“新工科”建設(shè)背景下“焊接理論基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

崔雪鴻 龔冠華 李光豐

摘 要：在新工科建設(shè)背景下，焊接技術(shù)作為推進(jìn)工業(yè)發(fā)展的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，也必然需要進(jìn)行不斷的革新。為了培育大量具備實(shí)踐動手能力和勇于創(chuàng)新精神的高級專業(yè)人才，教學(xué)上合理優(yōu)化課程內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、推廣虛擬仿真模擬實(shí)踐、增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的趣味性，本項(xiàng)目將開放性實(shí)踐課程設(shè)置與工業(yè)上的案例項(xiàng)目實(shí)例、教師的課題研究相結(jié)合，加強(qiáng)校企合作、共建校企聯(lián)合實(shí)踐基地，對課程考核環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，致力于培養(yǎng)出新一代建設(shè)中國特色社會主義接班人。

關(guān)鍵詞：焊接；教學(xué)實(shí)踐；虛擬仿真

中圖分類號：TG4；G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 概述

“新工科”是對傳統(tǒng)工業(yè)的升級改造轉(zhuǎn)型，為了積極應(yīng)對新一輪工業(yè)革命，新興產(chǎn)業(yè)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、多樣化和個性化的“新工科”人才［1］。焊接作為一種先進(jìn)的加工生產(chǎn)技術(shù)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造各行業(yè)。焊接技術(shù)在推進(jìn)工業(yè)日益進(jìn)步和產(chǎn)品技術(shù)銳意改革以及推動國民經(jīng)濟(jì)蓬勃繁榮過程中都發(fā)揮著重要作用。伴隨著新興工業(yè)的發(fā)展，它逐漸從單一的加工工藝演變成為一種涵蓋多學(xué)科交融綜合的工程技術(shù)。

調(diào)研結(jié)果顯示，企業(yè)要求學(xué)生不僅具有焊接操作技能、焊接工藝設(shè)計(jì)能力、焊接設(shè)備的使用和維護(hù)等能力，此外還要求其具備金屬材料科學(xué)與工程等方面的知識，能在工件材料、工件設(shè)計(jì)、焊接材料、焊接技術(shù)和焊接生產(chǎn)流程及自動智能化領(lǐng)域從事研究開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量檢測分析、設(shè)備管理和經(jīng)營生產(chǎn)等工作?！昂附永碚摶A(chǔ)”課程是金屬材料工程專業(yè)的重要核心課程之一，需要以“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“材料力學(xué)”“物理化學(xué)”“熱處理工藝”及“電子電工”課程為前期鋪墊，后期以“焊接結(jié)構(gòu)”“釬焊”“無損檢測”等課程為延伸拓展。為了培育大量具備實(shí)踐動手能力和勇于創(chuàng)新精神的高級專業(yè)人才，教學(xué)上應(yīng)該做到既要注重基礎(chǔ)知識的傳授，也要加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新意識的引導(dǎo)，多增加動手實(shí)踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)科內(nèi)的基本技能。合理優(yōu)化課程內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，推廣虛擬仿真模擬實(shí)踐，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的趣味性，讓教學(xué)過程不再枯燥乏味。將開放性實(shí)踐課程設(shè)置與工業(yè)上的案例項(xiàng)目實(shí)例、教師的課題研究相結(jié)合，開展科研興趣小組，進(jìn)行科研創(chuàng)新，把選課、課程實(shí)踐、專業(yè)訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)相統(tǒng)一，形成“理論基礎(chǔ)體系、應(yīng)用基礎(chǔ)體系、專業(yè)訓(xùn)練體系、科研創(chuàng)新體系”的有機(jī)結(jié)合。

