理論—實踐結(jié)合的鑄造工藝教學(xué)案例分析

周世權(quán)　黃勝智　趙軼　周琴　唐東

摘要：本文以鑄造工藝為案例，探索理論與實踐有機結(jié)合的方案、實施方法和教學(xué)效果。充分利用工程實訓(xùn)中心的現(xiàn)場和裝備條件，將有關(guān)工藝知識、工程素質(zhì)、工程設(shè)計和實施能力以及團隊合作精神培養(yǎng)融于課堂、車間、實訓(xùn)室的相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)中。為其他章教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)和提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鑄造工藝、理—實結(jié)合、工藝、工程素質(zhì)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）29-0186-03

一、引言

機械類機械制造基礎(chǔ)系列課程包括機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機械制造實習(xí)和實驗。其歷史悠久，在1980-2000年期間，機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)時數(shù)最高達到120學(xué)時，機械制造實習(xí)（原金工實習(xí)）和實驗最長達到8周，一般由金工教研室教師負責(zé)教學(xué)組織和安排，通過教師設(shè)計和參與指導(dǎo)實習(xí)和實驗將理論課與實踐課緊密結(jié)合。但2000年后，由于課程改革，很多學(xué)校的機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程被分解為材料成形技術(shù)基礎(chǔ)和機械制造技術(shù)基礎(chǔ)兩門課，而且兩門課被分散到材料和機械兩個學(xué)院，原金工實習(xí)拓展為工程訓(xùn)練課程獨立歸屬到工程訓(xùn)練中心，導(dǎo)致理論與實踐嚴重脫節(jié)[1]。單方面強調(diào)理論的重要性，或者單方面強調(diào)實踐的重要性都不利于工程知識的構(gòu)建。制造工程科學(xué)是建立在工程實踐和工程理論基礎(chǔ)上，理論可以指導(dǎo)實踐，實踐反過來又能豐富理論的內(nèi)涵。因此，理論課教師應(yīng)積極設(shè)計相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)，將理論與實踐緊密結(jié)合，實踐課教師應(yīng)該積極配合理論課教師實現(xiàn)教學(xué)設(shè)計。從而拉近理論與實踐的距離，而不是將兩者脫節(jié)和分離[2]。國內(nèi)高校中近年來對理-實一體化課程的研究逐步增多[3-5]，但其方法有將課堂放到車間的邊講邊練，學(xué)用結(jié)合；有制定模塊，講練交替的；還有給予職業(yè)發(fā)展取向，強化技能應(yīng)用的。總的來看還是停留在用實踐來理解工藝原理，進一步提高工藝技能。職業(yè)化教育的傾向比較明顯。國外一些知名大學(xué)，通過綜合性實踐課程和項目來實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合[6]，例如，加拿大滑鐵盧大學(xué)所開設(shè)的機械工程實踐入門1和2，機械工程設(shè)計項目1和2；將有關(guān)機械制造工藝、機械設(shè)計通過項目和實踐緊密聯(lián)系在一起，更加強調(diào)理論與實踐的有機結(jié)合。通過借鑒國內(nèi)外在理論與實踐課程方面的改革經(jīng)驗，通過對課程中一個特定章節(jié)的案例分析，為構(gòu)建機械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程的理實一體化課程體系和教學(xué)內(nèi)容打下實踐的基礎(chǔ)。本文作者在學(xué)校教學(xué)質(zhì)量工程研究項目和湖北省教學(xué)研究項目的支持下，通過文獻研究和調(diào)研，提出了構(gòu)建“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程”的研究項目，并做了大量的研究工作，形成了旨在提高學(xué)生分析問題解決問題的能力的課程體系和教學(xué)內(nèi)容及方法。

