工程認(rèn)證背景下焊接實(shí)訓(xùn)可視化的教學(xué)改革探索

戴鴻濱 姜巍 郭立偉 劉立君 趙密

摘? 要：將焊接專用攝像機(jī)和手工焊接可追溯評(píng)價(jià)系統(tǒng)相結(jié)合，應(yīng)用到材料成型專業(yè)焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)中。以TIG電弧焊實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，在專用可視化焊接平臺(tái)上進(jìn)行TIG焊接方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討了基于可視化可追溯的TIG焊實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革。利用焊接可視化平臺(tái)的實(shí)時(shí)性和再現(xiàn)性，學(xué)生通過教學(xué)過程中的教師評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)、同學(xué)互評(píng)過程，提高學(xué)生對(duì)抽象電弧焊接過程的理解和掌握，加深對(duì)焊接過程的理解，提高學(xué)生對(duì)焊接實(shí)驗(yàn)的興趣和實(shí)際動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：焊接實(shí)訓(xùn);可視化教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）03-0141-04

Abstract： This paper combines the special welding camera and the manual welding traceable evaluation system， and applies it to the welding training teaching of the material forming major. Taking TIG arc welding experimental teaching as an example， the TIG welding method experimental teaching was carried out on a special visual welding platform， and the teaching reform of TIG Welding Training courses based on visualization and traceability was discussed. By using the real-time and reproducibility of welding visualization platform， students can improve their understanding and mastery of abstract arc welding process， deepen their understanding of welding process， and improve their interest in welding experiments and the cultivation of practical ability through the process of teacher evaluation， self-evaluation and peer evaluation in the teaching process.

Keywords： welding training; visual teaching; teaching reform

焊接實(shí)訓(xùn)是材料成型及控制工程專業(yè)的重要課程。焊接技術(shù)在制造業(yè)中（汽車、造船、航空航天、核電廠和結(jié)構(gòu)鋼行業(yè)）占有重要地位。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已躋身世界最大加工制造業(yè)大國(guó)，制造業(yè)市場(chǎng)對(duì)高技能人才的需求越來越大，對(duì)焊接技術(shù)人才培養(yǎng)要求也越來越高[1-4]。

在工程認(rèn)證這種背景下，焊接技術(shù)人員的培養(yǎng)應(yīng)走向?qū)I(yè)基礎(chǔ)教育與工程培訓(xùn)相結(jié)合的道路，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)體系，提高學(xué)生工程實(shí)踐應(yīng)用能力。焊接是一門綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，目前我國(guó)高校由于實(shí)際教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，通過增加過多實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，只有通過優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系，合理設(shè)置評(píng)價(jià)體系，改善實(shí)踐教學(xué)手段和教學(xué)方法，使學(xué)生能在有限的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間內(nèi)更好地掌握焊接專業(yè)知識(shí)和動(dòng)手能力，才是提高焊接教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)全面的焊接人才最便捷的方法[5-7]。

焊接過程本身是一種用正常攝像方法難于觀察記錄的超強(qiáng)明弧物理過程，在理論教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，很難和實(shí)際的焊接過程進(jìn)行融會(huì)貫通。由于焊接質(zhì)量的好壞是由實(shí)際焊接過程中焊槍的姿態(tài)、運(yùn)槍的形式、電弧的長(zhǎng)短、電弧的形態(tài)、熔池的形貌、焊絲的送進(jìn)過程等一系列因素所決定的，而這一過程又是實(shí)時(shí)變化的，整個(gè)焊接過程是難于再現(xiàn)的，學(xué)生只能根據(jù)自己當(dāng)時(shí)的操作記憶去和教師的講解進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于沒有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，這一過程還是一種相對(duì)抽象的講解，對(duì)于學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間內(nèi)全部掌握和理解是非常困難的，在很多教學(xué)培訓(xùn)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方法來補(bǔ)充焊接實(shí)際操作[8-11]。

為解決焊接實(shí)訓(xùn)中的這些教學(xué)問題，作者在焊接實(shí)訓(xùn)過程中將焊接專用攝像機(jī)和手工焊接可追溯評(píng)價(jià)系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐掌握情況進(jìn)行定量地評(píng)定和分析。利用現(xiàn)代數(shù)字化手段，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。使學(xué)生掌握理論知識(shí)和實(shí)際操作的效率和質(zhì)量大大提高，能夠更快地學(xué)習(xí)和掌握焊接操作技巧和要領(lǐng)，并進(jìn)行融會(huì)貫通。

