基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的金屬工藝學教學與改革

馬帥 陳克飛 黃春輝 楊歲虎

摘?要：為了培養(yǎng)機械專業(yè)學生的創(chuàng)新能力，解決金屬工藝學課程內容多、概念多，學生學習效果不理想這一問題。本文提出了將金屬工藝學課程與培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力目標結合，將大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項目、工程訓練競賽、開展學術講座與課程學習有機結合，利用金屬工藝學知識解決實際問題，用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目帶動學生學習的積極性，做到教材理論與實際應用相結合的教學改革，明顯提高了課程學習的效果，并增加了學生對金屬工藝學的學習興趣。

關鍵詞：金屬工藝學；創(chuàng)新能力；教學改革；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類號：TG?11；G?642.0??文獻標識碼：A

Teaching?and?Reform?of?Metal?Technology?Based?on?the

Cultivation?of?Innovative?Ability

Ma?Shuai?Chen?Kefei?Huang?Chunhui?Yang?Suihu

Hunan?university?of?arts?and?sciences?furong?college?HunanChangde?415000

Abstract：In?order?to?cultivate?the?innovation?ability?of?the?students?majoring?in?machinery，the?problem?that?there?are?many?contents?and?concepts?in?the?course?of?metal?technology，and?the?students'?learning?effect?is?not?ideal?is?solved.This?paper?proposes?to?combine?the?metal?technology?course?with?the?goal?of?cultivating?students'?innovation?ability，organically?combine?college?students'?innovation?and?entrepreneurship?competition?projects，engineering?training?competitions，academic?lectures?and?course?learning，use?metal?technology?knowledge?to?solve?practical?problems，use?innovation?and?entrepreneurship?projects?to?drive?students'?enthusiasm?for?learning，achieve?the?teaching?reform?of?combining?teaching?material?theory?with?practical?application，and?significantly?improve?the?effect?of?course?learning，It?also?increases?students'?interest?in?metal?technology.

Keywords：Metal?Technology；Innovation?Ability；Reform?in?Education；talents?cultivation

國家“十三五”規(guī)劃強調提高學生的創(chuàng)新基礎能力，以國家目標和戰(zhàn)略需求為導向，明確指出了高等學?？平虅?chuàng)新體系建立的重要性，基礎理論的學習是其中很重要的一個環(huán)節(jié)。

金屬工藝學是高等學校工科機械類和近機械類專業(yè)必修的基礎專業(yè)課，課程特點是實踐性、應用性和綜合性很強［13］。通過本課程的學習，學生可以了解和掌握金屬材料、熱處理、壓力加工、鑄造、焊接、金屬切削加工等加工成型工藝。使學生掌握金屬材料的性能、化學成分、內部組織結構之間的關系及其變化規(guī)律［4］，為其學習其他相關專業(yè)課程及以后的工程實踐奠定必要的基礎。結合應用型本科獨立學院的人才培養(yǎng)定位和金屬工藝學課程特點，采用線上線下混合式教學，把湖南省工程訓練大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等內容結合起來，建立智慧樹翻轉課堂，建立答疑群，修改課程教學大綱?；诖耍疚奶岢隽嘶趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的金屬工藝學教學改革與實踐。

一、金屬工藝學教學現狀

金屬工藝學的學習對象是機械專業(yè)大一的學生，進入大學第一年，沒有一定的機械專業(yè)知識做基礎，學生普遍反映學起來比較費勁，這是學生的專業(yè)背景缺少造成的。金屬工藝學是材料類的一門專業(yè)基礎課，金屬工藝學具有專業(yè)概念多、理論多、學習內容多、理論性與實踐性都很強的特點，并且很多專業(yè)概念都是微觀層面的，學生想象不出來，自然也理解不了。目前，該課程的授課學時進一步壓縮，教師為了完成授課內容，課堂上以講授為主，課程理論性和實踐性強，學生缺乏相應工程實踐經歷，僅僅通過課堂講授和課下復習很難把知識點理解透徹，造成部分學生學習積極性不高。

