“熱處理工藝學”理論教學與實踐教學融合的探索

崔春娟 劉曉燕 趙旭 楊西榮

摘 要 根據(jù)新經(jīng)濟形勢和新工科對人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合多年的教學經(jīng)驗，通過改革教學方式、教學內(nèi)容以及實踐教學環(huán)節(jié)，多層次、多規(guī)格、多視角地體現(xiàn)“熱處理工藝學”課程內(nèi)涵，實現(xiàn)“熱處理工藝學”理論教學與實踐教學的較好融合，該項目的研究有助于學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學生具備智能制造和虛擬生產(chǎn)的能力。

關(guān)鍵詞 熱處理工藝學 理論教學 實踐 數(shù)值模擬 融合

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.03.056

Exploration on the Integration of Theoretical Teaching and Practical Teaching of Heat Treatment Technology

CUI Chunjuan， LIU Xiaoyan， ZHAO Xu， YANG Xirong

（School of Metallurgical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi 710055）

Abstract According to the requirements of the new economic situation and new engineering for talent training， combined with many years of teaching experience， through the reform of teaching methods， teaching contents and practical teaching links， the connotation of heat treatment technology course can be reflected in multi-level， multi specification and multi perspective， and the better integration of theoretical teaching and practical teaching of heat treatment technology can be realized. The research of this project is helpful to students' innovation， the cultivation of new consciousness and innovation ability enables students to have the ability of intelligent manufacturing and virtual production.

Keywords heat treatment technology; theoretical teaching; practice; numerical simulation; integration

一流專業(yè)建設是建設高水平本科教育、提高人才培養(yǎng)水平的有效途徑之一。而升級改造傳統(tǒng)專業(yè)，是進一步提升專業(yè)培養(yǎng)水平、服務地方經(jīng)濟的有效措施。 [1]而課程建設是一流專業(yè)建設的核心，課程建設的靈魂與實質(zhì)是課程教學體系的改革。教學模式是保證教學效果的重要手段，是提高大學生綜合素質(zhì)的最重要途徑。[2]培養(yǎng)學生具備扎實理論基礎的同時，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是雙一流專業(yè)課程教學工作需要長期探索與實踐的主要工作之一。 [3]

“熱處理工藝學”是金屬材料工程專業(yè)本科生的必修課程之一。其前面有大學物理、高等數(shù)學、金屬學等先導課程作為基礎，后面又有熱處理工藝數(shù)值模擬作為支撐，起著承前啟后的作用。通過學習，學生能夠掌握熱處理工藝的基本原理，熟悉熱處理工藝對金屬材料的組織和性能的影響，能夠正確選擇與使用金屬材料，并為材料的改性、研發(fā)新材料及開發(fā)新工藝奠定良好的基礎。

然而，在該課程的教學過程中，教學模式仍然停留在單一的課堂講授的教學模式，長期以來進行“填鴨式”教育、且缺少新的教學模式，學生獨立思考的空間較少。另外，教學理論與教學實踐相互脫節(jié)，也大大影響了教學效果與教學質(zhì)量。通常，理論源于實踐，也需要實踐檢驗其正確性，教學也概莫能外。[4]因此，教學理論與教學實踐是一個相互作用的過程，在這一過程中，彼此需要反復融合。教育部自2017年2月以來積極推進新工科建設，并發(fā)布了相關(guān)文件，[5]因此，在“熱處理工藝學”課程教學中進一步加強金屬材料的智能制造以及虛擬生產(chǎn)能力的培養(yǎng)也迫在眉睫。另外，利用各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、提升創(chuàng)新能力也是“熱處理工藝學”課程教學模式改革的重點之一。

1 改革“熱處理工藝學”課程設計的教學手段，實現(xiàn)理論教學與實踐教學的深度融合

首先，對“熱處理工藝學”課程設計的教學環(huán)節(jié)進行教學實踐改革。要求學生利用所學的理論知識，在規(guī)定時間內(nèi)，按照任務書的要求完成某一鋼種的指定零件在某一服役條件下熱處理工藝設計并進行實驗驗證。包括熱處理設備的選擇，制定加熱溫度、加熱方式、加熱介質(zhì)、保溫時間、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等工藝參數(shù)，然后進行熱處理實驗，并采用金相顯微鏡觀察熱處理后的金相組織、采用洛氏硬度儀測量熱處理后的試樣硬度值。通過分析工藝參數(shù)、金相組織、洛氏硬度值可以獲取熱處理工藝參數(shù)-組織-性能之間的關(guān)系。為此，我們選擇常見的鋼種：20#/45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、馬氏體時效鋼、GCr15軸承鋼、65Mn彈簧鋼、40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼、T8/T10碳素工具鋼、9SiCr合金工具鋼、W18Cr4V高速鋼、H13模具鋼、球墨鑄鐵等，并指定具體的零件。學生通過制定相應的熱處理制度，并進行實驗，觀察熱處理后的組織形貌，測試硬度來驗證是否滿足零件的使用要求。這項教學實踐改革，既可以鍛煉學生的動手能力、團隊合作能力;也能培養(yǎng)學生運用所學的理論知識解決復雜工程問題的能力，并進一步鞏固和發(fā)展理論知識;也能使學生熟悉熱處理工藝設計的步驟、熱處理設備的選擇、夾具設計等;也能對學生進行熱處理基本技能的訓練，如計算、工藝圖繪制和設計資料、手冊、標準和規(guī)范的使用等。真正實現(xiàn)了理論教學與實際教學的深度融合，并兼具趣味性、生動性與多元性。