一、焊接可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

焊接可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由基本焊接操作平臺(tái)、焊接熔池監(jiān)視相機(jī)、計(jì)算機(jī)大屏幕顯示、可追溯自動(dòng)記錄評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)四部分組成。焊接教學(xué)過程中熔池監(jiān)控相機(jī)可以觀察學(xué)生、教師的操作過程，隨著操作者焊槍的移動(dòng)，相機(jī)全程監(jiān)控焊接全過程。這樣焊工學(xué)員就可以直接觀察教師和自己的操作過程中的焊絲位置、熔池熔化狀態(tài)、姿態(tài)等，記錄并顯示學(xué)生完成的焊縫。同時(shí)平臺(tái)系統(tǒng)可以讓學(xué)生離線訪問視頻，學(xué)生可以清楚地查看他們進(jìn)行焊接的效果，并可以接收有關(guān)如何改進(jìn)或從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)的指導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在哈爾濱理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)生TIG焊接實(shí)訓(xùn)過程中已得到應(yīng)用。

通過焊接過程高動(dòng)態(tài)范圍圖像，學(xué)生和教師可以清晰查看電弧、鎢極、熔池及接縫處較暗的周圍特征。在教師講授過程中，學(xué)生不必總是擠在教師周圍，而是可以通過大屏幕清楚地看到焊接過程的所有特征，提供更好的焊接指導(dǎo)體驗(yàn)，而無需講師重新啟動(dòng)或重復(fù)焊接過程，如果學(xué)生錯(cuò)過了部分教學(xué)內(nèi)容可回看錄像。通過在遠(yuǎn)程屏幕上顯示捕獲的焊接視頻，可以極大地改善學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)成功率，焊接教師不僅實(shí)現(xiàn)了提高學(xué)習(xí)成功率的目標(biāo)，也不必?fù)?dān)心教室空間和學(xué)生接近焊接演示臺(tái)。

二、可追溯焊接評(píng)價(jià)系統(tǒng)

焊接評(píng)價(jià)系統(tǒng)在SharePoint Designer軟件平臺(tái)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)焊接實(shí)訓(xùn)過程中的教師示范錄像，學(xué)生操作錄像，利用成像軟件Weld Studio軟件對(duì)焊接特征值進(jìn)行提取處理。通過教師講授模塊、學(xué)生操作模塊、教師評(píng)定模塊、學(xué)生自評(píng)模塊、學(xué)生互評(píng)模塊、標(biāo)準(zhǔn)焊接與學(xué)生焊接對(duì)比模塊、綜合評(píng)價(jià)模塊、實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊來完成整個(gè)電弧焊接實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)和追溯，將整個(gè)焊接操作過程和評(píng)價(jià)全程記錄，以滿足工程認(rèn)證過程中的實(shí)訓(xùn)過程評(píng)價(jià)。圖1為哈爾濱理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)焊接實(shí)訓(xùn)網(wǎng)頁界面截圖。

教師和學(xué)生可以通過焊接現(xiàn)場(chǎng)大屏幕，通過評(píng)價(jià)系統(tǒng)鏈接進(jìn)行即時(shí)在線評(píng)價(jià)，也可以離線觀看同學(xué)的焊接操作錄像，同時(shí)也可以點(diǎn)擊老師標(biāo)準(zhǔn)的焊接操作錄像鏈接，觀看教師的標(biāo)準(zhǔn)焊接操作。學(xué)生根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的焊接操作錄像對(duì)比自己的操作錄像進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，同時(shí)可以看到教師評(píng)價(jià)、同學(xué)互評(píng)、系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)價(jià)的內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)自己的焊接操作錄像進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，老師也可根據(jù)學(xué)生的焊接操作進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)會(huì)生成電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在需要紙質(zhì)版報(bào)告時(shí)可以直接將其打印出來，同時(shí)生成影像評(píng)價(jià)記錄版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，來完成焊接實(shí)訓(xùn)的記錄和可追溯數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中通常采用教師操作、學(xué)生拿著焊帽圍觀、學(xué)員自行操作幾個(gè)環(huán)節(jié)的講授方式。焊接時(shí)，學(xué)生是無法仔細(xì)觀察到教師的每個(gè)操作細(xì)節(jié)以及對(duì)應(yīng)的焊接效果的，只能靠學(xué)生自己在實(shí)際操作時(shí)認(rèn)真體會(huì)和摸索。學(xué)生多半都是跟著老師的節(jié)拍，模仿老師的樣子進(jìn)行車間焊接。其結(jié)果往往是模仿性的，實(shí)際教學(xué)畢竟無法展示其實(shí)際的理論根據(jù)，實(shí)際操作步驟得不到貫穿，容易將步驟混淆，無法精益求精。最終可能會(huì)導(dǎo)致培訓(xùn)時(shí)間增加，材料使用量增加，導(dǎo)致教學(xué)效果有一定的折扣。