二、創(chuàng)新能力培養(yǎng)金屬工藝學課程教學改革

（一）課程資源建設

選用武漢理工大學出版社出版，羅繼相、王志海主編的國家級精品教材，而同步上線的金屬工藝學慕課MOOC課程是國家精品在線課程，經過近幾年的持續(xù)上線，學習對象反映評價好。所以，好的教材、優(yōu)秀的學習視頻是學生課程學習的基礎。在金屬工藝學內容編排中，傳統(tǒng)的加工方法介紹了很多，在現代社會中，有的加工成型方法已經很難再找到蹤跡，學生在課堂上學到的工藝方法，離開課堂以后也找不到它的用武之地［5］。所以強調金屬工藝學的課堂講授內容要與時俱進，把最新的材料成形技術激光加工、電火花加工、柔性增材制造技術等引入教材，在備課時，要認真精選金屬材料成型中的鑄造、焊接、鍛造、壓力加工的講解視頻，使學生能

夠理解復雜的工藝流程。材料微觀層面的結構要借助儀器進行觀察分析，授課老師要帶領學生認識先進的材料分析與檢測設備，為以后進行大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目打基礎。材料微觀組織分析與成分檢測的儀器有金相顯微鏡、掃描電鏡、投射電鏡、能譜儀、傅里葉紅外光譜分析儀、DSC差熱分析儀等，這些儀器要有簡單的講解視頻。將介紹先進的材料檢測儀器與分析科研期刊論文統(tǒng)一起來，比如馬帥［5］鐓粗變形對100Cr6鋼組織和硬度的影響，發(fā)表在學術期刊上的論文有用到金相顯微鏡獲取100Cr6鋼的顯微組織，用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析試樣的組織淬火馬氏體與少量的黑色組織，重點給學生講解掃描電鏡的結構與成像原理。把授課老師做科研項目的經歷與課堂教學緊密結合起來，讓學生明白以后如何來操作金相顯微鏡、掃描電鏡，為以后的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目打下堅實的基礎。

（二）引入虛擬現實教學

金工實習是機械專業(yè)學生的必修課，每個學生都要參加，并且還要親自動手去操作實踐。通過為期4周的實習，理解鉗工、焊接、鑄造、金屬切削加工等方面的成型工藝，不僅要了解工藝原理，還有掌握常見的機床、磨床、銑床的操作流程，養(yǎng)成嚴謹與安全的工作作風，為以后的理論教學奠定基礎。但是金屬工藝學與金工實習間隔一段時間，學生會忘記以前實習接觸的內容，理論學習仍然比較費力。多媒體教學通過把與金屬工藝學相關的動畫、視頻和生產錄像帶入課堂，使復雜的金屬加工變得直觀。虛擬現實可以模擬出逼真的實際環(huán)境，學生可以與這種虛擬環(huán)境交互，實現學習和技能培訓，交互性和沉浸感都很強，能夠提高學習的靈活性［6］。因此，將傳統(tǒng)教學模式與虛擬現實結合起來，可實現金屬工藝學教學模式的突破。鑄造工藝在實際工業(yè)生產中，因為鐵水的溫度大約有1500℃，并且還有熱輻射，去現場給學生講解鑄造工藝肯定不符合實際情況。那么，虛擬仿真教學就能很好地解決這一問題。在學生完全理解鑄造工藝基礎上，有針對性地進行線上視頻課程講解，要在有限的時間內串聯(lián)起充型、凝固、收縮、變形、裂紋等概念，方法就是針對具體零件進行案例剖析，用虛擬仿真的動畫和圖片結果直觀展示課程重點知識及其關聯(lián)性，學習效果好。學生學習鑄造工藝就像看電影一樣，印象深刻，學習效率高，能結合畫面、聲音、顏色與環(huán)境，實現知識的理解與掌握，從而較好地完成教學目標。