2 教學(xué)中存在的問題

在“焊接理論基礎(chǔ)”課程教學(xué)中，出現(xiàn)了一些非常具有代表性的問題。

2.1 課時(shí)不足

培養(yǎng)方案修訂過程中本課程從開設(shè)之初的64課時(shí)壓縮至54課時(shí)，再調(diào)整到現(xiàn)今為40+8課時(shí)，而且課程內(nèi)容中理論知識和技術(shù)參數(shù)較多，學(xué)習(xí)起來比較枯燥。目前教材選用的是《焊接冶金學(xué)——基本原理》（杜則裕編著），教參和輔助教材較少，焊接前沿相關(guān)知識更新較慢。

2.2 實(shí)驗(yàn)課時(shí)占比不足且實(shí)驗(yàn)種類單一

本課程實(shí)驗(yàn)課時(shí)為8個課時(shí)，設(shè)立的課程實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用鋼種基本都是低碳鋼，與市場實(shí)際需求產(chǎn)生了失配。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足

可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備和工位較少，實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較惡劣，存在強(qiáng)光、噪音、紫外線、煙塵污染，配套的實(shí)驗(yàn)防護(hù)用品不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中也存在一定的安全隱患，從而導(dǎo)致了焊接人才的流失，達(dá)不到原本的培養(yǎng)目的。

2.4 學(xué)科相關(guān)宣傳和引導(dǎo)工作不到位

學(xué)生自身觀念存在誤區(qū)，在傳統(tǒng)觀念上焊接技術(shù)人員經(jīng)常會與體力勞動或“臟苦累”畫上等號，導(dǎo)致很多學(xué)生在動手實(shí)踐過程中存在抵觸情緒。

3 教學(xué)改革措施研究與探索

進(jìn)行教學(xué)改革應(yīng)該從教師自身開始轉(zhuǎn)變，優(yōu)化教學(xué)思路、引進(jìn)新的教學(xué)理念和教學(xué)方法。按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式，備課—講課—復(fù)習(xí)—批改作業(yè)—考試看起來貌似完成了教學(xué)任務(wù)，但是在教學(xué)過程中如果照搬課本內(nèi)容進(jìn)行講授就會很枯燥，學(xué)生注意力無法集中，會失去學(xué)習(xí)主觀能動性。如果增加拓展焊接知識，就會使課時(shí)延長，無法如期完成教學(xué)計(jì)劃。因此在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的過程中，教師不光要有“反思”更要有“行動”，只有二者相互結(jié)合才能更好地完成真正意義上的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。教師在備課和教學(xué)中應(yīng)該認(rèn)真思考教學(xué)目標(biāo)的目的，有意識地圍繞教學(xué)目標(biāo)來改善教學(xué)途徑，豐富教學(xué)質(zhì)量檢測手段，對教學(xué)全程做出精細(xì)化管理，從而提高課堂教學(xué)效果。本項(xiàng)目遵循了以下五個原則：把握學(xué)科重點(diǎn)、緊跟時(shí)代發(fā)展、化枯燥為生動、注重結(jié)合實(shí)踐、加強(qiáng)引導(dǎo)激勵，分別對應(yīng)了教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)手段改革、實(shí)踐環(huán)節(jié)改革、考核環(huán)節(jié)改革以及融入課程思政教育。

3.1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

3.1.1 制訂優(yōu)化教學(xué)方案

在優(yōu)化教學(xué)方案的過程中，首先熟悉和貫徹執(zhí)行教學(xué)大綱，其次深入研究教材，根據(jù)教材內(nèi)容的內(nèi)部邏輯聯(lián)系來制定教學(xué)重點(diǎn)。但是不能忽略學(xué)生在作為教學(xué)對象的同時(shí)也是教學(xué)的主體，作為教師，我們必須全面了解學(xué)生的情況。教材中的一些基礎(chǔ)知識（如熔池凝固、固態(tài)相變、熔渣化學(xué)冶金反應(yīng)和焊接溫度場等），這一類教材中的基本概念、基本原理、基本定律和公式等內(nèi)容是必須要求全員掌握的知識，在教學(xué)過程中必須將其作為重點(diǎn)，并采用“由淺入深、循序漸進(jìn)”的教學(xué)方式進(jìn)行講授。而對于一些學(xué)科內(nèi)的基本技能（如焊接缺欠與焊接缺陷的評級方法、超標(biāo)缺欠的返修工藝、形成氣孔的影響因素及防止措施等），也就是應(yīng)用基礎(chǔ)知識去完成某些實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`操作的能力，對于不同基礎(chǔ)的學(xué)生來說是不能同步達(dá)到理想教學(xué)效果的，但恰好這類基本技能是在我們學(xué)科學(xué)習(xí)中最需要重視和掌握的。因此，在教學(xué)過程中，我們應(yīng)該結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，有針對性地增加部分學(xué)生的參與練習(xí)、實(shí)踐的機(jī)會或調(diào)整部分學(xué)生參與練習(xí)、實(shí)踐的方法方式，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

