以探索為導向的《焊接物理》課程的教學方法創(chuàng)新及實踐

黃健康 黃勇 樊丁

摘要：《焊接物理》課程是蘭州理工大學本科焊接技術與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課。為了培養(yǎng)更多滿足工程需要的創(chuàng)新性人才，《焊接物理》課程的教學方法也應當與時俱進。以提高學生學習積極性為前提，通過焊接物理教材改革、能力培養(yǎng)、項目式教學和數(shù)值模擬相結合的教學方案，以探索為導向的《焊接物理》新的教學模式與教學理念，來培養(yǎng)焊接專業(yè)的高素質本科畢業(yè)生。

關鍵詞：焊接物理;學習動機;探索;導向

中圖分類號：G642;TG47? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.20

0? ? 前言

《焊接物理》課程是蘭州理工大學焊接技術與工程專業(yè)學生必修的一門基礎專業(yè)課，被認為是焊接技術發(fā)展的理論基石[1]。該課程的主要目標是讓學生了解焊接過程中相關的物理現(xiàn)象，闡述焊接過程所涉及的基本物理知識與現(xiàn)象。該課程的主要特點是覆蓋面廣、內容豐富、實踐性強、理論知識抽象等;在學習本課程之前，學生需要對大學物理、高等數(shù)學等基礎公共課程有一定的掌握。學好該課程對日后焊接研究或后續(xù)焊接相關的課程和實踐都有極大的幫助。

作者在從事焊接技術與工程專業(yè)相關課程十幾年的教學生涯中發(fā)現(xiàn)，學生對《焊接物理》的實踐課程具有濃厚的興趣，但是在基礎知識的授課中，由于涉及大量的物理學知識和數(shù)學公式推導，學生對課程的興趣會隨著枯燥無味的公式大大削減，從而導致學生的理論知識薄弱，在開展后續(xù)相關的實踐課程時很難進行下去。例如：在焊接專業(yè)的畢業(yè)答辯過程中，大多數(shù)學生的試驗結果很好，具有很好的研究價值，試驗流程清晰，但是許多結果分析都很淺薄，對相關問題也缺乏深入探討。另外，據以往的焊接畢業(yè)生反映，《焊接物理》這門課程知識點多而雜，涉及學科范圍較廣，他們只知道一些簡單的基本含義，很少有學生能理解物理現(xiàn)象產生的根本原因[2]。

為培養(yǎng)高水平、具備較強理論知識的本科畢業(yè)生以及具備科研和創(chuàng)新能力的研究生，就要求學生具備嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度和充實的專業(yè)理論知識。從以往本專業(yè)畢業(yè)生的調查中發(fā)現(xiàn)，進入社會工作的學生缺乏扎實的理論知識和嫻熟的實踐能力。畢業(yè)后選擇繼續(xù)深造的學生，雖然擁有較好的專業(yè)基礎知識，但是結合本科基礎專業(yè)知識分析深度的科研成果還存在一定的難度。因此，本科期間專業(yè)基礎課程的教學方式、學生接受知識的能力以及工程應用培養(yǎng)的方式顯得尤為重要。以往的教學現(xiàn)象表明，焊接專業(yè)學生對于該課程的作用和價值不甚了解，對該課程的興趣不高，導致理論基礎學習薄弱，這無論是在日后的學習中還是將來的工作中都會對學生的發(fā)展形成一定的阻力[3]。因此，作者結合自己多年來的教學經驗以及借鑒其他高?！逗附游锢怼氛n程授課內容和教學方法，就本校學生該課程的建議和學生的學習情況，針對性地提出了一些改革措施，對本課程課堂教學方法和實踐課程以及授課教材作了新的探討。

1 焊接物理的改革思路

1.1 焊接物理的重要性

焊接技術作為材料加工工藝的一種重要方法，在推動國家現(xiàn)代化建設和科學技術發(fā)展方面有著重要作用。據統(tǒng)計，美國50%以上的國民生產總值與焊接具有直接或者間接的關系。焊接是材料加工方法中最經濟、最有效的材料永久性連接方法。

焊接技術已成為很多高校獨立的一門學科。焊接盡管看起來簡單，但所涉及的科學理論知識和可調節(jié)參數(shù)與其他加工工藝相比更復雜、更繁多，焊接過程中涉及大量復雜的物理現(xiàn)象，只有掌握了相關知識才能根據具體的應用情況選擇合適的焊接方法和工藝。

1.2 學習動機理論的教學方法

學習動機理論的教學模式旨在激勵學生的學習動力，是推動學生自主學習的內在因素。學生的學習動機是由多種因素引起的，如學業(yè)的需要、學生本身的興趣愛好等，教師在制定教學方案時應當及時了解學生的學習動機，具有針對性的提出方案。在教學中，教師要及時調查學生的學習進度，對于一些情緒低落的學生及時了解情況并制定一系列鼓勵措施，以便教師獲得更好的教學效果。提升學生學習動機的目的在于讓學生愿意花更多的時間在學習上。因此，提出以下鼓勵措施以提高學生學習的主動性。

