基于新工科建設(shè)的“鑄造工藝學(xué)”課程改革探索

摘 要：近年來鑄造產(chǎn)業(yè)向著信息化智能化方向迅猛發(fā)展，鑄造企業(yè)高技術(shù)人才缺口越來越大，而高校傳統(tǒng)鑄造工藝教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式難以適應(yīng)企業(yè)需求。為了滿足“新工科”建設(shè)要求，培養(yǎng)適應(yīng)傳統(tǒng)鑄造行業(yè)改造升級(jí)的新型工程科技人才，本文結(jié)合江蘇大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)鑄造方向人才培養(yǎng)的實(shí)際情況，分析鑄造工藝課程教學(xué)面臨的普遍突出問題，并從“線上線下”相結(jié)合的教學(xué)模式、構(gòu)建鑄造工藝虛擬教學(xué)平臺(tái)、將教學(xué)內(nèi)容與課外實(shí)踐相結(jié)合、建立合理的評(píng)價(jià)體系四個(gè)方面，詳細(xì)闡述了江蘇大學(xué)對(duì)“鑄造工藝學(xué)”課程進(jìn)行的改革探索，旨在提高學(xué)生的積極主動(dòng)性，有效地理解和掌握鑄造工藝設(shè)計(jì)理論知識(shí)，提升學(xué)生工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，為學(xué)生學(xué)好這門課程提供積極探索并積累有益經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鑄造工藝學(xué);教學(xué)探討;材料成型

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】]A

鑄造工藝學(xué)是目前國內(nèi)高校材料成型及控制工程專業(yè)普遍開設(shè)的一門專業(yè)課程，其教學(xué)目標(biāo)是為了使學(xué)生了解和掌握鑄造工藝設(shè)計(jì)的基本理論、方法和原則，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決鑄造工藝設(shè)計(jì)問題的能力[1]。因此，鑄造工藝學(xué)是一門既具有一定理論性又具有很強(qiáng)的工程性與實(shí)踐性的課程。該課程包括了三部分：金屬-鑄型界面作用;造型材料與造型工藝;鑄造工藝與工裝。鑄造工藝學(xué)課程是成型專業(yè)鑄造方向?qū)W生掌握鑄造基本原理方法，進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[2]。但是，該課程內(nèi)容繁雜，單純的課堂教學(xué)效果差，且教學(xué)內(nèi)容較為陳舊，難以適應(yīng)新工科建設(shè)要求。

一、教學(xué)過程中存在的問題

長期以來，鑄造工藝學(xué)課程始終以課堂教學(xué)為主，隨著多媒體教學(xué)的興起，視頻、動(dòng)畫等多媒體教學(xué)方式逐步取代了板書[3]，在一定程度上幫助學(xué)生更清晰的認(rèn)識(shí)鑄造工藝方法及其內(nèi)在原理。但是，教學(xué)效果仍不理想，特別是新工科建設(shè)要求提出后，鑄造工藝學(xué)作為一門重要的專業(yè)課程，必須做出適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)對(duì)鑄造人才的需求。具體而言，鑄造工藝學(xué)課程教學(xué)中存在如下問題：

（1）教學(xué)內(nèi)容多而且較為陳舊

目前，大多數(shù)高校仍以1998年機(jī)械工業(yè)出版社出版的《鑄造工藝學(xué)》作為授課教材，教材內(nèi)容主要圍繞砂型鑄造進(jìn)行介紹，盡管內(nèi)容全面，基礎(chǔ)理論介紹系統(tǒng)。但是，教材內(nèi)容中鑄造工藝設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容以抽象的公式和參數(shù)選擇為主，學(xué)生不易理解。且目前實(shí)際生產(chǎn)中鑄造工藝多依靠數(shù)值模擬優(yōu)化參數(shù)和工藝方案，教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)。更重要的是，經(jīng)過幾十年的研究，鑄造工藝及缺陷相關(guān)理論已有新的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)當(dāng)再拘泥于傳統(tǒng)教材。

（2）教學(xué)模式較為單一枯燥

目前課堂教學(xué)已基本由PPT 多媒體教學(xué)代替了原來板書教學(xué)模式，以視頻和動(dòng)畫的形式解釋鑄造過程及相關(guān)原理，在一定程度上豐富了教學(xué)形式。但是，在多媒體技術(shù)快速發(fā)展的今天，上述形式已經(jīng)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，多媒體教學(xué)還存在放映速度太快的問題。教師在使用多媒體進(jìn)行課堂教學(xué)過程中，往往以自己的講解節(jié)奏進(jìn)行，而PPT 放映結(jié)束后，學(xué)生再無法看到相應(yīng)內(nèi)容，難以避免部分知識(shí)點(diǎn)學(xué)生來不及理解或記錄筆記。