（三）開展討論式教學，為師生交流提供渠道

金屬工藝學課堂教學中，基本概念、基本理論、常見的實驗方法要認真細致地講解，培養(yǎng)學生的想象與理解能力，做到理論與實踐相統(tǒng)一、知識原理與工業(yè)運用相統(tǒng)一。材料的結構決定材料性能，性能決定使用用途。比如講授鍛造工藝時，先介紹自由鍛的概念，具有操作設備簡單、通用性大、成本低等特點，分為鍛造前坯料的準備、坯料的加熱、鍛造溫度。自由鍛工序分為基本工序、輔助工序、輔助工序和修整工序。講解完自由鍛后，對比講解模鍛，模鍛對工人技術要求高，鍛件尺寸精確，模鍛價格高，需要專門設備，這樣學生很容易就能理解自由鍛與模鍛的區(qū)別。在課堂討論中，結合大國工匠的視頻，與學生討論航空工業(yè)上的專用軸承，首先要把大型坯料加熱保溫，然后取出鍛造，采用自由鍛，一邊鍛造，一邊轉動軸承坯料，其目的是破碎組織的碳化物，使材料組織分布均勻，鍛造能明顯提高材料的力學性能，提升坯料加工制造成軸承的使用壽命。長期以來，知識對分講解能訓練學生的理論聯(lián)系實際的能力，提高學生對于教材知識的理解。課堂討論問題能夠訓練學生的語言組織能力，為以后做工程訓練競賽做準備。

（四）授課老師自己做科研的經歷，引導學生關注學科學術前沿

授課老師每年都會寫各類科研項目申報書、教學改革的申報書，而大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目也需要學生自己寫項目申報書，而每次與學生交流時，有的學生感覺無從下手，或者說寫了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)申報書，但是對于要研究什么問題，怎么來進行研究，如何準備實驗方案，都沒有在申報書中說清楚，申報書報到學院后，評審結果公布，最后沒能成功立項。針對這種情況，老師每次在授課時，都會有針對性地對學生進行講解，要想把自己的想法轉變成科研的價值問題。那么，首先要閱讀大量的學術期刊論文，學院的圖書館都可以免費下載，看別人做了哪些方面的研究，解決的哪些問題。結合教材，查找哪些科學研究問題還沒有解決，從而找到科學研究問題。其次，研究內容要細致，要找一個比較具體的點深入下去，比如你要研究軸承鋼的熱處理工藝，這個選題就比較寬泛，要具體表明研究軸承鋼的熱處理工藝中的淬火、回火、正火、退火中的哪一種，要進一步細化熱處理工藝。學生可以選淬火對軸承鋼的硬度與力學性能的影響，那么這就是一個比較好的選題。最后，就是準備實驗材料與實驗方案了，實驗數據如何來獲取，用哪些儀器獲取，如何分析數據。最后，就是把這個研究過程用語言表述清楚，就完成了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目申報書。

去年在長沙學院舉辦的湖南省工程訓練大賽，就是無碳小車來完成規(guī)定的運動，競賽前期，需要團隊成員在老師的指導下完成無碳小車材料的選取，既要考慮材料的價格，又要考慮材料的重量與加工制造的難易程度，綜合考慮后確定材料，用UG進行無碳小車的三維模型結構設計，結構設計可行后，還要把無碳小車實物做出來，安裝調試。通過工程訓練競賽，鍛煉了學生的材料選取、機械制圖、三維建模、寫設計說明書和匯報展示的能力。參加工程訓練競賽，可以全方面地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，做到材料理論與實際應用的完美結合。

（五）創(chuàng)新課程學生考核與評價體系

金屬工藝學考試成績占70%，平時成績占30%。平時成績由3部分組成，建立智慧樹翻轉課堂，每次上課內容提前發(fā)布預習任務，需要在智慧樹上完成視頻學習任務，在規(guī)定的時間內完成，平臺后臺能清楚地記錄每個學生的學習時長、學習互動情況。完成在線學習打卡這一環(huán)，占平時成績的10%。建立課后答疑群，針對學生上課時不懂的知識點，學生可以提問，老師有空的話，可以及時解決學生疑問。每次的作業(yè)完成情況占平時成績的10%，上課考勤占平時成績的10%。借助線上線下的混合式教學，有效補充了課程學時短的問題，在線視頻學習能幫助學生理解一些簡單的概念，對于比較難的知識，在課上進行有針對性的講解，極大地提高了課堂授課的效果。