3.1.2 教學(xué)內(nèi)容更新和補(bǔ)充

現(xiàn)代焊接技術(shù)最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末，是一種以加熱、加壓或者二者并用的方式形成永久性接頭的連接技術(shù)。焊接技術(shù)的發(fā)展史基本上也是焊接新型熱源的開發(fā)研究發(fā)展史，從最早的弧焊、氧炔焊、電阻焊到20世紀(jì)早中期的手弧焊、埋弧焊、電渣焊，再到20世紀(jì)下半葉新型的超聲波焊、摩擦焊、爆炸焊、激光焊、太陽能焊和電子束焊接?！靶鹿た啤北尘跋?，焊接技術(shù)走向高精度、高智能化、高自動化和高速高效節(jié)能化。比如，微型焊接在微電子工業(yè)的應(yīng)用；水下特種焊接在石油化工、鉆井平臺、船舶業(yè)的應(yīng)用；空間特種焊接技術(shù)在航空、航天行業(yè)的應(yīng)用；焊接機(jī)器人在汽車制造業(yè)自動生產(chǎn)流水線上的應(yīng)用；焊接工件從傳統(tǒng)黑色金屬、有色金屬拓展到陶瓷材料和復(fù)合材料。焊接知識的學(xué)習(xí)也應(yīng)該相應(yīng)的更新迭代，在教學(xué)內(nèi)容中補(bǔ)充最新研究成果，增加工程實(shí)例講解，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注焊接新工藝、新設(shè)備，保證教學(xué)內(nèi)容的新穎性和先進(jìn)性，這樣不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能挖掘?qū)W生自主學(xué)習(xí)的動力［2］。如本課程選取的案例：遼寧艦上國產(chǎn)的飛機(jī)攔阻索，增進(jìn)了民族技術(shù)自信和自豪感；為火箭焊接“心臟”的航天特種熔融焊接大國工匠高鳳林，體現(xiàn)了為國奉獻(xiàn)的大無畏精神；港珠澳大橋獲得了國際焊接學(xué)會“Ugo Guerrera Prize”獎，這是國際焊接的最高獎項(xiàng)。焊接技術(shù)采納了機(jī)器人焊接、免涂裝特種鋼焊接等，體現(xiàn)了我國先進(jìn)自動化焊接水平，為我們焊接領(lǐng)域起到了示范引領(lǐng)作用。活生生的案例，言傳身教比照本宣科宣科更能震撼心靈，由講知識到樹立、實(shí)現(xiàn)理想，于細(xì)微處見大道，養(yǎng)成正確的愛黨愛國愛民的人生觀、價(jià)值觀、世界觀［3］。

