(jìn)行虛擬仿真模擬，對有色金屬加工實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行綜合設(shè)計，使學(xué)生能舉一反三；由于有色金屬加工是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，講解重點(diǎn)時注意應(yīng)該對得出這一重要結(jié)論的實(shí)驗(yàn)方法，給以必要、詳細(xì)講解，從而達(dá)到學(xué)生理解并牢記教學(xué)重點(diǎn)。在“教、學(xué)、考、用”方面融入全新教學(xué)模式，采取創(chuàng)新性的教學(xué)模式和質(zhì)量控制措施，使教學(xué)效果顯著、特色鮮明[2]。

3 教學(xué)模式實(shí)踐

在教學(xué)模式實(shí)踐中，需融入計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、先進(jìn)控制技術(shù)和先進(jìn)集成設(shè)備開發(fā)及自動化。針對有色金屬構(gòu)件加工中的變形區(qū)應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場進(jìn)行模擬，可以預(yù)測金屬充填模膛情況、鍛造流線分布和缺陷產(chǎn)生，分析加工過程的熱效應(yīng)及其對組織結(jié)構(gòu)和晶粒度的影響，掌握變形區(qū)的應(yīng)力分布，以便于分析缺陷產(chǎn)生的原因和設(shè)計模具結(jié)構(gòu)；柔性加工系統(tǒng)應(yīng)用于有色金屬加工過程的控制與檢測，實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)，如柔性加工系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國家的輕量化汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線上的應(yīng)用[3]。

圖2 有色金屬構(gòu)件形狀及其主要加工方法

圖3 鋁土礦棒磨機(jī)襯板

高精度、高效和低耗的精密加工技術(shù)（如冷鍛技術(shù)、溫鍛技術(shù)、精沖）逐漸成為中小型有色金屬精密構(gòu)件生產(chǎn)的發(fā)展方向；粉末鍛造（粉末冶金+鍛造）、液態(tài)模鍛（鑄造+模鍛）等復(fù)合工藝可以簡化模具結(jié)構(gòu)，提高成形性能，熱鍛-溫整形、溫鍛-冷整形、熱鍛-冷整形的組合工藝可以大批量生產(chǎn)高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的有色金屬構(gòu)件。逐漸將傳統(tǒng)有色金屬加工設(shè)備由綜合了計算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的高效、高精度和多工位的加工設(shè)備取代，提高加工過程可靠性和監(jiān)控能力，尤其在大批量生產(chǎn)中，采用計算機(jī)控制技術(shù)、轉(zhuǎn)送機(jī)器人、機(jī)械手等將有色金屬下料、加熱、制坯、模鍛、切邊和熱處理、檢驗(yàn)等工序?qū)崿F(xiàn)自動化，實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高鐵車廂型材超大噸位油壓雙動鋁擠壓生產(chǎn)線開發(fā)。

因此，結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)、Abaqus有限元仿真平臺、UG建模軟件、Origin數(shù)據(jù)綜合處理等常用金屬材料加工過程軟件技術(shù)，了解計算機(jī)信息技術(shù)在金屬材料加工中的地位與應(yīng)用，對有色金屬加工課程領(lǐng)域典型金屬材料構(gòu)件（如鋁合金板材、棒材、型材、線材等）加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)先分析與模擬，據(jù)此指導(dǎo)和開展《有色金屬加工》課程拓展性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計，學(xué)生可以很好的掌握有色金屬加工課程相關(guān)專業(yè)知識的運(yùn)用，自主完成有色金屬材料加工過程工藝參數(shù)計算與數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計，掌握數(shù)據(jù)庫開發(fā)與設(shè)計能力，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S推理能力和實(shí)踐技能，增長團(tuán)隊(duì)合作意識與協(xié)作能力[4]。

4 總結(jié)

面向新工科建設(shè)的有色金屬加工課程混合式教學(xué)改革包括了構(gòu)建有色金屬加工混合式教學(xué)課程體系、有色金屬加工混合式實(shí)驗(yàn)課程體系，通過這些創(chuàng)新教學(xué)與學(xué)習(xí)體系的改革與實(shí)踐，可以改善傳統(tǒng)單一教學(xué)體系的不足，有效培養(yǎng)金屬材料加工專業(yè)學(xué)生計算機(jī)實(shí)用技能、程序設(shè)計、數(shù)值仿真與理論專業(yè)知識運(yùn)用能力，使學(xué)生能夠明確學(xué)習(xí)方向、掌握學(xué)習(xí)方法、激發(fā)創(chuàng)新能力、積極展現(xiàn)自我，從而推動新工科建設(shè)的發(fā)展和進(jìn)步。