（六）開展科技報告講座，增加機械專業(yè)學生就業(yè)競爭力

常德市機械制造產業(yè)是千億產業(yè)鏈，常德高新區(qū)與經開區(qū)聚集了包括三一重工、中聯(lián)重科、中國煙草機械、三特機械、響箭重工等一批大型機械企業(yè)，為學院開展校企合作提供了平臺，每年學院都會組織機械專業(yè)大二的學生在暑假期間集中去企業(yè)進行參觀實習，了解機械制造的各個生產流程。通過實地參觀，了解機械產品的加工制造過程，參觀回來后，要求每個學生做實習記錄。而機械企業(yè)每年也會邀請學院機械專業(yè)教授講授技術層面的科技報告，針對企業(yè)遇到的技術難題，積極開展“博士教授沅澧行”，按照教授博士科研專長分成若干個小組，以團隊形式積極與企業(yè)溝通交流，解決了很多的產品技術問題。形成科研成果后，學院每學期也會邀請企業(yè)技術總工程師來學院開設學術報告講座，把學院教授一起聯(lián)合攻關企業(yè)產品遇到的問題，解決問題，形成發(fā)明專利、學術論文的過程，講給學生聽。報告結束后，針對學生的提問，企業(yè)總工程師也會與機械專業(yè)學生交流，這樣，學生能更好地理解機械專業(yè)知識，更好地理解金屬工藝學在機械專業(yè)中的重要性，提升學生學習金屬工藝學的熱情。而機械生產制造的過程就是零件成型加工的過程，把一個個合格的機械零件裝配成機械產品，再通過機械檢測與調試，機械產品就可以流通到市場進行銷售。

等學生到大四時，經過3年時間學習機械專業(yè)知識，具備了選取機械工程材料、材料成型的幾種成型工藝、機械制造、機械設計、零件三維建模等核心素養(yǎng)，具備了從事機械行業(yè)的各種能力，經過前期金屬工藝學的教學改革，提高了學生的機械知識基本功，提升了學生的就業(yè)競爭力。2023年大四機械專業(yè)的學生就業(yè)情況極好，超過85%以上的就業(yè)率。

結語

機械制造業(yè)是國家支柱產業(yè)，經濟帶動性強，輻射人群廣。而金屬工藝學是機械類專業(yè)和材料類的基礎專業(yè)課，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力中起著關鍵作用。課程建設是一個長期的過程，只有改革時，沒有完成時。圍繞培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與寬廣堅實基礎的機械專業(yè)學生這一課程教學目標，開展“金屬工藝學”教育教學改革，以機械關鍵零部件用金屬材料的加工制造為學習對象，通過多元化教學方法和考核方式改革，才能更好地培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識。

實踐表明，經過金屬工藝學課程改革后，學生對于課程的滿意度明顯提高，現在對于課堂教學有著很強的學習興趣。同時培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識，拓寬了學生的學術視野，特別提高了學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力。這表明通過前述教學改革和實踐，取得了初步的效果，為繼續(xù)推進課程對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定了基礎。

參考文獻：

［1］倪陳強，賀文海.《金屬工藝學》課程教改初探［J］.佳木斯職業(yè)學院學報，2011（2）：159.

［2］倪兆榮.《金屬工藝學》課程教學內容改革的研究［J］.武漢船舶職業(yè)技術學院學報，2002，000（002）：4445.

［3］鄭海忠.基于航空特色化的《金屬工藝學》課程教學改革與探索——以南昌航空大學為例［J］.科技資訊，2010（22）：219.

［4］范超，李芳華，周雄新.《金屬工藝學》教學中存在的問題及解決辦法［J］.廣州化工，2013，041（004）：175176

［5］馬帥，肖良紅，鄭文，等.鐓粗變形對100Cr6鋼組織和硬度的影響［J］.熱加工工藝，2018，47（21）：5760.

［6］馬壯，馬修泉.《金屬工藝學》的教改研究［J］.遼寧工程技術大學學報（社會科學版），2001，03（02）：6970.

項目基金：湖南文理學院芙蓉學院教改項目（項目編號FRjg2122）

作者簡介：馬帥（1992—?），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，研究方向：金屬材料成型與數值模擬。