（3）學(xué)生主動(dòng)性差

鑄造工藝學(xué)很多教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密相關(guān)，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)還未進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，對(duì)實(shí)際鑄造生產(chǎn)過程缺乏認(rèn)識(shí)。所有鑄造工藝相關(guān)概念只能從書本上獲得，盡管課堂教學(xué)中可以展示部分真是照片和視頻，但是整體缺乏現(xiàn)場(chǎng)感。這使得鑄造工藝課程以教師主動(dòng)講授學(xué)生被動(dòng)接受為主。而教師授課多從專業(yè)工程角度出發(fā)，與學(xué)生思維方式有很大差別，難免使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容失去興趣。

二、教學(xué)改革的思考

（1）建立線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式

傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果差，借助線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式可以有效解決這一問題。線下教學(xué)以關(guān)鍵的基本知識(shí)點(diǎn)為主，通過案例的方式引入問題，帶領(lǐng)學(xué)生從凝固原理的角度思考解決問題，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)鑄造工藝設(shè)計(jì)的理解。此外，線下教學(xué)也可以借助現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)，如“雨課堂”等，在課堂教學(xué)中加入手機(jī)互動(dòng)環(huán)節(jié)。給線下課堂教學(xué)增添活力，并徹底解決“手機(jī)”帶來的課堂教學(xué)問題;而線上教學(xué)作為線下教學(xué)的補(bǔ)充，可以豐富學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，開拓學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上新鮮事物層出不窮，很容易激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣?？梢越柚鷮W(xué)生的這種心理特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。建立線上學(xué)習(xí)資源，一方面老師可以以視頻或圖片形式上傳課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)講解剖析，鑄造或者凝固相關(guān)的科學(xué)現(xiàn)象與學(xué)習(xí)資料，特別是國內(nèi)外鑄造工藝相關(guān)研究的前沿成果，并且提供線討論交流的渠道。另一方面，學(xué)生可以通過貼吧的形式，針對(duì)鑄造工藝相關(guān)問題進(jìn)行發(fā)帖提問和跟帖討論，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與老師之間的溝通，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)鑄造工藝的學(xué)習(xí)和研究興趣。

近年來，鑄造行業(yè)自動(dòng)化水平不斷提升，制芯、造型、澆注、清理、檢驗(yàn)等各個(gè)鑄造工藝流程中大量人力被替代。原有鑄造工藝學(xué)課本教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)差別較大，很多工藝方法和思路已經(jīng)被新的工藝方法所替代。線上教學(xué)還可以幫助學(xué)生多了解鑄造方向國際發(fā)展前沿，學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)鑄造新方法、新裝備，特別是歐洲發(fā)達(dá)國家的高自動(dòng)化水平鑄造生產(chǎn)線。從而轉(zhuǎn)變學(xué)生對(duì)鑄造行業(yè)臟亂差的認(rèn)識(shí)。

（2）建立鑄造工藝虛擬教學(xué)平臺(tái)

鑄造工藝過程復(fù)雜，熔煉、每個(gè)工藝細(xì)節(jié)都有可能影響最終鑄件質(zhì)量，如何讓學(xué)生理解其中的機(jī)理和內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而基于此進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，是工藝學(xué)課程的教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)。顯然，讓學(xué)生參與實(shí)際鑄件的合金熔煉、造型材料選擇、分型面設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、凝固順序設(shè)計(jì)與控制等工藝流程，能夠使其快速掌握鑄造工藝設(shè)計(jì)的基本原理和方法。但是，受到種種條件制約，目前還無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，這使得構(gòu)建虛擬教學(xué)平臺(tái)顯得尤為重要。

虛擬教學(xué)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)從工藝設(shè)計(jì)、熔煉、造型、澆注到鑄件清理的鑄造全過程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，不但能夠使學(xué)生掌握工藝設(shè)計(jì)必須的理論知識(shí)，還能夠使學(xué)生熟悉各種鑄造設(shè)備及其操作規(guī)范，了解設(shè)備適用范圍，為今后實(shí)際工藝設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。與此同時(shí)，虛擬教學(xué)平臺(tái)可以充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，使課本上的知識(shí)變得更加靈活。從而，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。江蘇大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)搭建了“高強(qiáng)韌鋁基納米復(fù)合材料成分設(shè)計(jì)與性能調(diào)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含了實(shí)驗(yàn)簡介、課前預(yù)習(xí)、材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、組織性能分析、考核評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)交流、實(shí)驗(yàn)幫助共8個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在虛擬環(huán)境下對(duì)鋁硅合金材料進(jìn)行不同成分配比的探究，通過工藝優(yōu)化得到最佳的材料性能，并了解不同材料成分對(duì)組織性能的影響。加深學(xué)生對(duì)材料和成型工藝之間內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)和理解，教學(xué)效果顯著。

