基于網絡教學平臺和數值模擬技術的《焊接結構》教學改革

胥國祥，胡慶賢，劉 川，劉 彬，朱 杰，王儉辛

(江蘇科技大學 材料科學與工程學院,江蘇 鎮江 212003)

作為一項極其重要的材料加工技術，焊接被廣泛應用于汽車、船舶、航空航天、軍工、壓力容器、家電等工業制造領域，其中涉及大量焊接結構件。而研究焊接構件力學行為并以此評價其安全性能是保證及提高其設計、制造水平的關鍵前提[1-2]，直接影響到產品的最終質量。因此，《焊接結構》課程成為焊接技術專業學生必須學習的核心專業基礎課，其教學目標是要求學生掌握焊接應力變形、接頭強度及斷裂等基礎理論知識及相關檢測手段和評定方法，能夠依據工程要求及相關理論知識進行典型焊接結構的設計，并提出相應的焊接施工解決方案；該課程同時具備很強的理論性、實踐性和應用性，對學生專業知識及實踐技能的培養具有重要作用。但《焊接結構》課程涵蓋內容較多，且涉及多學科理論；同時，焊接應力變形等課程核心概念和機理抽象性很強，采用傳統教學方法難于講授清楚，從而使得部分學生無法全面、準確地對其理解，繼而難以真正將所學焊接理論用于生產實踐，導致理論知識與實踐技能的嚴重失衡，阻礙了學生的再學習能力和創新能力。此外，目前工科院校普遍開始壓縮專業課程學時，江蘇科技大學材料學院(簡稱我院)已將《焊接結構》課程學時由40學時減少至32學時，進一步增加了教學難度。因此，《焊接結構》課程教學理念和方法的改革迫在眉睫。本文依據我院焊接技術專業課程體系、學生畢業能力培養目標及本人教學經驗，借助網絡平臺和數值模擬技術，在《焊接結構》課程教學改革方面作積極探索。

1 《焊接結構》課程教學現狀

《焊接結構》課程內容繁雜、覆蓋面廣，包括焊接熱場、焊接應力及變形、接頭性能、脆性和疲勞斷裂、安全評價及結構設計等，且涉及多學科知識；其中，焊接應力變形是整個課程的理論支撐點，其他章節的學習都以此為理論基礎。盡管《焊接結構》基礎理論知識點相對較少，但要求必須對其理解全面、深入、準確。《焊接結構》課程理論認知要求高、實踐應用性強，目前雖已開展一些教學改革研究，但仍存在如下問題：

1.1 理論教學枯燥難懂

焊接應力變形、接頭強度和斷裂等基礎理論抽象性強，且對學生理論力學、材料力學等方面的知識儲備要求較高，而力學恰恰是很多學生的短板。當僅依靠教材內容或僅借助少量示意性圖片、動畫及實物，采用傳統的抽象推理方式授課時，相當部分學生感到理解吃力，缺乏興趣，學習主動性很低，只能死記硬背基本結論，考試結束后又迅速遺忘，無法真正達到教學目的。

1.2 教學內容多而不精

《焊接結構》課程授課學時相對較短，但知識點較多。按目前教學理念，授課過程中仍以教師為主體，過于強調傳授專業知識的完整系，而忽略了學生的接受能力；對所有教學內容幾乎平均用力，重點不夠突出；同時受課時限制的影響，對于很多現代教學方法和手段(如啟發法、有限元模擬等)也是淺嘗輒止、蜻蜓點水，最終導致學生學習《焊接結構》課程時無法抓住核心重點，學習過程如同走馬觀花，對理論及實踐內容都理解不深、掌握不牢。此外，教材中的部分教學內容較為陳舊，缺乏前沿技術的介紹；例如熱過程章節中對于溫度場解析計算的介紹較多，且多為數理方程的公式推導，晦澀難懂；而對于目前應用更為廣泛的有限元分析法及溫度場分布實例涉及不多，不利于學生對焊接瞬態熱場特征的理解，繼而影響學生對焊接應力變形等核心基礎的掌握。

