工程材料及機械制造基礎課程“以點帶面”教學方法

武玉琴，李成新，徐自立，盧記軍，汪華方，唐令波，唐科，曹龍超，余聯(lián)慶

工程材料及機械制造基礎課程“以點帶面”教學方法

武玉琴1，李成新2，徐自立1，盧記軍1，汪華方1，唐令波1，唐科1，曹龍超1，余聯(lián)慶1

（武漢紡織大學 1. 機械工程與自動化學院，2. 傳媒學院，湖北 武漢 430073）

工程材料及機械制造基礎課程是介紹工程材料及其加工工藝的綜合課程，具有知識點多、實踐性強等特點．以焊接接頭組織與性能知識點為基礎，提出“以點帶面”的教學方法．該教學方法將相關基礎理論知識、實驗以及工程實踐內(nèi)容有機融合，使各章節(jié)知識點之間的聯(lián)系更加緊密．該教學方法改革有利于加深學生對理論知識的理解和掌握，促進學生將理論知識轉向實踐應用，提高學生的工程意識與職業(yè)素養(yǎng)，也對相關課程的教學提供了新思路與新的方向．

焊接接頭組織；以點帶面；綜合性創(chuàng)新教學方法

工程材料及機械制造基礎課程是機械類專業(yè)課程設置中全面介紹工程材料與機械制造領域中的毛坯熱加工成形工藝的課程，對畢業(yè)生今后的設計與制造等生產(chǎn)技術工作具有重要的指導作用[1-2]．多位教學工作者為了適應該課程知識量大、實踐性強、課時減少等教學難點，對工程材料及機械制造基礎課程的教學、實驗、工程實訓等進行了研究與改革，提出了很多有效的教學方法[3-11]．結合該課程生產(chǎn)實際應用性強的特點，孫康寧[3]等指出教學過程中應重視將理論教學與實踐教學相結合，通過培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力及綜合設計能力，進而達到深化理解理論的教學效果．陸文金[4]、何水龍[5]等針對傳統(tǒng)填鴨式教學提出把機械制造基礎系列理論課回歸到“工程實踐”中．黃根哲[6-8]等采用以點代面、項目導向、課題研究等教學模式以及線上教學等各種方法進行教學改革，提高教學效果與學習效率．周世權[9]等將機械制造基礎綜合課程與工程訓練實踐課程進行有機結合，提高了教學水平，培養(yǎng)了學生的能力．

本文從知識點焊接接頭組織與性能出發(fā)，提出“以點帶面”的教學內(nèi)容設計改革與創(chuàng)新，將理論與實踐高效融合，提高學生的知識掌握效率、綜合素質水平以及解決工程問題的能力．

1　“以點帶面”教學知識點梳理

以焊接接頭組織與性能知識點為中心，以點帶面，涵蓋工程材料與機械制造基礎課程中性能、結構、成形工藝等內(nèi)容，綜合課堂教學、實驗教學與工程實訓相關內(nèi)容進行創(chuàng)新調整，進行“以點帶面”教學內(nèi)容設計，引出相關知識內(nèi)容．

1.1　引入知識點——焊接接頭組織與性能

工程實訓期間，學生進行手工電弧焊焊接實習，督促學生記錄焊接電流、電機正反接法以及焊縫表面形貌等；初步分析焊接工藝參數(shù)對焊縫和焊接過程控制難易程度的影響．實訓中穿插講解熔焊過程以及焊縫的形成，引導學生進行理論方面的思考．

1.2　引入焊縫的形成——鑄造知識點

焊縫的形成是一次冶金過程，如同小的熔爐．在熔煉過程易形成偏析、凝固組織不均勻等鑄造缺陷．由于熔池較小，母材向外散熱較快，焊縫熔體易形成晶粒粗大的柱狀晶．引出并對工程材料與機械制造基礎中材料凝固、材料組織結構以及鑄造工藝等知識點進行講解．