二、理實一體化課程體系及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程”課程體系：以現(xiàn)代制造技術(shù)為基礎(chǔ)、以典型案例實踐與分析為先導(dǎo)、以計算機輔助工藝設(shè)計為核心、了解傳統(tǒng)工藝方法的特點、培養(yǎng)綜合工程能力和創(chuàng)新精神[7]。根據(jù)課程體系要求，按照教學(xué)內(nèi)容，將每一知識點的教學(xué)按照先到實習(xí)車間進行實踐教學(xué)，獲得工程實踐的感性認識和動手能力。然后在課堂上進行歸納，總結(jié)。同時提出問題和項目任務(wù)，學(xué)生通過自學(xué)、設(shè)計、制作獲得產(chǎn)品功能；最后，再到課堂對存在的問題進行研討、獲得解決問題的方案和創(chuàng)新報告。根據(jù)上述課程體系要求和分析，確定“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程”的教學(xué)內(nèi)容為：體念傳統(tǒng)制造工藝方法，掌握先進制造工藝裝備操作，講授與討論制造工藝基本知識，進行典型零件工藝分析與制作實踐，項目設(shè)計與工藝設(shè)計研討，項目實施與制作、運行考核、報告與答辯。主要針對機械類專業(yè)原來金工實習(xí)和機械制造技術(shù)基礎(chǔ)兩門課合計學(xué)時為200，經(jīng)過整合實際學(xué)時為176，其中實踐內(nèi)容所占比例不能與理論教學(xué)完全分開，只能根據(jù)教學(xué)需要，有時可能要進行分析、討論，有時需要實驗、制作。按照課程章節(jié)內(nèi)容同時安排認識實踐、講課、動手操作、工藝分析講課、項目任務(wù)實施與答辯。其中鑄造工藝理實結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如表1所示。

三、鑄造工藝章節(jié)案例實施方案

1.教學(xué)目標。根據(jù)機械類專業(yè)對畢業(yè)生能力要求，本章節(jié)可以貢獻給專業(yè)論證中畢業(yè)生能力指標中的第3、6、7，具有初步鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計能力、鑄造工藝設(shè)計能力；掌握砂型鑄造的操作技能；了解其他鑄造方法特點及應(yīng)用、鑄造合金的特點及應(yīng)用，能夠用3D打印技術(shù)實現(xiàn)工藝設(shè)計，并實施工藝過程。

2.實施步驟與教學(xué)方法。①鑄造工藝認識實踐。以班為單位到鑄造實訓(xùn)室，優(yōu)先由實習(xí)指導(dǎo)教師演示砂型鑄造過程，然后學(xué)生親自動手鑄造十二生肖工藝品。學(xué)生參觀實訓(xùn)室，記錄相關(guān)設(shè)備、工模具。由教師組織看錄像片，了解其他特種鑄造工藝過程。②鑄造工藝基礎(chǔ)知識講座。由教師講授金屬及合金的流動性、收縮性、偏析與吸氣，鑄造性能與力學(xué)性能間的關(guān)系，討論鑄造合金的選擇。認識零件圖與鑄造工藝圖，分析鑄造工藝參數(shù)與鑄造工藝圖設(shè)計。③砂型鑄造工藝實踐。由實習(xí)指導(dǎo)老師安排學(xué)生鑄造兩通鑄件，從零件圖分析、鑄造工藝圖設(shè)計、到選擇模樣、芯盒、造型、制芯、合箱、澆注、清理和質(zhì)量分析[8]。其他造型方法（整模、活塊、三箱）的演示性示范講解。④鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理講座。由教師講授砂型鑄造的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括外形、內(nèi)腔、壁厚、壁間連接的設(shè)計原則、減小鑄造應(yīng)力的設(shè)計；其他特種鑄造方法的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計。⑤鑄造工藝綜合設(shè)計與制作項目。教師下達項目任務(wù)書（如圖1所示），組織學(xué)生分析典型鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與鑄造工藝間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計與鑄造工藝的多樣性，分組設(shè)計不同鑄件結(jié)構(gòu)和工藝方案。

四、教學(xué)效果分析

2016年3—7月，在材控1404-06，工程1401-02班中進行改革試點，學(xué)生經(jīng)過有關(guān)鑄造工藝知識的學(xué)習(xí)和操作實踐，初步學(xué)會采用鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計原理和鑄造工藝設(shè)計方法完成槽輪鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計，鑄造工藝設(shè)計；并用FDM3D打印制作模樣和芯盒，然后用砂型鑄造工藝實現(xiàn)了鑄造工藝設(shè)計。取得了良好的教學(xué)效果。