2 以新工科為背景，加強對學生智能制造和虛擬生產(chǎn)能力的培養(yǎng)

智能熱處理是智能制造的組成部分之一，熱處理計算機模擬是智能熱處理的核心技術(shù)。傳統(tǒng)的熱處理工藝大多采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗的方法，不僅耗費大量的人力、物力、財力，而且很難精確地控制材料的質(zhì)量。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，熱處理數(shù)值模擬成為一個備受材料研究者關(guān)注的研究領(lǐng)域。[6]計算機數(shù)值模擬技術(shù)以傳熱學、奧氏體化相變動力學等為理論依據(jù)，運用有限元方法可獲得熱處理過程任一瞬時工件內(nèi)部溫度場分布和組織分布。因此，根據(jù)工件的形狀、材料種類、加熱介質(zhì)等因素，就可以實現(xiàn)加熱過程的精確數(shù)值模擬。[7]計算機模擬可以使學生掌握與熱處理有關(guān)的各種現(xiàn)象的規(guī)律，是實現(xiàn)熱處理智能化的必要工具，其發(fā)展?jié)摿薮?。[8]

因此，以新工科為背景，以金屬材料熱處理數(shù)值模擬的課程設計為支撐，可以培養(yǎng)學生金屬材料智能化生產(chǎn)和智能制造的理念。首先，在計算機輔助設計和輔助制造的基礎上，使學生掌握熱處理數(shù)值模擬的基本原理，也就是多場耦合原理。然后進行熱處理過程中溫度場、濃度場、組織轉(zhuǎn)變、力學性能、應力/應變場、奧氏體晶粒度等的數(shù)值模擬技術(shù)，以及多場耦合分析技術(shù)等。并在此基礎之上，依托金屬材料虛擬生產(chǎn)平臺使學生具備一定的虛擬生產(chǎn)能力。虛擬生產(chǎn)仿真技術(shù)是新項目的生產(chǎn)線提前進行工藝規(guī)劃的重要手段。一方面避免了過度投資所造成的資源浪費，另一方面可大大降低改造后達不到產(chǎn)能預期的風險。

3 充分利用各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，提高學生的創(chuàng)新能力

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃是“高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程”的重要組成部分，旨在使各個高校轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育思想理念，改變傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，從而培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平高素質(zhì)人才。充分利用全國熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、陜西省和我校的本科生科技訓練，以課題小組的方式進行自主選題，鼓勵學有余的學生進行熱處理工藝設計及熱處理數(shù)值模擬等訓練，在實踐中使學生的實踐能力和創(chuàng)新能力得到很大的提升，并激發(fā)其學習興趣、提高學習積極性。另外，從我院教師所主持的科研項目中遴選出與金屬材料熱處理相關(guān)的研究題目，并使這些教師擔任指導教師，使學生關(guān)于熱處理的知識不僅僅局限于鋼和常見的鋁合金等，可以拓展到其他的有色金屬體系，從而可以開闊視野、強化創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和增強團隊合作意識。

4 結(jié)束語

培養(yǎng)適應現(xiàn)代工業(yè)信息化和智能化制造的高水平創(chuàng)新人才，是創(chuàng)新型國家建設的人力資源保證。通過改革“熱處理工藝學”課程的教學方式、教學內(nèi)容以及實踐教學環(huán)節(jié)等，有助于強化創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新精神、提升實踐能力，為培養(yǎng)具有寬厚的基礎理論知識、扎實的專業(yè)知識和基本專業(yè)技能，有良好的國際化視野、團隊合作精神，具備智能制造和虛擬生產(chǎn)能力，能夠適應工業(yè)信息化和智能化的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才做出突出的貢獻。

基金項目：2018年度西安建筑科技大學一流專業(yè)子項目，“《熱處理工藝學》理論教學與實踐教學融合的探索”（YLZY0803S01）

參考文獻

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