1.3　引入焊接接頭組織觀察與硬度實驗

1.3.1探索焊縫組織，開展焊接接頭組織觀察實驗該實驗涉及金相樣品制備與組織觀察．在實驗環(huán)節(jié)，學生觀察焊縫組織結構的變化，引出相關熱處理章節(jié)，焊接時焊縫及其附近的母材都會經(jīng)歷一個加熱和冷卻過程，焊縫附近區(qū)域可以看作受到不同條件下的熱處理．隨著各點金屬與焊縫中心的距離不同，各點的最高加熱溫度和熱歷史也不同，因此形成不同的組織結構．以碳鋼為例，其焊縫組織見圖1[2]154．金相組織由左到右分別為正火區(qū)、過熱區(qū)、熔合區(qū)與焊縫（見圖1a）．正火區(qū)晶粒細小，力學性能最好；過熱區(qū)的晶粒粗大，形成比較明顯的魏氏組織，力學性能下降；焊縫區(qū)為焊接中心小熔池所在區(qū)域，因為金屬具有較高的熱導率，在焊接過程產(chǎn)生較大的溫度梯度，晶粒組織呈粗大的柱狀晶，力學性能差．而熔合區(qū)介于焊縫與過熱區(qū)之間，晶粒組織形態(tài)由柱狀晶轉變?yōu)槲菏辖M織，由于各組織之間的性能差別較大，導致熔合區(qū)的力學性能很差．焊接接頭組織與加熱溫度的關系見圖1b．

圖1　焊縫組織及其形成示意圖

1.3.2探求焊縫性能，開展焊接接頭硬度實驗引導學生理解組織與性能之間的關系．掌握組織、性能與加工工藝之間的關聯(lián)，能夠分析焊接過程中影響材料組織與性能的因素，進而選擇最優(yōu)焊接參數(shù)，促使學生能夠理論聯(lián)系實際，系統(tǒng)掌握知識．

2　“以點帶面”教學內(nèi)容規(guī)劃

在工程材料與機械制造基礎課程各章節(jié)講解時，將相關教學內(nèi)容有機串聯(lián)，將性能——結構——工藝——應用等有機融合在一起，形成知識點脈絡（見圖2）．焊接接頭組織與性能知識點涉及工程實訓中實踐操作、課程理論內(nèi)容以及課程實驗．以焊接接頭組織與性能為核心知識點，以焊接實驗與焊接接頭組織觀察實驗為例，對各相關知識點進行講解，將理論與實踐直觀聯(lián)系起來，避免學生雖然學到大量專業(yè)名詞，頭腦中卻還是一片模糊，不能融會貫通，學以致用．

圖2　焊接接頭組織與性能相關的知識點脈絡

焊接接頭組織與性能涉及的具體知識點與實驗實踐內(nèi)容為：

（1）分析觀察熱影響區(qū)間組織結構變化規(guī)律．對比鐵碳二元合金相圖，結合熱處理工藝，得到熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)所對應的過熱溫度，得到金相組織所在的熱處理區(qū)域．期間引導學生對金屬凝固過程、金屬凝固組織以及熱處理知識進行學習掌握，并在實踐中應用理論知識進行實驗數(shù)據(jù)分析，給出結論．

（2）觀察焊接熱影響區(qū)是否存在再結晶區(qū)．在觀察焊縫金相組織結構過程中，分析比較不同母材對應的熱影響區(qū)的組織變化，引導學生思考何種鋼材具有再結晶熱影響區(qū)，并引出金屬材料塑性成形，梳理金屬塑性成形知識點．

（3）測試焊縫及其熱影響區(qū)的維氏硬度．記錄焊接接頭不同位置對應硬度值的大小，并繪出維氏硬度隨熱影響區(qū)組織變化對應的硬度值變化曲線．通過實驗結果進行分析硬度與材料組織結構之間的關系．引導學生思考影響焊縫性能的因素，分析得到提高焊縫力學性能的措施．

（4）掌握并運用材料組織結構對性能的影響規(guī)律．根據(jù)焊縫熱影響區(qū)的組織結構觀察與力學性能測試，講解固溶強化、第二相彌散強化、加工硬化和細晶強化等基本概念．加深學生對材料組織、性能與加工工藝涉及知識點的掌握程度，并進一步了解組織、性能與加工工藝之間的關系．

