基于工程案例的焊接結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐與探討

郭彥兵 陳云霞 張旺 陸斌鋒

[摘 要] 在“新工科”教育理念和人才培養(yǎng)模式下，傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)教學(xué)模式和實(shí)際焊接產(chǎn)業(yè)結(jié)合與實(shí)際工程需求存在一定的差距。從工程案例出發(fā)，對(duì)已有的課程體系進(jìn)行相應(yīng)的模塊劃分，針對(duì)每一個(gè)模塊選取相應(yīng)的典型工程案例，以工程小組的形式，通過線上與線下的混合教學(xué)模式展開教學(xué)實(shí)踐。充分利用數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)基于工程案例的焊接結(jié)構(gòu)教學(xué)進(jìn)行探索，為適應(yīng)“新工科”背景下的焊接專業(yè)技術(shù)工程人才培養(yǎng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞] 焊接結(jié)構(gòu);教學(xué)實(shí)踐;工程案例

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0237-02? ? [收稿日期] 2019-10-22

焊接結(jié)構(gòu)是將焊接技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的手段與表現(xiàn)形式，其廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、海洋裝備、航空航天、能源等工業(yè)領(lǐng)域[1]。焊接結(jié)構(gòu)學(xué)作為應(yīng)用型本科專業(yè)焊接技術(shù)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生后期學(xué)習(xí)其他焊接專業(yè)知識(shí)及專業(yè)技能具有重要意義[2，3]。本門課程內(nèi)容涉及傳熱學(xué)、金屬材料學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，是多個(gè)學(xué)科的綜合與交叉，理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)[4]。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，因其各個(gè)章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，知識(shí)點(diǎn)分散且理論性較強(qiáng)，特別是焊接應(yīng)力與變形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，很多教師迫于教學(xué)任務(wù)的壓力，被迫采用填鴨式教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不強(qiáng)烈，達(dá)不到理想的育人效果[5]。本文從課程工程實(shí)踐性強(qiáng)這一特點(diǎn)出發(fā)，將焊接結(jié)構(gòu)學(xué)的主要知識(shí)點(diǎn)模塊化;結(jié)合工程案例與項(xiàng)目實(shí)踐，將理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際工程問題，從而對(duì)焊接結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行有益的探索和討論。

一、工程案例在焊接結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的運(yùn)用

工程案例教學(xué)方法目前在工科為主的課程教學(xué)中廣泛被應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是針對(duì)實(shí)際的工程問題，將解決工程問題所需要的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，老師布置、學(xué)生主動(dòng)參與項(xiàng)目案例或模型，最終讓學(xué)生掌握理論知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)其解決工程問題的能力，達(dá)到教學(xué)目的。學(xué)生以小組形式選擇教師，基于焊接結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要模塊所設(shè)置的工程任務(wù)作業(yè)，在課前一到兩周分配給每個(gè)小組，引導(dǎo)學(xué)生課前查閱資料，積極討論，并利用校內(nèi)已有的焊接數(shù)值模擬軟件ABUQUS開展案例的計(jì)算與仿真分析，解決相應(yīng)的工程案例作業(yè)問題，最后形成案例研究報(bào)告，納入期末考核體系。

二、教學(xué)模塊劃分與工程案例設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)課程的工程案例化的教學(xué)模式，必須在明確焊接結(jié)構(gòu)課程體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)模塊劃分，針對(duì)每一模塊設(shè)置能夠充分反映相應(yīng)模塊知識(shí)點(diǎn)并貼近工程應(yīng)用的教學(xué)工程案例。

（一）教學(xué)模塊劃分

1.焊接熱過程與溫度場(chǎng)。該模塊是焊接結(jié)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)，焊接的熱過程決定了焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此本文設(shè)置該模塊作為獨(dú)立模塊。

2.焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算推導(dǎo)與理論基礎(chǔ)。

3.焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)置工字梁、桁架結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單壓力容器幾個(gè)典型的焊接結(jié)構(gòu)。

4.焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。典型焊接結(jié)構(gòu)的焊接熱過程和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬分析。