通過焊接實(shí)訓(xùn)全過程可視化焊接評(píng)價(jià)系統(tǒng)的記錄，學(xué)生在整個(gè)焊接實(shí)訓(xùn)過程中全員參與進(jìn)來。由于可視化的優(yōu)點(diǎn)，將焊接抽象的電弧理論和實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合起來，使學(xué)生更加感性地認(rèn)識(shí)焊接電弧，了解焊接電弧特點(diǎn)掌握焊接電弧操作要領(lǐng)。通過自評(píng)和同學(xué)互評(píng)環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行有效翻轉(zhuǎn)，彌補(bǔ)在傳統(tǒng)的電弧焊方面操作實(shí)訓(xùn)中的不足和缺點(diǎn)。學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者和計(jì)劃者，教師只起到指導(dǎo)者的作用，將所學(xué)的知識(shí)和具體的實(shí)踐結(jié)合起來，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，完成實(shí)驗(yàn)的全過程，提升教學(xué)的質(zhì)量和效果。圖2為評(píng)價(jià)記錄版實(shí)驗(yàn)報(bào)告截圖。

三、手工TIG焊接實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目針對(duì)2.5 mm鋁板進(jìn)行手工TIG焊接實(shí)訓(xùn)，確定鎢極直徑、電流種類及大小、保護(hù)氣流量、脈沖頻率、基值峰值電流、制定平板表面堆焊工藝。

（一）實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)講授階段

教師講授回顧TIG基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)，讓學(xué)生熟悉焊接設(shè)備和焊接參數(shù)設(shè)置。針對(duì)手工TIG焊接工藝要點(diǎn)，進(jìn)行起弧、行弧、收弧、焊縫外觀各工藝點(diǎn)的實(shí)際焊接示范，通過實(shí)時(shí)大屏幕視頻對(duì)抽象概念進(jìn)行逐項(xiàng)量化講解，此階段通過視頻中操作講解提升學(xué)生對(duì)工藝要點(diǎn)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)焊接操作的認(rèn)識(shí)和了解，體現(xiàn)出可視化教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，過程如下：

1. 起弧操作規(guī)范：鎢極距離工件2～3 mm，鎢極中心線與母材表面夾角20°～30°為最佳角度。角度調(diào)整好后按下啟動(dòng)按鈕，就會(huì)在焊槍電極尖端產(chǎn)生電弧，不能讓電極工件表面接觸起弧。然后提起焊槍調(diào)整電弧長(zhǎng)度和焊槍角度。如圖3所示。

工藝點(diǎn)：角度不能過大或過小，不能接觸起弧，提起焊槍后弧長(zhǎng)保持在6～10 mm。調(diào)整后焊槍角度60°～80°。調(diào)整時(shí)間2～3 s。圖3為起弧操作規(guī)范視頻截圖。

2. 行弧操作規(guī)范：在進(jìn)行直焊道的焊接時(shí)，通常采用左焊法，保證焊接電弧和氣流的穩(wěn)定。焊接全程鎢極尖端距離工件表面6～10 mm，焊槍與工件表面成70°～85°。保持焊槍勻速行弧，速度為10 cm/min。圖4為行弧操作規(guī)范視頻截圖。

工藝點(diǎn)：鎢極尖端距工件表面距離嚴(yán)格把控，焊槍不得上下大幅度跳躍。焊槍與工件表面夾角不能偏大或偏小。行弧過程要求速度均勻平穩(wěn)，不得跳躍式行進(jìn)。行弧過程中要求平穩(wěn)，焊槍不得大幅度抖動(dòng)。

3. 收弧操作規(guī)范：在焊接終止時(shí)，焊槍移動(dòng)速度稍加快。直到焊接終止點(diǎn)。

工藝點(diǎn)：收弧講究干凈利落，在焊接終止點(diǎn)及時(shí)關(guān)閉焊槍收弧，長(zhǎng)時(shí)間停留會(huì)導(dǎo)致母材燒穿，停留時(shí)間：1～2 s。圖5為收弧操作規(guī)范視頻截圖。