1.學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計結(jié)果。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得如下兩個結(jié)構(gòu)的鑄件，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計中，中心輪轂高于輪緣，為了實現(xiàn)大批量機器造型，應(yīng)采用分模兩箱造型，芯盒也采用兩半分開式芯盒。

2.FDM3D打印制作的模樣和芯盒。通過工藝設(shè)計，將三維圖轉(zhuǎn)換為3D打印文件，控制3D打印機打印獲得了模樣和芯盒。見圖2中所示。

3.砂型鑄造的槽輪鑄件。用模樣和芯盒砂型造型后獲得的鑄型以及澆注的鑄件見圖2。學(xué)生通過實踐—理論學(xué)習(xí)—實踐—設(shè)計—再實踐，獲得了本質(zhì)上的飛躍。從過去金工實習(xí)完了就只知道造型、學(xué)了機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課后也不知道如何指導(dǎo)實踐，到現(xiàn)在可以理解相關(guān)知識，不僅能動手造型、還能利用課程相關(guān)理論設(shè)計工藝、用3D打印制作模樣和芯盒、通過鑄造實施分析設(shè)計方案的合理性。

4.學(xué)生報告與答辯。學(xué)生根據(jù)各自的任務(wù)分工，首先完成各自的報告，然后由項目負責(zé)人完成整體項目設(shè)計與制作報告，報告提交后，由學(xué)生組成答辯委員會，教師也是答辯委員會成員之一，學(xué)生每個項目選一人，全班組成5—7人的答辯委員會，經(jīng)過項目自述、提問和回答問題等環(huán)節(jié)，使學(xué)生得到一次完整的學(xué)習(xí)與實踐經(jīng)歷，取得較好的教學(xué)效果。學(xué)生反映“通過項目設(shè)計與制作，對課堂所學(xué)有了更深的理解，通過團隊協(xié)作解決一系列問題更是增強了團隊合作能力。”“通過這次實驗，我們逐漸學(xué)會將理論的設(shè)計與實踐的鑄造相結(jié)合，以結(jié)合實際為出發(fā)點，讓我們對機械制造工藝這門課程及鑄造這門技術(shù)學(xué)問有了一個更深層次的認識與理解，對我們今后這方面的學(xué)習(xí)及工作有很大的幫助”。

五、結(jié)論

通過實施案例的結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論：（1）將理論與實踐課程有機結(jié)合、進行整體規(guī)劃和安排有利于課程的整合和教學(xué)水平的提高；（2）從實施案例的情況來看，實際教學(xué)安排上也是可行的。有利于拉近理論課老師與學(xué)生和實踐課老師的距離，可以推廣到其他章節(jié)的教學(xué)中。（3）增強理論對實踐的指導(dǎo)作用，使學(xué)生明確實踐的目的和在項目設(shè)計研究中的作用。（4）促進了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動實踐，提高了學(xué)習(xí)效率、動手能力和團隊合作能力。

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[6]http：//www.ucalendar.uwaterloo.ca/1617/COURSE/course

-ME.html#ME100S

[7]周世權(quán)，李智勇，趙軼等.“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”理論與實踐一體化課程的構(gòu)建[J].Education Research Frontier，2016，6（4）：155-158.

[8]周世權(quán)主編.基于項目的工程實踐實操指導(dǎo)書[J].華中科技大學(xué)出版社，2014，9：19-28.

Abstract：Program，implement method and teaching effect of principle organically integrated practice are investigated by taking casting process as a case in this paper. Make full use of Engineering Training Center site and equipment conditions，the cultivation of relevant technological knowledge，engineering quality，engineering design and implementation，as well as team spirit is melted into the relevant teaching links of the classroom，workshop and training room. Solid foundation will be established and references accordance will be provided for the teaching content design of other chapters.

Key words：casting Process，Principle integrated practice，process，Engineering quality