焊接作為材料連接的基本方法，無論在國家建設還是日常生活中都隨處可見。比如：航空母艦對于國家的軍事事業(yè)具有重大推動作用，航空母艦的建造大都依賴于焊接技術;日常生活中，許多電子器件的制造（如電子手表和手機芯片等）都會用到焊接技術[4]。《焊接物理》課程中涉及焊接技術最基本的理論知識，了解其應用需對其涉及基本的理論知識熟知。因此，《焊接物理》的重要性對焊接專業(yè)不言而喻，必須強調《焊接物理》的重要性。

教師在授課時應當根據學生的興趣目的去挖掘新的教學方式，及時與學生探討他們選擇本專業(yè)的目的以及自己對于未來的規(guī)劃。教師有必要在教學過程中了解學生對《焊接物理》課程感興趣的地方，根據學生的興趣所在不斷擴大教學范圍，通過開展相關的教學活動，將教材內容轉化為學生可以接受的素材。在教學中要及時和學生溝通，了解學生們對課堂的理解程度，根據學生在課堂中出現(xiàn)的困難，老師在課后進一步幫助學生理解，在學完本課程后使學生明白在本課程中需要完成的基本目標;同時，教師在教學過程中也需對本課程表現(xiàn)出巨大的教學熱情和學習動力，在學生中起到積極的帶頭作用。

教師在規(guī)劃本課程時，對于可以增加學生理解和學習能力的意見，教師可以納入教學規(guī)劃中。其中最重要的是學生最感興趣和有意義的主題等，增加學生們的參與感，提升學生的理解能力。焊接技術的應用在生活中隨處可見，同時也與學生的興趣聯(lián)系緊密，教師可以結合學生們的興趣愛好講解課程，從焊接技術的廣泛應用到焊接過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，對學生心中存在的疑惑進行解答。例如：許多學生都喜歡追求電子產品，如電子手表和手機等，但是精密度較高的電子手表和手機芯片的制造會用到焊接技術。提高學生學習的自主性，適當?shù)慕o學生安排課后任務，根據他們的興趣所在尋找相關的焊接物理知識，通過在課堂中討論、互相交流的過程中理解焊接物理的相關知識，豐富學生的學習內容。

1.3 能力培養(yǎng)的教學方法

現(xiàn)階段本科生的教學中，許多課程采用的教學方法還是傳統(tǒng)的灌輸式教學，學生對于學習的自主性很難提升[5]。傳統(tǒng)單一的教學模式只能幫助學生完成簡單的學業(yè)考試，但對于工程應用和科研很難有突破。而國內一些高校的學業(yè)考試有很大的迷惑性，學生會簡單的根據自己的成績高低來評估自己的學習結果，認為只要在考前稍加背誦就可以通過考試。但是在后續(xù)的學習中出現(xiàn)之前的知識時，他們仍然處于懵懂的狀態(tài)。因此，在本課程的授課過程中，應當增加多元化的教學模式，充分體現(xiàn)出學生們各自的優(yōu)點，注重個性發(fā)展，提高學生學習的主動性，采用能力培養(yǎng)模式下的啟發(fā)式教學方法，鼓勵學生積極參與到課程講授過程和學習討論中，而不是以往傳統(tǒng)教學的簡單繼續(xù)。

2 《焊接物理》課程的具體改革措施

2.1 教材建設及教學方法

當前，全國所開設的焊接物理課程都是在講義的基礎上進行講授，主要參考的文獻為J.F.Lancaster出版的《The physics of welding》、安藤弘平所著的《焊接電弧現(xiàn)象》、楊春利教授的《焊接電弧基礎》等，這些書籍要么為外國原版;要么難度系數(shù)較大，或者不能反映焊接物理課程的整體，所以急需該課程的配套教材。蘭州理工大學《焊接物理》課程一直以來沒有具體對應的教材，授課教師也在各個方面來彌補這一缺陷。因此，作者根據自己對于《焊接物理》課程十幾年的教學經驗以及結合自己多年的科研成果編著了《焊接物理基礎》教材。該教材從簡單的基礎知識出發(fā)，從理論結合實踐，再到具體的科研成果，以更全面、更具體的方式介紹了焊接過程中的物理現(xiàn)象。該教材主要包含焊接電弧、熔滴過渡和焊接熔池三大模塊。通過對教材內容的改革，使學生更全面地認識焊接過程，以各種物理現(xiàn)象為研究對象，學習物理力學、傳熱傳質等方面相關的物理規(guī)律，從而提升學生對本課程的學習熱情。