3.2 教學(xué)手段改革

在大眾認(rèn)知中，焊接行業(yè)一直都貼著“臟苦累”的標(biāo)簽。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，比較惡劣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境就阻止了學(xué)生深入學(xué)習(xí)的熱情。為了達(dá)成提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效目標(biāo)，教師引入虛擬仿真焊接教學(xué)手段，部分取代實(shí)際焊接操作，利用互聯(lián)網(wǎng)軟件模擬和設(shè)備模擬焊接過程中的熱循環(huán)曲線、焊縫成形效果、應(yīng)力分布圖，各種材料在不同焊接過程中獲得的金相組織和構(gòu)成、不同焊接參數(shù)對焊后質(zhì)量評估。通過采用仿真模擬教學(xué)，可以達(dá)到如下效果：（1）緩解設(shè)備使用壓力，改善教師人員與學(xué)生配備比例。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作中，基本上要采用一對一的講解模式，從而設(shè)備和師生比壓力都非常大。引入仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了師生間點(diǎn)對面的指導(dǎo)與考核，提高了教學(xué)效率，同時(shí)削減了焊接材料的消耗和對環(huán)境的污染。此外，仿真實(shí)驗(yàn)中可以彌補(bǔ)一些高成本先進(jìn)設(shè)備的空缺，如自動焊、激化焊、電子束焊和焊接機(jī)器人等，使學(xué)生能在虛擬環(huán)境下學(xué)習(xí)新型焊接技術(shù)。（2）改善學(xué)生焊接操作體驗(yàn)。由于焊接過程中存在強(qiáng)烈弧光，需要操作者全程佩戴面罩，操作者難以觀察熔池狀態(tài)，如熔池大小，液態(tài)金屬流動攪拌狀態(tài)、熔池位置是否出現(xiàn)偏移；同時(shí)給掌握操作要領(lǐng)帶來難度，如平焊中的引弧、運(yùn)條、收弧操作。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，排除了強(qiáng)光干擾，有利于教師講授分析焊接原理和學(xué)生反復(fù)熟練操作，提高了教學(xué)效果。（3）提高安全性。焊接過程中難以避免高溫飛濺、強(qiáng)烈弧光、煙塵和紫外線污染，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，盡管指導(dǎo)教師屢次強(qiáng)調(diào)安全問題，仍有可能發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故。在經(jīng)過仿真虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)先培訓(xùn)后，降低了一些操作事故的發(fā)生；引入互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)上教學(xué)，解決無法進(jìn)行線下教學(xué)的特殊情況。如運(yùn)用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺資源，本課程就利用了其中的浙江師范大學(xué)的大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上課程和哈爾濱理工大學(xué)的典型壓力容器的焊接生產(chǎn)制造過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上課程。

3.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)改革

3.3.1 縮減原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例，增加創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可結(jié)合工程實(shí)踐，基于工程實(shí)際案例，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識［4］。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可以是教師科研成果或科研項(xiàng)目向?qū)嵺`教學(xué)的轉(zhuǎn)化，引導(dǎo)學(xué)生參與指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目和課題，融合各項(xiàng)交叉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，綜合體現(xiàn)在學(xué)生的畢業(yè)論文工作中。增補(bǔ)多種材料焊接方法和焊接技能培訓(xùn)，如焊接機(jī)器人的編程操作，不銹鋼同種或異種焊接、鋁銅合金焊接，材料不再局限于低碳鋼，焊接方法也更多樣化。同時(shí)繼續(xù)推進(jìn)開放式實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)生根據(jù)市場需求自行選擇實(shí)驗(yàn)課題，開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，大大提高了開放實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備利用率。同時(shí)為了緩解開放性實(shí)驗(yàn)帶來的經(jīng)費(fèi)壓力，鼓勵組織學(xué)生參加各項(xiàng)大賽［5］。本項(xiàng)目實(shí)踐實(shí)施中就獲得了兩項(xiàng)國家級和一項(xiàng)區(qū)級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，以賽促學(xué)，以賽促教，讓學(xué)生參與焊接技術(shù)創(chuàng)新，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、焊接操作與工程能力，提高科研素養(yǎng)。