（3）將教學(xué)內(nèi)容與課外實(shí)踐相結(jié)合

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生的關(guān)鍵課外實(shí)踐環(huán)節(jié)，也是學(xué)生接觸生產(chǎn)實(shí)際的重要途徑，但是目前，大部分教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)習(xí)沒有很好的結(jié)合。使學(xué)生在實(shí)習(xí)中不了解看到的是什么，為什么這么做，很難做到理論聯(lián)系實(shí)習(xí)。因此，大部分實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)變成了走馬觀花，學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)的印象不深刻，限制了實(shí)習(xí)對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)的幫助效果[4]。教師在開展鑄造工藝學(xué)課程前，要注意先了解實(shí)習(xí)中可能涉及到的工藝方法和鑄造設(shè)備。在上課過程中，講解到相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，可以有選擇的引用生產(chǎn)實(shí)習(xí)的實(shí)例，這樣既能幫助學(xué)習(xí)理解知識(shí)點(diǎn)，又能加強(qiáng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)效果，使生產(chǎn)實(shí)習(xí)變成鑄造工藝學(xué)課程的延伸。

（4）建立合理的評(píng)價(jià)體系

鑄造工藝學(xué)課程考核目前還是以試卷考察為主，主要考察學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的掌握情況。實(shí)際上，這些對(duì)于鑄造工藝設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[5]。鑄造工藝學(xué)需增加實(shí)踐設(shè)計(jì)考察環(huán)節(jié)，要求學(xué)生獨(dú)立完成鑄件的整個(gè)工藝流程設(shè)計(jì)，包括合金的熔體處理、造型材料的選擇、鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分型面的選擇、冒口冷鐵設(shè)計(jì)等內(nèi)容。需要學(xué)生綜合利用“液態(tài)金屬成形原理”、“鑄造合金及其熔煉”、“造型材料”、“鑄造工藝學(xué)”等多門課程知識(shí)?？梢宰鳛殍T造工藝學(xué)課程學(xué)習(xí)后的總結(jié)。由于工作量較大，可以安排多個(gè)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，以小組形式完成工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

全國鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽能夠全面鍛煉學(xué)生工藝設(shè)計(jì)能力[6]，同時(shí)使學(xué)生熟悉常用的工藝設(shè)計(jì)軟件，如AutoCAD、UG、ProCAST等。經(jīng)過大賽鍛煉，學(xué)生基本能夠獨(dú)立完成鑄造工藝設(shè)計(jì)，實(shí)踐能力得到迅速提升。江蘇大學(xué)材料成型專業(yè)早在幾年前就開始重視鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽，并在本科生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中專門設(shè)置了實(shí)踐學(xué)分，參加鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽并提交完整的作品是獲得該實(shí)踐學(xué)分的關(guān)鍵途徑。從而將鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽變成了課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，且在提升學(xué)生實(shí)踐能力方面效果明顯。

此外，為了適應(yīng)鑄造信息化智能化的發(fā)展需求，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生采用包括特種鑄造工藝在內(nèi)的多種工藝方法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)[7]，并對(duì)所用方法進(jìn)行對(duì)比，分析各種方法的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，掌握各種鑄造方法的局限性和適用范圍。評(píng)價(jià)體系要以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為核心，提高學(xué)生利用新方法處理工藝設(shè)計(jì)問題的能力。如，利用制圖軟件對(duì)鑄件進(jìn)行三維建模來代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維工藝圖紙;利用數(shù)值模擬軟件計(jì)算鑄件充型流場(chǎng)和凝固溫度場(chǎng)，并據(jù)此對(duì)澆注系統(tǒng)和冒口等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，替代澆注系統(tǒng)和冒口的傳統(tǒng)估算方法。在考察學(xué)生學(xué)習(xí)情況的過程中，使其了解目前鑄造工藝設(shè)計(jì)的主流方法和流程。

三、結(jié)語

鑄造工藝學(xué)課程既要求學(xué)生掌握基本原理，有要做到理論聯(lián)系實(shí)際。針對(duì)目前該課程普遍存在的問題，本文提出了“線上線下”相結(jié)合、虛擬教學(xué)等新方法，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提升教學(xué)效果。并且要做到課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐的緊密結(jié)合，才能加深學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)和理解。

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江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 趙信毅