以《材料成型技術(shù)》教學(xué)改革為例，探討本科生專業(yè)思維的建立

◆摘? 要：新工科背景下，技術(shù)快速更迭，學(xué)校教育落后于技術(shù)前沿。如何實(shí)現(xiàn)教育“成果導(dǎo)向”的改革，幫助學(xué)生適應(yīng)技術(shù)飛速發(fā)展，是高等教育面臨的共性難題。本文以《材料成型技術(shù)》教學(xué)改革為例，探討大學(xué)教育在緊跟技術(shù)發(fā)展步伐的同時(shí)，如何培養(yǎng)學(xué)生抓住問(wèn)題核心，看清問(wèn)題理論本質(zhì)，由本質(zhì)出發(fā)尋找問(wèn)題解決方案的專業(yè)思維方式。

◆關(guān)鍵詞：教學(xué)改革;專業(yè)思維培養(yǎng);材料成型技術(shù);線上線下混合教學(xué)

新工科背景下技術(shù)發(fā)展日新月異，新材料、新工藝層出不窮，書(shū)本知識(shí)的更新自有其周期，因此很難站在技術(shù)的最前沿。如何幫助畢業(yè)生快速熔融新崗位，掌握新技術(shù)，在工作中適應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高校教育真正的“成果導(dǎo)向”，是各大高校面臨的共同問(wèn)題。

本科學(xué)生眼中基礎(chǔ)理論課與專業(yè)課是彼此獨(dú)立的。他們常常會(huì)迷茫于所學(xué)的知識(shí)“有什么用，該怎么用”的問(wèn)題。因此，在教授學(xué)生知識(shí)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析實(shí)際工藝設(shè)計(jì)的專業(yè)思維方式是非常必要的。《材料成型技術(shù)》是材料類專業(yè)學(xué)生的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，課程本身連接基礎(chǔ)理論與工藝實(shí)踐。本文以該課程為例，探討通過(guò)教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)基礎(chǔ)理論與實(shí)際工藝相融的專業(yè)思維的教學(xué)思路。

一、《材料成型技術(shù)》課程尷尬的定位

材料成型技術(shù)是材料成型及控制工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，定位核心在對(duì)金屬材料常用的成型工藝進(jìn)行概述，讓學(xué)生對(duì)這些工藝具備基本認(rèn)識(shí)。在目前的定位下，本課程既沒(méi)有艱深的理論，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)也不會(huì)對(duì)每一種工藝進(jìn)行詳細(xì)、系統(tǒng)的介紹，如同雞肋，難以得到同學(xué)們的重視。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，部分學(xué)生能夠如圖1中“學(xué)生思維”一般，在書(shū)本內(nèi)容范圍內(nèi)，判斷工藝合理性。一旦超出書(shū)本范圍，則既無(wú)法為給定制件選擇相對(duì)合理的成型工藝，亦無(wú)法判斷給定成型工藝是否合理。但工藝發(fā)展日新月異，“新材料應(yīng)該用怎樣的工藝成型？”“新工藝的改革是否適合某項(xiàng)產(chǎn)品？”書(shū)本和課堂都不能為學(xué)生提供答案。怎樣讓學(xué)生學(xué)會(huì)抓住問(wèn)題的難點(diǎn)，透過(guò)難點(diǎn)看清問(wèn)題理論本質(zhì)，從理論本質(zhì)出發(fā)分析解決實(shí)際問(wèn)題、激發(fā)創(chuàng)造力的思維方式，才能夠幫助他們成為新技術(shù)、新工藝的掌控者、發(fā)明者。針對(duì)這一目標(biāo)，對(duì)《材料成型技術(shù)》課程進(jìn)行教學(xué)改革。

二、搭建聯(lián)通基礎(chǔ)理論與工藝實(shí)踐的橋梁

（一）課程定位

在材料成型與控制專業(yè)的課程設(shè)置中，《材料成型技術(shù)》課程具有非常重要的理論聯(lián)系實(shí)際的作用。例如：合金熔體流動(dòng)性，向工藝方向延伸是影響熔體充型性的重要因素，是鑄造工藝參數(shù)制定的依據(jù)之一;向理論方向延伸是由熔體表面張力和凝固特性決定，原理源自《物理化學(xué)》課程的界面能部分和《金屬學(xué)》課程的相圖部分?？梢?jiàn)，本課程能夠有效的聯(lián)通基礎(chǔ)理論知識(shí)和工藝實(shí)踐，幫助學(xué)生建立從理論到實(shí)踐的專業(yè)思維。因此對(duì)課程重新定位如下：

“課程綜合介紹材料成型全流程，是材料學(xué)基礎(chǔ)理論通往實(shí)際工藝的橋梁。使學(xué)生了解常用金屬材料及其它工程材料的主要成型工藝，掌握鑄造、壓力加工及焊接工藝的材料學(xué)原理及工藝特點(diǎn)，學(xué)會(huì)運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析實(shí)際工藝的選擇、設(shè)計(jì)原則，為日后學(xué)習(xí)其他相關(guān)課程、從事相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)?！?/p>