2.2 探索新的教學實施方法

《焊接物理》課程中涵蓋了很多的抽象概念和復雜公式，這對于沒有相關基礎、首次學習該課程的學生會覺得枯燥無味，而且繁瑣的概念會降低學生的學習熱情[6]。因此，教師要善于運用學生的好奇心，協(xié)助學生探索學習，使學生體會學習的樂趣，增強學生的學習動力。通過鼓勵學生積極探索日常生活中焊接物理相關的知識，在課堂中善于與學生討論探索。運用此方案既可以增加學生的興趣愛好，又可以幫助學生理解專業(yè)知識。同時，課堂上教師與學生之間的互動程度可以提高課堂效率。學生與老師之間可通過以下方式提高互動質量：老師與學生之間保持溝通順暢;教師鼓勵學生課堂提問，并做出適當?shù)幕貞?教師在授課過程中要擅長使用幽默、通俗易懂的授課方法，還可通過列舉適當?shù)陌咐W生理解;教師還應當充分尊重學生的自主權。課堂上提高互動質量是為了讓上課氛圍更加濃厚，增進學生與老師之間的交流，激發(fā)學生更大的學習熱情。

2.3 項目式教學

《焊接物理》課程僅憑課堂授課很難得到提升，焊接專業(yè)本是工程應用型專業(yè)，要理解地學習該門課程，就得多結合實踐。通過與以往焊接專業(yè)的畢業(yè)生交談中獲得：焊接過程中出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象，他們單純依靠老師的講解是很難理解的，當經過簡單的實踐課程后，就會提升他們對復雜現(xiàn)象的理解。因此，為提升本課程的學習效果提出了以驗證和探索相結合的項目式教學概念。項目式教學法是通過引導學生提出問題，并鼓勵學生去試驗探索與驗證，完成該課程的研究進行實踐教學活動的一種培訓方式。在此教學模式的開展下，教師通過鼓勵學生自主查找文獻，以工程應用和科研創(chuàng)新為出發(fā)點，提出自己的項目名稱和思路，教師核準后，學生開始撰寫該項目的研究方法、研究目的、研究目標;并確保所確立的研究題目盡可能覆蓋《焊接物理》課程的核心知識點;樹立科學的研究方法，讓學生明確定量研究在科學研究中的意義，建立所研究的各物理量的相關性。在基本操作過程中，教師根據班級人數(shù)將學生劃分為多個小組，每組在項目題目核定后安排1名研究生跟蹤指導，以確保實驗安全，并指導學生撰寫研究報告。對于項目式教學的成功檢驗，在結題時，學生以組為單位進行項目研究的匯報，同時邀請相關領導及參與項目的老師參加評審，教師對匯報結果給出評分并對本課程項目教學開展研討，對于特別出色的研究，協(xié)助進行論文撰寫并投稿。項目式教學可讓本科生盡早的接觸到科研，通過自己查找文獻、擬定題目、確定試驗方案、著手做實驗、寫小論文的模式，做到真正的活學活用[7]。在這樣的教學模式下，既提高了學生對本課程的學習熱情，同時還激發(fā)了學生對科研的熱愛，促進學生后續(xù)的發(fā)展。

2.4 數(shù)值模擬在教學中的應用

隨著科學技術的發(fā)展，科學研究構成了以試驗、理論、數(shù)值模擬為三大手段的研究思路[8]。同樣，焊接技術的發(fā)展也依賴于計算機技術的發(fā)展與進步。在《焊接物理》課程中，許多機制和現(xiàn)象不易在試驗中觀測與探索。同時，一些試驗過程也無法觀測，但為了反映或者研究該焊接物理過程，這時候就需要借助計算機來模擬，通過數(shù)值模擬的方法從而獲得相應的試驗結果。因此，在教學過程中將數(shù)值模擬運用到焊接物理教學中[9]。在所建立虛擬實驗室中，教師對相應的模擬軟件進行講解，并通過給學生安排相應的案例，讓學生熟悉相應的模擬軟件及操作[10]。以此幫助學生理解焊接過程中復雜的物理現(xiàn)象。例如：焊接過程中，學生們僅憑教材中的熱循環(huán)曲線很難理解焊接熱過程，數(shù)值模擬可以對相應的焊接過程進行模擬，將焊接過程以動畫的形式展示。學生們能夠更直觀地明白伴隨著熱源的移動，焊件上各區(qū)域的溫度是如何變化的。如圖1為鈦合金和鋁搭接焊，其焊縫處溫度場的分布，圖2是A、B、C三點處溫度隨時間的變化曲線。

數(shù)值模擬是焊接物理課程學習的一個拓新點，以計算機技術為紐帶，結合《焊接物理》課程中的基礎知識來探索求證焊接過程中的物理現(xiàn)象，并同時引導學生的學習興趣、激發(fā)他們的求知欲。因此，通過對學生多方面的教學模式的切入，以《焊接物理》課程為紐帶，對學生各方面綜合專項提升，并服務于焊接技術與工程專業(yè)的其他課程，最終讓學生形成自我學習的能力改變學習的習慣。

3 結論

《焊接物理》作為焊接專業(yè)的基本專業(yè)課程之一，在整個焊接領域的學習與研究中起著重要的作用。通過對教學方式和教材內容的改革，以激發(fā)學生的學習動機、項目式教學以及理論知識與數(shù)值模擬相結合的教學模式，做到在實踐中學知識，在計算機模擬中充分利用知識，做到真正的活學活用，加深學生對本課程的認識。

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