1.3 理論與實踐脫節嚴重

首先，由于部分學生未能真正掌握焊接應力變形等核心基礎理論，無法將其用于實踐指導；其次，教師在授課過程中，沒能將理論知識與實踐有機統一，兩者內容相對割裂；同時，在案例分析時沒有結合企業的實際生產背景(如生產成本要求、質量要求及企業的技術限制等)，導致學生畢業后發現部分企業所用焊接工藝與教材完全相反，從而產生疑惑和思維混亂。最后，為了便于學生理解和適應課堂教學，《焊接結構》教材涉及焊接應力變形等機理內容時是往往選用極為簡化的焊件結構(如桿狀結構或平板單到熔透對接件等)作為實例；而實際生產中焊接構件相對復雜，無法通過抽象推理直接將簡單構件的應力變形特征直接應用于復雜構件；而教材中又僅給出案例構件的最終應力和變形狀態，極少涉及加工過程的講解。對于結構設計、實例分析等實踐性內容，盡管學生學習積極性相對較高，但更多是獲得經驗性結論，難于從理論角度對學習內容進行理解，易造成學生在實際工作中生搬硬套書本知識或僅能對學習過的案例進行處理，影響再學習及創新能力。

2 基于網絡化平臺及數值模擬技術的教學改革

2.1 網絡化平臺及數值模擬技術的特點

目前我院已大力開展網絡教學平臺建設，借助“互聯網+”技術，彌補課堂教學不足，努力提高教學水平。而基于網絡教學平臺后的《焊接結構》課程教學具有如下特點：

2.1.1 增強交互行為

網絡化平臺進一步強化和便利了老師與學生、學生與資源以及學生與學生之間互動行為。教師可以方便、及時地安排教學計劃、檢查學生作業、獲取教學效果反饋等[3]，學生在課下自主學習時則可以及時獲得教師的指導、豐富的教學資源，且易于實現同學之間的協作和探討；網絡化學教學平臺為教師和學生創造了一個交流方便、反饋及時、形象生動的學習環境。將學生網上的自主、協作學習與課堂教學有機地結合，有助于優化教學效果。

2.1.2 拓展教學時間

網絡平臺拓展了教學的空間和時間，可有效解決《焊接結構》知識點繁多而學時不足的問題；而且時間的掌握相對自由，通過視頻、在線講解、互動等方式，進一步強化學生對課堂教學重點的理解，同時還可對課堂無法涉及的內容進行補充講解，在突出重點的同時，兼顧教學內容的完整性、前沿性。

2.1.3 整合教學資源

基于教材編制、出版周期的限制，《焊接結構》課程教學內容更新相對滯后，部分內容相對陳舊，已不適應焊接專業及企業需求的發展；例如我院《焊接結構》課程實驗題目仍為《線能量對焊接堆焊應力變形及熱影響硬度影響》，接頭形式及應力檢測方法在實際生產過程中應用較少，且線能量等術語也不再符合最新焊接專業術語標準。相較于教材內容，網上教學資源實時性較好、豐富生動，能夠同時滿足基礎理論知識講解和專業前沿知識普及的要求。目前關于《焊接結構》課程網絡教學資源的獲取渠道相對較多，如精品課程網、微課視頻網、小木蟲及其它相關教學和課程資源論壇、學術期刊網、技術標準網等；充分利用基于"互聯網+"技術的網絡化教學平臺，有機整合網上教學資源，及時更新教學內容；在解決《焊接結構》教學難點的同時，拓展學生思路和視野，促進學生自主學習與創新能力的培養。

而對于數值模擬技術，其計算結果與普通示意性圖片、動畫不同，其結果可接近真實地描述構件焊接熱場、流場、應力及變形的三維瞬態演變過程[4]，其優勢如下：

2.1.3.1 抽象理論及案例的可視化、形象化

如上所述，作為《焊接結構》課程的核心理論基礎，焊接應力變形概念和理論抽象強，學生理解吃力；同時，典型案例焊接結構相對復雜，難于直接利用理論知識準確、全面分析其焊接過程中的應力和變形分布。而焊接數值模擬技術則將這一抽象過程可視化，通過彩色云圖、分布曲線、視頻等方式可形象展示焊接時整體構件及任意截面和任一點的應力變形動態行為特征，有助于學生對抽象理論知識的感性認識。依據以往教學經驗，本人認為案例分析的可視化對于學生實踐技能的培養、理論知識的再理解極其關鍵，非常有利于促進培養學生利用理論知識指導實踐生產的能力。針對《焊接結構》課程，可基于SYSWELD軟件(或ANSYS軟件)，建立典型接頭和典型結構(如對接接頭、T型接頭等)溫度場、應力變形及斷裂過程的三維有限元數值分析模型，在課堂或網絡授課時協助機理講解和案例分析。