（二）工程案例設(shè)計(jì)

1.焊接熱源模型與模擬計(jì)算。以焊接傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，將典型的“高斯熱源”等作為獨(dú)立模塊。

2.焊接過程中的實(shí)際應(yīng)力與變形。設(shè)置剛性工作臺(tái)中連接鋼棒結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬焊接加熱，分析焊接應(yīng)力和變形。

3.板殼式換熱器的接頭和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)置桁架結(jié)構(gòu)、壓力容器等典型的焊接結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)。

4.管板焊接數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用ABAQUS有限元分析軟件構(gòu)件管板焊接過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。

三、基于工程任務(wù)的教學(xué)實(shí)踐

（一）課程體系的改革

作為應(yīng)用型本科課程的焊接結(jié)構(gòu)主要研究如何將焊接傳熱學(xué)、焊接應(yīng)力應(yīng)變以及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)教學(xué)模塊有機(jī)結(jié)合起來。在理論授課前將相應(yīng)教學(xué)模塊的工程案例項(xiàng)目以項(xiàng)目小組的形式開展前期調(diào)研，讓學(xué)生在課堂上充分抓住理論知識(shí)的重難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的興趣。授課完成后，以實(shí)踐課的形式安排相應(yīng)的教學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作。例如讓學(xué)生利用焊接實(shí)驗(yàn)室的熱電偶測(cè)量，并繪制不同材料和不同焊接接頭在焊接過程中的熱循環(huán)曲線，并思考曲線形成的原因，從而加深對(duì)焊接傳熱學(xué)的理解，形成“工程案例—理論學(xué)習(xí)—工程實(shí)踐—學(xué)習(xí)反思—實(shí)際工程問題”閉環(huán)的課程體系和“新工科”人才培養(yǎng)模式。

（二）工程案例的實(shí)踐教學(xué)

傳統(tǒng)的焊接技術(shù)與工程專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)課程，如生產(chǎn)實(shí)習(xí)開設(shè)比較晚，與相關(guān)理論課程時(shí)間跨度較大，相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)與工程實(shí)踐連貫度不夠。而通過基于工程實(shí)踐的教學(xué)模式，就是在焊接結(jié)構(gòu)課程剛開始就在教學(xué)班級(jí)形成工程案例小組，在課程學(xué)習(xí)過程中，以小組的形式解決老師在每一個(gè)教學(xué)模塊布置的工程案例任務(wù)。

任務(wù)布置在上課前一周左右，學(xué)生自覺調(diào)研案例的知識(shí)背景，形成小組內(nèi)部的討論和學(xué)習(xí)機(jī)制，激發(fā)學(xué)生在理論課中的興趣和專注力。每個(gè)教學(xué)模塊完成后，小組相應(yīng)的工程案例作業(yè)以PPT形式進(jìn)行項(xiàng)目任務(wù)匯報(bào)。鼓勵(lì)學(xué)生參與“全國(guó)焊接創(chuàng)新大賽”，充分利用國(guó)賽平臺(tái)，檢驗(yàn)學(xué)生的所學(xué)工程知識(shí)，提升學(xué)生實(shí)際工程問題的解決能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

近幾年來，通過在“新工科”建設(shè)背景下開展焊接結(jié)構(gòu)課程的工程案例的教學(xué)實(shí)踐，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。在來源于生產(chǎn)實(shí)踐的工程案例中抽取與理論結(jié)合度較高的模塊，形成過程任務(wù)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和濃厚興趣，以任務(wù)小組形式完成工程案例作業(yè)。在這一過程中，不但充分理解了課程中的理論知識(shí)，而且充分發(fā)揮了主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新活力;工程案例小組分工明確，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生最大的學(xué)習(xí)潛能;理論課模塊與實(shí)踐模塊相結(jié)合、線下課程模塊和線上課程模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了混合式教學(xué)，使課堂的理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)密切結(jié)合，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工匠精神的新型高層次應(yīng)用型工程人才提供了一種新思路。

參考文獻(xiàn)

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