（二）課程內(nèi)容

根據(jù)新的定位，在課程內(nèi)容中適當(dāng)添加了合金組織隨工藝手段的變化規(guī)律，及母材和半成品成型工藝即鑄造、壓力加工與焊接工藝在制件成型全流程中的關(guān)系，如圖2所示。鑄造既可作為最終成型工藝，也可以作為壓力加工和焊接工藝母材成型工藝;壓力加工必須以鑄造或壓力加工母材為原料;而焊接工藝的被焊接件也一定是經(jīng)過(guò)鑄造或者壓力加工成型的。

每一個(gè)制件都有核心質(zhì)量要求，通常是外形或力學(xué)性能。制件的力學(xué)性能與材料的力學(xué)性能密切相關(guān)。分析制件成型全流程組織及力學(xué)性能變化規(guī)律需要從基礎(chǔ)理論知識(shí)入手。學(xué)生面對(duì)超出書(shū)本范圍的給定制件，也可以根據(jù)其核心質(zhì)量要求，分析理論本質(zhì)，從理論本質(zhì)出發(fā)尋找可行的加工流程及后續(xù)處理工藝;進(jìn)而制定制件成型工藝全流程。從而具備自主工藝設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新的基本能力。

以某小型齒輪的大批量生產(chǎn)為例。常規(guī)教學(xué)中，僅介紹根據(jù)齒輪力學(xué)性能要求，建議使用鍛鋼進(jìn)行加工。其原因在于鍛鋼力學(xué)性能優(yōu)于鑄鋼。課程改革后，需要引導(dǎo)學(xué)生如圖3進(jìn)行分析，以便建立專業(yè)思維。如果齒輪用于傳動(dòng)，力學(xué)性能要求是制件的核心質(zhì)量要求。滿足力學(xué)性能要求，需對(duì)金屬進(jìn)行強(qiáng)化。金屬材料的常規(guī)強(qiáng)化手段中，固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等手段主要是通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)配合熱處理工藝實(shí)現(xiàn)的，而細(xì)晶強(qiáng)化則是可以通過(guò)鍛造/軋制成型工藝實(shí)現(xiàn)的。因此優(yōu)選鍛造/軋制母材進(jìn)行輪齒加工。如果小齒輪用于工藝品裝飾，則對(duì)制品表面質(zhì)量要求成為核心質(zhì)量要求。如果采用金屬材料制件，相比鍛件而言，鑄件既可達(dá)到表面質(zhì)量要求又減少了壓力加工工序，降低了加工成本。此外，塑料成型性好，制件成型溫度低于金屬，也可考慮，但是其表面缺乏金屬光澤。因此可根據(jù)實(shí)際情況選擇采用鑄造/注塑成型后進(jìn)行表面鍍膜的方法制備所需小齒輪。

三、教學(xué)方法與手段

《材料成型技術(shù)》課程的目的只是聯(lián)接而非重新教學(xué)，因此在課堂講授過(guò)程中僅選取課程需要的結(jié)論，采用通感、類比等簡(jiǎn)單易懂的方式幫助學(xué)生重溫、理解并應(yīng)用這些結(jié)論，不會(huì)進(jìn)行深度講解。但部分被激起好奇心的同學(xué)有可能課后對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行的二次學(xué)習(xí)。

例如，合金元素對(duì)熔體流動(dòng)性的影響。首先讓同學(xué)們判斷夏天吃的沙冰和水的流動(dòng)性哪一個(gè)比較好。結(jié)果顯見(jiàn)是水。因?yàn)樯潮枪桃簝上嗷旌衔铮鲃?dòng)性較差。同理，相同溫度下，熔融的合金液也是純液相體系的流動(dòng)性好于兩相混合體系。觀察鐵碳相圖（圖4）發(fā)現(xiàn)，共晶點(diǎn)C左側(cè)，液相線溫度隨碳含量的升高而降低。相同溫度T下，鑄鋼（A）進(jìn)入固液兩相區(qū)而鑄鐵（B）仍為純液相。因此鑄鐵的流動(dòng)性比鑄鋼好。由此推廣，凡是降低液相線溫度元素都有利于提高合金熔體流動(dòng)性。如此關(guān)聯(lián)，既可以有效的將基礎(chǔ)理論知識(shí)直觀化，便于學(xué)生理解，也可將相圖部分知識(shí)有效的和鑄造工藝成型性連接起來(lái)，為學(xué)生建立完整的分析問(wèn)題的思維鏈條。日后學(xué)生遇到相似的問(wèn)題，如制定新合金成型工藝時(shí)，即使缺少實(shí)驗(yàn)結(jié)果與別人的經(jīng)驗(yàn)，也可以根據(jù)自己所學(xué)進(jìn)行初判，建立自己的觀點(diǎn)。