2.1.3.2 授課內容趣味化、生動化

《焊接結構》課程涉及力學知識較多，內容枯燥無味。數值模擬結果則使抽象內容變得形象化、具體化，并可提高學生對教學過程的參與度。在課堂或網絡平臺學生與老師或學生之間討論過程中，學生利用遠程控制技術調用焊接實驗室高性能工作站計算程序直接對感興趣的或有爭議的焊接方案進行快速模擬演示；基于豐富生動的模擬結果，學生可直觀檢測、分析不同工藝對焊件應力、變形及接頭性能影響，使得教學過程生動、有趣，進而增強了學生學習的興趣和主動性。

2.2 教學改革措施

充分發揮網絡平臺及數值模擬技術的優勢，并結合工程教育專業認證要求，在教學理念及內容、教學方法、評價機制等方面對《焊接結構》課程進行改革。

2.2.1 教學理念及內容

(1) 教學過程中要突出學生主體作用，緊扣學生畢業能力培養這一核心任務，利用多種教學手段，努力激發學生學習熱情，提高其學習主動性；成績評定注重對培養學生關鍵畢業能力所需知識掌握深度和廣度的考核，而非一味追求專業知識體系的完整系。

(2) 在有限學時內，課堂授課要進一步"突出重點、強化核心"，加強關鍵理論和案例的深入講解和討論；基于網絡平臺，通過老師引導及學生的自主學習，橫向拓寬學生知識體系。

(3) 基礎理論及案例分析內容在保證認知深度的同時，更加注重其實際應用背景及范圍，同時兼顧專業發展前沿，及時更新教學內容，增強學生畢業后的適應性及自學和創新能力。如對于應力檢測章節，在講解小孔法測量應力機理的同時，還應對其技術局限、目前企業應用情況進行說明；此外，該章節應加強對X射線等企業應用越來越普遍的先進無損檢測方法的介紹。

2.2.2 教學方法

結合網絡平臺和數值模擬技術特點，在授課過程中靈活采用多種現代教學方法，本文重點闡述啟發式和案例交互式教學方法，轉變傳統以老師為中心的教學思路，突出學生中心地位，緊緊圍繞學生畢業能力培養這一中心任務開展教學活動。

2.2.2．1 啟發式教學方法

啟發式教學主要通過演示、講解、誘導、對比、問答討論等方式增強學生對所學知識的興趣，充分調動其學習的主動性。在講解新知識時，首先通過數值模擬結果演示，以激發學生的好奇心；焊接構件豐富多彩、生動形象的可視化加工過程，可極大調動學生學習的熱情；然后在對知識進行講解，并誘導學生聯系過去所學內容，增加學習的連貫性，便于學生對新知識的接受；同時通過對比的方式啟發學生，加深學生對所學知識的認知，使所學內容具有強烈的層次感；同時在課堂授課時，通過提問、討論等方式，誘導并啟發學生的獨立思。例如在講解預拉伸法對焊接應力變形影響規律和機理過程中，通過預拉伸前后結構件應力變形數值模擬結果進行對比展示，強化對所學內容的差異、感性化認識；進而從應力變形產生機理角度，對其過程進行講解，并通過直接引導或提問的方式加速學生對前期所學知識的聯想；再通過老師與學生、學生與學生之間的提問討論，加深對所學知識理解和認識。而這種教學過程，可通過網絡化平臺延伸到課下，彌補課時不足的問題，學生還可通過網絡平臺獲得更多預拉伸工程應用實例或者通過遠程控制利用模擬軟件直接對自己感興趣拉伸規范進行模擬演示，使學生全面、準確掌握預拉伸措施的機理、優點、適用條件等。

3.2.2．2 案例式教學方法

對于案例法教學，案例選擇要同時兼顧真實性、典型性、合理性[5-6]；教學過程中所采用的工程案例或結構必須是生產實踐中真實存在的，且能夠重點體現所學理論知識的實際應用，有力支撐課程目標的完成；同時案例應充分考慮學生的知識儲備及接受能力，不能過于復雜，要難度適中，避免打擊學生學習的積極性。此外，案例選擇時也要突出一定的行業性、前沿性，從而利用學生畢業后能夠更快地參與實際生產和科研工作。鑒于江蘇科技大學的船舶行業背景，較大部分焊接專業學生畢業后將進入船舶制造領域，故在選擇案例時體現船舶結構，如船板平焊、船舶箱體焊接等，同時其它案例選擇要緊貼汽車、壓力容器、鋼結構、航空航天等焊接專業人才需求量大且焊接質量要求較高的行業。

