仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法在《材料成形工藝》課程中的應(yīng)用

孫海波 王敬慧 羅杰 陳東初

摘要：對仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法在《材料成形工藝》課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。針對教學(xué)內(nèi)容，基于有限元分析軟件，課程中引入仿真模擬計(jì)算結(jié)果，有利于學(xué)生快速進(jìn)入教學(xué)情境，充分理解材料成型過程及其工藝參數(shù)影響規(guī)律等相關(guān)知識，有助于啟發(fā)學(xué)生積極思考，增加教學(xué)趣味，提高了學(xué)生對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣，利于教學(xué)質(zhì)量的提升。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；仿真模擬；《材料成形工藝》

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0215-02

《材料成形工藝》課程是材料類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課之一，其教學(xué)內(nèi)容具有知識點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)[1，2]。以金屬材料方向?yàn)槔?，要求學(xué)生掌握鑄造、鍛造及其熱處理工藝、焊接及粉末冶金等成型方法[3]，以為學(xué)生日后從事材料類工作和科研奠定知識儲備。近年來，鑒于工科材料類專業(yè)的學(xué)生規(guī)模，企業(yè)基于對安全生產(chǎn)的考慮，認(rèn)識實(shí)習(xí)安排時(shí)間非常有限，多以參觀（按生產(chǎn)流程）為主，學(xué)生難以深入理解課堂所學(xué)的理論知識[4]。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，仿真模擬技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5，6]。為此，針對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)欠缺的學(xué)生，《材料成形工藝》課程中采用仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法，對充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、提升教學(xué)質(zhì)量起著重要的積極作用。

一、基于仿真模擬的教學(xué)導(dǎo)入法簡介

教學(xué)導(dǎo)入法是指利用環(huán)境、設(shè)備、音樂、視頻等各種手段，形成一種適于教學(xué)所需氛圍，激發(fā)學(xué)生興趣和思維，以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的方法[7]。教學(xué)導(dǎo)入法在課程教學(xué)中可以通過懸念、問題、情境、實(shí)驗(yàn)和實(shí)例等導(dǎo)入法來提升教學(xué)質(zhì)量。基于仿真模擬的導(dǎo)入法是在情境和實(shí)例導(dǎo)入法的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇并展示適當(dāng)?shù)姆抡婺M實(shí)例及其結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)知識，啟發(fā)思考，以便引入新的概念和原理。鑒于此，本文將以平流鑄造和連續(xù)鑄造工藝為對象，介紹基于仿真模擬的教學(xué)導(dǎo)入法在《材料成形工藝》課程中的應(yīng)用。

二、仿真模擬在鑄造工藝教學(xué)中的應(yīng)用

1.平流鑄造工藝。平流鑄造工藝是當(dāng)前工業(yè)制備非晶軟磁材料常用的快速凝固技術(shù)之一，其具有熔池尺寸?。s5mm）、液態(tài)金屬冷速大（約106℃/s）且銅輥轉(zhuǎn)速快（約25m/s）等特征[8]，學(xué)生難以理解該工藝中的物理行為及其工藝參數(shù)影響規(guī)律。為此，在講述該知識點(diǎn)時(shí)，將平流鑄造過程采用如圖1所示的動畫形式展示在學(xué)生眼前。不同時(shí)刻下，金屬液態(tài)分率分布圖演示了平流鑄造工藝中熔潭形成和穩(wěn)定過程的變化特征?；诖?，課程中還可以補(bǔ)充講述不同流量、不同結(jié)晶器轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)下熔潭的行為特征，以促進(jìn)學(xué)生對現(xiàn)場工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的深入理解。

2.連續(xù)鑄造工藝。在連鑄過程中，由于其具有現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜且為高溫條件、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測手段缺乏及不可視等特征，仿真模擬一直是學(xué)習(xí)和研究連鑄工藝的重要途徑[9]。以連鑄中間包為例，其作為分流穩(wěn)壓設(shè)備的同時(shí)，還兼具有去除鋼液中夾雜物的重要冶金功能。為了讓學(xué)生深入理解這一冶金功能，如圖2所示，將中間包內(nèi)典型夾雜物（直徑為50μm）的運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容里。在此基礎(chǔ)上，課程中還對比了不同中間包內(nèi)壩和堰的位置以及尺寸條件下中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)、夾雜物的停留時(shí)間，學(xué)生可以充分理解中間包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論知識。

三、結(jié)語

對仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法在《材料成形工藝》課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和討論，其主要具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢。

1.仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法提高了教學(xué)安全性。

2.仿真模擬教學(xué)內(nèi)容是材料成型理論教學(xué)的有力補(bǔ)充，并利于材料類學(xué)生進(jìn)一步深入理解認(rèn)識和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的相關(guān)實(shí)踐知識。

3.在課堂教學(xué)過程中，仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法利于學(xué)生回顧已學(xué)知識，并快速理解相關(guān)理論的應(yīng)用，提高教學(xué)效率。

4.仿真模擬教學(xué)導(dǎo)入法增加了教學(xué)趣味，活躍了課堂氣氛，利于學(xué)生對專業(yè)課學(xué)習(xí)興趣的提高，也利于學(xué)生創(chuàng)新思維和意識的啟迪。

綜上可見，工科材料類專業(yè)基礎(chǔ)課具有知識點(diǎn)多、分散且邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，若想在有限教學(xué)時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生快速理解和掌握課程內(nèi)容，教師應(yīng)不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)教學(xué)方法和手段。

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