聶寶華, 陳東初,鄧前軍,胡曉洪,何海英

(佛山科學技術學院材料科學與氫能學院，廣東 佛山 528000)

材料成型與加工課程是材料專業(yè)核心課程，涉及材料熔煉鑄造、鍛造、擠壓、軋制、焊接等方法的基本原理、工藝參數(shù)、設備結構教學內容，具有鮮明的應用性和實踐性、知識點交叉融合等特征[1]。在應用型人才培養(yǎng)導向下，專業(yè)理論課時壓縮，仍然按照以往傳統(tǒng)教學方式，很難完成該課程課堂教學。而且，該課程應用實踐性很強，課程理論教學往往與產(chǎn)業(yè)應用實踐相脫節(jié)，不利于學生應用型創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)[2]。針對課程知識點繁雜、應用實踐強等特征，以地方高校應用型人才培養(yǎng)為導向，筆者從教學設計、教學方法等方面對課程教學進行改革探索，以期加強培養(yǎng)學生專業(yè)素質、工程實踐以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

1 課程教學優(yōu)化

1.1 把握課程內涵，精煉課程知識體系

材料成型與加工涉及的知識點繁多，一般包括熔煉鑄造、鍛造、擠壓、軋制、焊接、粉末成型等方法的基本原理、工藝參數(shù)、設備結構等教學內容，顯然對少課時教學提出了更高的教學要求。梳理課程內涵，精煉課程內容體系是完成課程教學的前提[3]。材料成型與加工的前期理論課程是材料科學基礎，從合金凝固、材料變形組織與性能、材料表界面等材料科學基礎理論出發(fā)，梳理材料液態(tài)成型、塑性成型、粉末成型等知識邏輯。實際上，焊接成型，主要分為熔化焊、固態(tài)焊接，仍然是以材料科學基礎的合金凝固、材料變形組織與性能為理論基礎。因此，在課程教學的縱向坐標中，要以材料科學基礎為先導，梳理課程知識體系(表1)，將材料成型與加工基礎理論講透。例如，在合金液態(tài)成型與熔化焊接成型原理授課中，先講授材料科學基礎中金屬材料凝固組織三大特征、缺陷種類以及影響因素，然后聯(lián)系合金液態(tài)成型的砂型鑄造、金屬鑄造、焊接母材、焊接熱循環(huán)等參數(shù)，分析液態(tài)成型與熔化成型組織與性能特點，進而闡述材料成型與加工基礎理論。在課程教學橫向坐標中，以材料成型與加工基礎理論、工藝方法為核心，重點講授砂型/金屬型鑄造、擠壓、軋制、電弧熔化焊接、粉末冶金成型等基本理論與工藝方法設計，再介紹材料成型與加工設備結構，達到課程基礎理論、工藝方法、設備結構等模塊教學。

表1 材料成型與加工知識體系Table 1 Knowledge system of material forming and processing

1.2 緊扣學科前沿、工程實踐，豐富課程教學內容

隨著科學技術迅速發(fā)展，材料成型與加工新技術新工藝不斷涌現(xiàn)。結合課程教學內容，有機融入學科前沿最新技術工藝(表1)，主要包括：激光熔化/粉末粘結增材制造、超細晶材料加工(大應變、低溫軋制)以及焊接計算機模擬。在理論教學中，應該及時補充相關最新動態(tài)，拓展學生前沿科學視野，及時把握材料成型與加工領域的最新動態(tài)。在講授前沿進展時，可采用教師引導+學生翻轉課程模式，圍繞增材制造、超細晶材料加工、焊接計算機模擬等方面，將學生分為若干個學習團隊，開展文獻調研、PPT制作、課程授課等學習環(huán)節(jié)，強化學生對材料成型與加工前沿技術學習能力。

同時，課程教學與材料加工產(chǎn)業(yè)工程實踐緊密聯(lián)系。該課程實踐性很強，僅僅通過課堂理論教學往往容易與工程實踐脫節(jié)。在講授材料成型與加工基本理論與工藝方法后，補充材料加工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)工藝(表1)，促進產(chǎn)學深度融合，提高學生生產(chǎn)實踐能力。在講授材料液態(tài)成型、塑性成型、焊接成型、粉末成型等模塊時，相應地介紹大尺寸鋁合金熱頂鑄造工藝、鋼鐵材料連鑄連軋工藝，寬幅薄壁鋁合金型材擠壓、鋁合金厚板軋制工藝，航空鋁合金激光焊接、汽車鋁合金電池托盤攪拌摩擦焊接工藝以及航空發(fā)動機渦輪盤粉末成型等工業(yè)生產(chǎn)過程，讓學生理解課程理論與工業(yè)化生產(chǎn)區(qū)別與聯(lián)系，進而提高學生課程學習的積極性與有效性。

2 教學方法探索

2.1 線上線下混合式教學

材料成型與加工課程知識點繁雜，教師無法針對每一個知識點進行講解，而且不能掌握每個學生學習情況，不利于課程教學。采用“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術，將慕課等課程教學資源，融入課程教學網(wǎng)絡平臺[4]。學生可以通過課程教學網(wǎng)絡平臺，圍繞未熟練掌握知識點，如合金成分過冷與凝固形態(tài)、材料變形組織演變等，自主學習慕課教學資源，掌握課程相關知識點，促進材料成型與加工課程學習。同時，突破傳統(tǒng)教學手段的局限，建立手機APP、“雨課堂”等教學創(chuàng)新模式，將課程教學融入每位學生的手機等移動設備，倡導移動式學習，無時差課堂反饋以及多變量考核方，提高學生實時自主學習與互動。