3.3.2 加強(qiáng)校企合作

從企業(yè)中吸納專業(yè)熟練的技術(shù)操作人員來校授課講解，高校教師深入企業(yè)內(nèi)部調(diào)研，扎進(jìn)生產(chǎn)第一線［6］，進(jìn)行輪崗掛職，全面提升師資力量，建設(shè)“雙師型”專業(yè)教師隊(duì)伍。利用企業(yè)的設(shè)備和技術(shù)優(yōu)勢、改善實(shí)踐教學(xué)條件，共建校企聯(lián)合實(shí)踐基地，聯(lián)合企業(yè)開展項(xiàng)目式教學(xué)，一方面提升學(xué)生實(shí)踐綜合能力，另一方面可以將產(chǎn)業(yè)鏈中存在的實(shí)際問題作為教學(xué)研究內(nèi)容，能切實(shí)解決企業(yè)技術(shù)開發(fā)關(guān)卡和生產(chǎn)難題。

3.4 考核環(huán)節(jié)改革

為適應(yīng)配合焊接教學(xué)改革，考核環(huán)節(jié)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。對于教學(xué)改革而言，作業(yè)既是一次教學(xué)全流程的最終環(huán)節(jié)，也是考核教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)。相對比一堂課中教與學(xué)的案例分析研究，一份作業(yè)完成情況的案例分析更能夠體現(xiàn)教師的教育觀念、教育過程以及教育成果。因此，在考核環(huán)節(jié)中加大了平時(shí)成績的比重，通過學(xué)生每次作業(yè)完成情況，來檢驗(yàn)學(xué)生知識掌握程度，同時(shí)也檢驗(yàn)教師的教學(xué)質(zhì)量情況。本課程在實(shí)踐考核環(huán)節(jié)增加了焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集中進(jìn)行載人承重展示，極大地增強(qiáng)了挑戰(zhàn)性和趣味性。增加階段性考核環(huán)節(jié)，按照焊接知識脈絡(luò)構(gòu)成分版塊考核學(xué)生掌握理論知識和實(shí)踐的能力，如在焊接結(jié)構(gòu)缺陷分析時(shí)，綜合理論和樣品實(shí)際測試分析對比。如右圖所示，焊接缺陷少的樣品即使經(jīng)過長時(shí)間錘擊測試，樣品彎曲變形，但是焊縫處并未脫焊，而有些樣品卻直接發(fā)生了脫焊。在期末考試中，壓縮甚至取消了客觀題型，以綜合應(yīng)用的主觀題型為主，加入融合性試題或?qū)嶋H案例分析設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)學(xué)生綜合運(yùn)用能力。

焊接樣品錘擊測試圖

結(jié)語

經(jīng)過近三年的改革探索實(shí)踐，學(xué)生的主觀能動性、團(tuán)隊(duì)合作意識有所改善，焊接設(shè)備利用率提升，焊接課程教學(xué)效果良好，學(xué)生從事焊接行業(yè)的認(rèn)同感和意愿增強(qiáng)。同時(shí)教學(xué)相長，教師能不斷地提升自身綜合教學(xué)能力，新的教學(xué)模式展現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐震霖，方俊飛，楊磊，等.新工科背景下焊接技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革［J］.科技視界，2021（05）.3536.

［2］許惠斌，伍光風(fēng)，楊棟華.課程焊接冶金學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革探索［J］.山東化工，2017（20）：152153.

［3］費(fèi)蘭蘭.“大思政”格局下高校實(shí)踐育人模式的探索與實(shí)踐［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2023（05）：8285.

［4］岳麗杰，曹梅青，夏鵬成，等.金屬材料專業(yè)的焊接實(shí)踐課程教學(xué)改革［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2020（01）：6164.

［5］高黨尋，姚啟明，彭世廣，等.焊接實(shí)踐教學(xué)改革的實(shí)施路徑探析［J］.湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（04）：6568.

［6］潘婷婷.“1+X”制度下計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)（大數(shù)據(jù)方向）協(xié)同育人培養(yǎng)模式［J］.科技風(fēng)，2023（12）：5052.

基金項(xiàng)目：2019年廣西民族大學(xué)教改項(xiàng)目（2019 XJGY41）；2022年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2022KY0150）

作者簡介：崔雪鴻（1984— ），女，湖北黃岡人，博士，廣西民族大學(xué)材料與環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事金屬材料加工工程研究。