4. 焊縫外觀：焊縫應(yīng)該平整，無未融合，未焊透、燒穿等。

工藝點(diǎn)：焊縫宏觀缺陷。

（二）學(xué)生實(shí)際焊接訓(xùn)練教師講評(píng)、學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)階段

學(xué)生根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)講授階段的理解，動(dòng)手實(shí)際焊接，通過對(duì)自己的焊接視頻進(jìn)行教師講評(píng)、學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)進(jìn)行課堂翻轉(zhuǎn)，由學(xué)生身份轉(zhuǎn)為講解評(píng)價(jià)身份，加深對(duì)焊接工藝要點(diǎn)的理解，通過講評(píng)提高焊接技能掌握效率和質(zhì)量。學(xué)生依照評(píng)價(jià)指標(biāo)表可以系統(tǒng)、全面、精確到每一個(gè)工藝點(diǎn)對(duì)操作人員做出評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)表見表1。

（三）針對(duì)性練習(xí)考核階段

學(xué)生通過可追溯視頻和互動(dòng)評(píng)價(jià)，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行練習(xí)。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)焊接操作完成訓(xùn)練，進(jìn)行最終考核并生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過焊接可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行的實(shí)訓(xùn)，使得焊工對(duì)于焊接質(zhì)量有了更加直觀地理解，而這是目前虛擬焊工培訓(xùn)器無法提供的。因?yàn)?，熔池狀態(tài)隨著姿態(tài)等參數(shù)的變化也是在動(dòng)態(tài)變化的，普通軟件無法模擬到熔池那么精細(xì)的變化。焊接可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠起到事半功倍的效果，同時(shí)系統(tǒng)的錄像功能還能夠?qū)腹さ牟僮鬟^程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和追溯。

四、結(jié)束語

將焊接可視化教學(xué)手段引入到焊接實(shí)訓(xùn)課程中，其意義重大，使學(xué)生掌握理論知識(shí)和實(shí)際操作的效率和質(zhì)量大大提高，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，將所學(xué)的知識(shí)和具體的實(shí)踐結(jié)合起來，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，完成實(shí)驗(yàn)的全過程。相對(duì)減少教師抽象講解時(shí)間，提高學(xué)生的理解程度，增加學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間，減少材料的使用量，培養(yǎng)工程畢業(yè)生“復(fù)雜問題解決”能力，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的有機(jī)結(jié)與和綜合運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張友權(quán)，周云芳.從世界技能大賽看國(guó)內(nèi)外焊接技能競(jìng)賽與培訓(xùn)的差異及發(fā)展趨勢(shì)[C]//工程焊：2011年第3期（總第15期），2011：21-25+29.

[2]尹立孟，周進(jìn)，王剛，等.談材料成型及控制工程專業(yè)焊接實(shí)踐教學(xué)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（12）：170-171.

[3]常維亞，邢鵬，趙莉.探索建立研究型大學(xué)本科實(shí)踐教學(xué)模式[J].中國(guó)高等教育，2014（9）：26-27.

[4]薛勇.焊接實(shí)習(xí)教學(xué)與工廠實(shí)際生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合[J].智庫時(shí)代，2017（13）：129.

[5]李嘉寧，劉鵬，袁興棟.應(yīng)用創(chuàng)新型焊接專業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].電焊機(jī)，2016，46（8）：119-121.

[6]徐義庫，王紅波，陳永楠，等.材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的改革與探索[J].教育教學(xué)論壇，2017（4）：271-272.

[7]楊林豐.焊接實(shí)踐教學(xué)模式探討[J].焊接技術(shù)，2010，39（1）：71-72.

[8]申文竹，王斌，易鋒，等.材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2017，15（6）：155-158.

[9]郭吉?jiǎng)?焊接專業(yè)整體化教學(xué)中的問題和解決措施[J].焊接技術(shù)，2007，36（3）：79-80.

[10]宋聯(lián)美.焊接專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革的研究與實(shí)踐[J].機(jī)械，2011（12）：32-35.

[11]甄舒，劉偉紅.虛擬現(xiàn)實(shí)焊接培訓(xùn)模擬系統(tǒng)在焊工培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].焊接，2015（1）：64-67.