四、課堂模式

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，擴(kuò)展學(xué)生的視野，課堂采用線上線下相結(jié)合的模式進(jìn)行教學(xué)。

課前選擇如永樂(lè)大鐘鑄造訪談、高頻焊接生產(chǎn)工字鋼等與本次課內(nèi)容相關(guān)的、有代表性的或者先進(jìn)的加工工藝視頻，作為預(yù)習(xí)資料發(fā)給學(xué)生。擴(kuò)展學(xué)生的視野，讓他們帶著對(duì)課程內(nèi)容的好奇心進(jìn)入課堂，提高課堂學(xué)習(xí)專注力。

課堂上，采用線上課堂習(xí)題以及工藝討論的方式不定時(shí)與學(xué)生互動(dòng)。課堂習(xí)題主要涉及剛剛講過(guò)的知識(shí)點(diǎn)或者分析過(guò)的工藝特點(diǎn)，以檢查學(xué)生課堂的接受程度。課堂討論主要是針對(duì)正在學(xué)習(xí)的工藝選取制件，討論其可選成型工藝流程及工藝流程中的注意事項(xiàng);或者在某類工藝特點(diǎn)講解告于段落的時(shí)候，討論給定制件的給定工藝流程的合理性等可以刺激學(xué)生發(fā)散性思維的問(wèn)題。例如：“后母戊鼎的鑄造難點(diǎn)有哪些，如何解決？”“大明永樂(lè)劍劍首與劍身如何連接，為什么？”“鳥(niǎo)巢的鋼結(jié)構(gòu)是鑄造成型的還是壓力加工成型的？為什么？”在此類問(wèn)題討論過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生從所選擇的工藝回溯工藝選擇背后的基本原理。往往學(xué)生在回溯過(guò)程中自己就可以判斷最初的選擇正確與否。這種討論可以幫助學(xué)生建立專業(yè)的思維方式。

五、教學(xué)評(píng)價(jià)

在期末考試中加入學(xué)生自主發(fā)揮題。請(qǐng)學(xué)生自選制件，查閱并總結(jié)制件從鑄造開(kāi)始的成型工藝全流程。并在考場(chǎng)上臨場(chǎng)發(fā)揮，從所總結(jié)的成型工藝中分析工藝中蘊(yùn)含的材料成型原理與選擇的合理性。該題目考核學(xué)生查閱資料總結(jié)制件工藝流程，并提煉工藝流程中所運(yùn)用的成型工藝?yán)碚摰哪芰Γ瑱z驗(yàn)學(xué)生知識(shí)的整體性，鍛煉學(xué)生的專業(yè)思維。

六、以《材料成型技術(shù)》課程為起點(diǎn)將基礎(chǔ)理論用于工藝實(shí)踐

在教學(xué)改革的實(shí)踐過(guò)程中，經(jīng)過(guò)課堂上多次分析實(shí)際成型工藝背后的基礎(chǔ)理論，由原理預(yù)測(cè)成型工藝影響因素及優(yōu)化方向后，學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)理論的反應(yīng)明顯好轉(zhuǎn)，能夠?qū)蠋熖岢龅膶I(yè)名詞進(jìn)行解釋的同學(xué)越來(lái)越多。并且在課堂討論過(guò)程中，如果書(shū)和手機(jī)上都沒(méi)有答案，學(xué)生會(huì)嘗試用自己的思路分析。課程后期，部分同學(xué)可以對(duì)老師或書(shū)上舉例的一些工藝選擇提出疑問(wèn)。例如“摩擦焊兩個(gè)工件必須是回轉(zhuǎn)體嗎？非回轉(zhuǎn)體接觸面上能量輸入足夠不行嗎？”可見(jiàn)，學(xué)生已經(jīng)初步掌握將基礎(chǔ)理論與實(shí)際工藝相聯(lián)系的專業(yè)思考方式。

期末考試中，學(xué)生自主發(fā)揮題總達(dá)成度達(dá)到78%。但得分點(diǎn)主要集中于對(duì)于自選制件工藝全流程的總結(jié)。在從工藝全流程中提煉工藝?yán)碚摲矫鎸W(xué)生達(dá)成度較低，僅約60%。表明課程教學(xué)改革工作仍需進(jìn)一步努力。

七、結(jié)語(yǔ)

專業(yè)思維的形成是長(zhǎng)期訓(xùn)練與累積的結(jié)果，僅靠一門(mén)課程的有限時(shí)間是不夠的。但是可以以《材料成型技術(shù)》為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生建立在工藝問(wèn)題中找出問(wèn)題核心，分析理論本質(zhì)，從理論本質(zhì)出發(fā)解決問(wèn)題的專業(yè)思維，為未來(lái)的發(fā)展提供助力。

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作者簡(jiǎn)介

王琳寧（1980.01—），女，漢族，湖北天門(mén)人，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：材料學(xué)。