（5）深入了解焊接工藝與焊接接頭組織與性能的關系．通過對焊縫進行組織結構觀察和硬度測試，結合焊接過程中所記錄的電流、焊條、母材等數(shù)據(jù)條件，分析焊縫組織結構與焊接過程中條件之間的關系，根據(jù)所學知識給出最優(yōu)化焊接條件，并反思焊接過程的技術問題，進而提高材料焊縫性能．達到理論與實踐深度融合，提高學生能夠學以致用的目的．

通過以上教學內(nèi)容的規(guī)劃安排，以焊接接頭組織與性能為核心知識點，引出工程材料與機械制造基礎理論基礎知識，并與工程實踐和課程實驗內(nèi)容相結合，形成知識面．

3　“以點帶面”具體授課內(nèi)容與安排

在工程材料與機械制造基礎課程中，與焊接接頭組織和性能知識點相關的授課內(nèi)容包括：力學性能、組織結構、材料凝固、二元合金相圖、熱處理、液態(tài)成形、塑性成形以及焊接成形．將實際操作手工電弧焊內(nèi)容、課程內(nèi)實驗內(nèi)容以及相關理論知識內(nèi)容相互融合滲透，并進行綜合講解，從而加深學生對理論知識的印象，促進學生能夠將理論知識應用在綜合實踐中，提高學生工程意識與應用理論專業(yè)知識解決實際問題的能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎．該知識點總計6課時，包含實驗與課堂討論，具體授課內(nèi)容安排為：

（1）結合焊接接頭的組織結構講解工程材料基礎理論知識，2課時．通過實驗觀察焊接接頭金相組織，從組織結構出發(fā)，分析晶粒尺寸并引申晶粒的形成與長大，以及凝固過程中的一系列問題，包括細晶強化、固溶強化、加工硬化等重要知識點．并通過對比講解，加深學生對基礎理論概念的掌握．

（2）結合焊接接頭的硬度測試，講解材料硬度測試需要注意的問題，2課時．材料性能測試時所需要注意的問題對于能否得到準確的測量值非常重要，在該部分對材料硬度測量過程及其所需要注意的問題進行詳細講解．引導學生分析如何選擇硬度測試計以及得到精確的硬度值．指導學生分析材料硬度值與結構之間的關系，了解不同加工工藝下會產(chǎn)生不同的材料組織結構，從而得到不同的力學性能．鼓勵學生探尋有關測量設備的工作原理，了解設備不同零件對材料性能的要求，并將知識應用于實踐過程，進一步根據(jù)材料性能要求選擇原材料及其加工工藝．

（3）結合焊接熱影響區(qū)的組織結構變化，講解材料熱加工工藝，2課時．焊接接頭組織結構涉及熱處理中的正火、退火、再結晶退火等知識，回放熱處理視頻與對應金相組織圖，將熱處理相關知識點進行梳理．引導學生根據(jù)理論知識的學習，分析加工工藝與材料性能之間的關系，并應用理論知識分析不同焊接方法對應的焊接接頭組織與性能．再結晶是在工件經(jīng)過壓力加工后出現(xiàn)加工硬化，通過再加熱晶核重新形成并長大的現(xiàn)象，因此只有經(jīng)過壓力加工后的材料其焊接熱影響區(qū)存在再結晶區(qū)，實驗與課堂授課中將沖壓板材與其它板材焊縫熱影響區(qū)的金相組織進行觀察比較，講解塑性成形相關知識．

以焊縫接頭組織與性能知識點為中心，將涉及到的授課內(nèi)容進行綜合性教學，形成知識面，將覆蓋的章節(jié)內(nèi)容進行系統(tǒng)講解，幫助學生更好地理解和運用理論知識．該教學方法有助于梳理實踐——實驗——課堂教學關系，促進實踐與理論的高效融合．

4　“以點帶面”教學方法的效果

學生通過動手操作手工電弧焊，調節(jié)焊接電流，接線方法，記錄實驗數(shù)據(jù)等實踐過程，結合比較先進的實驗設備和測量手段進行顯微硬度實驗與金相組織觀察，加深對焊接接頭組織與性能知識點的理解與運用．同時，運用課堂講解的理論知識，能夠舉一反三，在實驗和實訓過程中進行應用并發(fā)現(xiàn)提高材料性能的方法，達到能夠解決實際問題，提高動手能力與學習能力的教學目的，提高教學效果．