在實際案例教學過程中，充分利用數值模擬技術可視化和網絡平臺便利化的優勢，借助理論與實踐結合案例教學、典型結構案例教學、任務驅動案例教學等方法提高學生的學習主動性，實現理論和實踐教學的有機融合。例如，通過T型接頭焊接熱應力和殘余應力及變形模擬結果，重點講解熱應力和殘余應力的相關性及分布特征的區別以及不同焊接參數對應力、變形的影響，幫助學生理解應力及變形的概念及產生機理；利用框架等典型焊接結構，則重點增強學生的實踐認知。此外，對于任務驅動案例教學，則由老師提前布置案例題目(如通過優化焊接和裝配順序、接頭形式等方式控制船舶矩形箱體結構或甲板GMAW焊接變形等)，學生課前通過查閱文獻資料以及小組討論，依據相關焊接理論提出工程解決方案；在授課時，以學生為中心，老師做適當引導及講解；基于模擬計算結果，通過視頻、圖片、動畫等方式對學生提出的不同方案進行形象、直觀、真實地比較、論證；從學生認知及興趣角度出發，探討不同焊接方案的優劣，使學生感性認識抽象理論知識在實踐中的應用。

2.2.3 成績評定

基于“以學生為中心”的教學理念，課程考核綜合考慮學生對理論知識的認知能力、應用所學知識分析和解決問題的能力、自學及創新能力、交流表達能力等方面，突出對學生畢業能力和課程目標完成度評價。《焊接結構》綜合成績由平時成績(30%)、實驗成績(20%)和考試成績(50%)等三部分按照相關權重構成，三者滿分均為100分。平時成績主要考核學生的出勤、課堂或網絡平臺表現情況、作業完成情況等方面；其中，課堂或網絡平臺表現主要針對學生課前預習、課后復習的主動性、課堂或網絡平臺回答問題、參與討論的積極性以及創新思維和語言表達能力等情況進行評定；網絡教學平臺使得教師有機會對所有學生進行直接考核。實驗成績主要從預習報告，實踐操作過程、實驗報告、匯報答辯過等四個方面對學生進行評價；其中，增強對方案制定、技能操作及答辯過程的考核，四者的成績權重分別為20%、30%、30%和20%，以加強理論知識應用、實踐技能及表述交流能力的培養。此外，要求學生在平時自學、課下討論及實驗過程中盡量通過網絡教學平臺完成相關資料的查詢及實驗方案的制定，并網絡提交小組討論紀要，便于老師與學生的互動以及對學生學習痕跡的查詢、驗證。而考試為閉卷形式，時間為120分鐘，內容包含主要基礎理論概念、基于理論知識的案例分析及結構設計和焊接方案的制定等三部分，其權重分別為30%、40%和30%。案例分析考察學生運用知識的能力，主要分為兩部分：一是給出典型接頭或結構的最終應力、變形或斷裂結果，依據機理分析產生原因，并提出改進措施；二是給出焊接方案，依據理論知識預測典型接頭或結構的應力、變形分布特征；在結構設計考核同樣分為兩部分，一是給出企業實際條件，如機器設備、成本承受能力、質量要求等，要求學生綜合技術、質量、成本等因素，給出設計方案，側重突出真實的工程應用背景；二是要求學生僅從質量角度，提出最佳解決方案，注重創新能力培養。

通過上述改革后的《焊接結構》成績評定體系，可以突出學生能力的考核，不僅達到理論認知、專業技能及實踐應用的有機統一，也同時兼顧自學、創新、表達協作能力的培養；此外，進一步倒逼老師在教學活動必須圍繞培養學生畢業能力展開，轉變思維和方法，充分發揮網絡教學平臺和數值模擬技術優勢。

4 結束語

針對目前《焊接結構》課程教學中存在的問題，將網絡化教學平臺和數值模擬技術引入整個教學過程，在教學理念、教學內容和方法、成績評定等方面對《焊接結構》教學改革進行探索，強化學生在課程學習中的中心地位，注重學生能力的培養，激發學生的學習熱情，切實提高《焊接結構》課程的教學效果和教學質量；同時《焊接結構》教學改革的實施可進一步推動網絡化教學平臺的建設和模擬仿真教學資源儲備，使兩者真正融于教學過程，也為其它課程的教學改革提供借鑒。