2.2 案例教學

在掌握材料成型與加工基本理論與工藝方法后，以分析、解決分離工程問題為導向進行案例教學。筆者選取6000系鋁合金成型與加工工藝設計為案例，分為鋁合金熔煉、金屬鑄造、熱軋、冷軋、固溶時效、激光焊接與攪拌摩擦焊接等七個加工環(huán)節(jié)，將學生劃分為7個小組，要求學生按照材料成型與加工基本理論方法，進行工藝參數(shù)選取、成型結構設計、加工設備選用，完成各個案例研究報告，提高了學生課程理論學習積極性，增強了學生應用相關理論分析解決問題專業(yè)能力，取得較好教學效果。在后續(xù)課程教學中，可以設置若干個研究案例，如鈦合金激光增材制造、鋁合金超細晶材料加工制備、材料計算在成型與加工中應用等，進一步激發(fā)學生課程學習熱情。

針對該課程教學與企業(yè)生產(chǎn)緊密結合特點，涉及到擠壓生產(chǎn)各種工序流程、擠壓設備等，對于學生而言比較陌生、抽象的，不利于課程教授。課程教學首先通過網(wǎng)上共享資源，介紹鋁合金熔煉與鑄造、軋制、擠壓、焊接、表面處理等生產(chǎn)過程(圖1, 圖2)，在課堂上緊密結合企業(yè)生產(chǎn)情況開展課程教學，讓學生對材料成型工藝形成直觀的認識，提高學生產(chǎn)業(yè)實踐能力。

圖1 鋁合金擠壓生產(chǎn)Fig.1 Aluminum alloy extrusion production

圖2 鋁合金表面陽極氧化Fig.2 Anodizing of aluminum alloy surface

以學生為中心，建立以實際材料企業(yè)生產(chǎn)案例，分析的教學方法，提升學生解決復雜工程問題的能力。在課程實際教學過程中，采用與實際生產(chǎn)相關的案例，如汽車用高強耐蝕可焊6082鋁型材生產(chǎn)為例，從合金成分設計、工藝參數(shù)優(yōu)化、模具設計與優(yōu)化、材料組織與性能分析、表面處理等專業(yè)知識體系，以學生為主體，完成方案設計、合理性分析、工藝參數(shù)分析、結果討論與分析、方案反饋、教學改進，形成預習-討論-分析-討論-反饋-改進的閉環(huán)(圖3)，加深專業(yè)知識與材料實際生產(chǎn)融合，提高學生解決實際問題的能力。

圖3 以學生為中心的案例教學設計Fig.3 Student-centered case teaching design

2.3 虛擬仿真教學

基于虛擬仿真技術的課程教學為產(chǎn)教融合課程教學新模式提供有效途徑。虛擬仿真實驗可克服傳統(tǒng)實驗受學校、企業(yè)的空間、時間和管理的弊端，將企業(yè)生產(chǎn)中心搬到課堂，實現(xiàn)產(chǎn)教深度融合的教學模式[5]。近年來，虛擬仿真實驗教學方法可以彌補傳統(tǒng)教學的不足，成為專業(yè)課程實踐教學發(fā)展趨勢[6]。由于材料加工工業(yè)化生產(chǎn)過程的復雜性，學生在課堂教學學習仍然對材料加工過程缺乏清晰的認識。與傳統(tǒng)教學相比，虛擬仿真教學通過虛擬仿真真實工業(yè)化生產(chǎn)過程，而且可以連續(xù)性地再現(xiàn)不可見的材料成型與加工微觀過程。例如，通過虛擬仿真教學，可以動態(tài)顯示鋁合金在不同工藝參數(shù)下擠壓應變、溫度、顯微組織演變過程，讓學生形成直觀認知，加深對材料成型與加工微觀過程及其規(guī)律理解，促進學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

在課程教學時，筆者利用已有材料成型與加工虛擬仿真教學項目，開展了線上虛擬仿真教學。以鋁型材的表面陽極氧化虛擬仿真為例(圖4)，通過虛擬仿真教學，使學生直觀認識鋁型材陽極氧化膜形成的微觀全過程，掌握到常規(guī)陽極氧化實驗無法觀察到多層、多孔的納米尺度的微觀結構特征。尤其是，學生通過課外的虛擬仿真實驗操作，改變鋁型材陽極氧化工藝參數(shù)，直觀觀察不同工藝參數(shù)下的陽極氧化膜的微觀結構特征與腐蝕性能，建立合金工藝-結構-性能的關系；同時，通過演示模型與操作模式相結合，學生可以在虛擬仿真真實場景中開展虛擬材料加工生產(chǎn)實訓，增強學生的高效、可視化課程學習，切實提高學生應用型實踐創(chuàng)新能力。

圖4 鋁型材陽極氧化虛擬仿真Fig.4 Virtual simulation of anodizing foraluminum profile

3 結 語

以應用型人才培養(yǎng)為導向，精煉材料成型與加工課程知識體系，緊密結合學科前沿與工程實踐，優(yōu)化課程教學內容；通過線上線下混合式教學、案例教學、虛擬仿真教學等教學方法改革，提高學生應用專業(yè)知識解決工程實踐問題的能力，培養(yǎng)學生工程實踐創(chuàng)新能力。通過近年來課程教學實踐，在材料成型與加工專業(yè)知識的學習能力、解決工程實踐綜合應用能力等方面取得較好的成效，加深了對材料加工產(chǎn)業(yè)與生產(chǎn)過程的認知，同時提高了學生學習專業(yè)知識積極性。材料成型與加工課程教學體系與方法還需要進一步改進，需要有機結合材料成型與加工實驗課程，做到專業(yè)理論/實驗課程相融相促，避免理論教學與實驗教學脫節(jié)，進一步提高材料成型與加工課程教學質量，培養(yǎng)專業(yè)知識過硬、創(chuàng)新實踐能力強的應用型人才。