“以點帶面”教學方法將課堂教學、課程實驗與工程訓練相互結合，在課程內(nèi)容增多、課時減少的情況下提高了學習效率，更有利于學生綜合所學知識，從而真正了解產(chǎn)品的選材——加工工藝——材料組織結構——材料服役性能的整個過程，提高應用理論知識解決實際問題的能力，達到專業(yè)認證所應具備的畢業(yè)目標與要求．

5　結語

“以點帶面”教學方法有利于引導學生在實操過程中應用理論知識進行分析，達到學以致用的目的；有利于加深學生對理論知識的理解和掌握，培養(yǎng)學生學習興趣與創(chuàng)新意識；有利于提高學生分析問題、解決問題的能力；有利于培養(yǎng)學生的工程意識，提高了教學質量；有利于工程材料與機械制造基礎課程的系統(tǒng)講解．該教學方法促進相關課堂教學、課程實驗與工程實踐的高效融合，使各章節(jié)之間的聯(lián)系更加緊密，在一定程度上解決了課時少、內(nèi)容多的困境．通過該課題的實施，學生更容易將理論知識轉向實踐應用，也對相關課程的教學提供了新思路與新的方向．

[1] 徐自立，夏露．工程材料[M]．武漢：華中科技大學出版社，2020．

[2] 鄧文英，郭曉鵬，邢忠文．金屬工藝學[M]．北京：高等教育出版社，2017：154．

[3] 孫康寧，張景德，傅水根．“工程材料與機械制造基礎”課程知識體系研究[J]．中國大學教學，2015（5）：63-66．

[4] 陸文金，張曉紅．《機械制造基礎》課程的課改建議及可行性分析[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018（17）：161-162．

[5] 何水龍，鮑家定，何玉林．“金課”導向下卓越班“機械制造基礎”課程教學改革[J]．西部素質教育，2019（17）：7-8．

[6] 黃根哲，于化東．“工程材料與機械制造基礎”系列課程：昨天、今天、明天[J]．現(xiàn)代教育科學，2016（9）：64-67．

[7] 黃根哲，朱振華，于化東，等．大工程背景下工程材料與機械制造基礎系列課程存在的主要問題和解決方案[J]．教育教學論壇，2016（32）：216-218．

[8] 黃根哲，宋善女．工科院校機械類專業(yè)《工程材料與機械制造基礎》系列課程發(fā)展初析[J]．教育教學論壇，2016（23）：154-157．

[9] 周世權，黃勝智，趙軼，等．“工程訓練與機械制造基礎”綜合課程的探索與實踐：以鑄造工藝為案例[J]．實驗室研究與探索，2018（37）：203-209．

[10] 高玉芳，李薇．工程材料及機械制造基礎課程教學改革與實踐[J]．高師理科學刊，2018，38（10）：72-75．

[11] 劉隆節(jié)．工程材料教學和機械制造基礎教學的有效融合[J]．內(nèi)燃機與配件，2020（18）：227-228．

The teaching method of point to area for engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing

WU Yuqin1，LI Chengxin2，XU Zili1，LU Jijun1，WANG Huafang1，TANG Lingbo1，TANG Ke1，CAO Longchao1，YU Lianqing1

（1. School of Mechanical Engineering and Automation，2. School of Media & Communication，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China）

Engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing is the course that introduces engineering materials and their processing technology．It has the characteristics of many knowledge points and strong practicality．Based on the knowledge of welded joint structure and performance，the teaching method of point to area is put forward．The contents related to basic theoretical knowledge，experiment and engineering training are organically integrated under this teaching method，so as to make the connection between the knowledge points of each chapter closer．This teaching method reform is beneficial to deepen students′ understanding and mastery of theoretical knowledge，promote students to turn theoretical knowledge to practical application，improve students′ engineering consciousness and professional quality，and also provide new ideas and new directions for the teaching of relevant courses．

welded joint structure；the teaching method of point to area；comprehensive and innovative teaching methods

1007-9831（2022）09-0095-05

TB3∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.021

2022-05-06

武漢紡織大學教學研究項目（2021JY056）

武玉琴（1979-），女，山東菏澤人，副教授，博士，從事非平衡下金屬材料凝固、電子封裝技術研究．E-mail：yuqin_wu26@163.com