面向新工科建設的有色金屬加工課程混合式教學改革

秦芳誠，劉崇宇，李義兵，亓海全，黃宏鋒

（桂林理工大學 材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

在“一帶一路”倡議、“中國制造2025”等國家戰略規劃的大背景下，圍繞新技術、新業態、新模式、新產業等新經濟（含傳統產業升級改造）對工程科技人才的知識和能力需求，急需加快開展工程教育改革創新，推進“新工科”的研究、實踐、建設和發展。材料是人類賴以生存和從事一切活動的物質基礎，現代化建設的高速發展對材料的功用提出了更高要求，催生了對自然界有色金屬（鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂及鎂合金、鈦合金等）的大力開發與應用，任何有色金屬材料的使用都要經過加工成形，其成形加工技術在國民經濟中占有極為重要的地位。有色金屬材料加工的任務是解決其幾何成形及內部組織、性能控制的問題，以獲得所需形狀、尺寸和質量的毛坯或零件，在加工方法的選擇上要綜合考慮有色金屬的種類、性能和零件的形狀尺寸、工作條件和使用要求、成本等因素，以實現技術可行、質量可靠和成本低廉的目的。因此，針對面向新工科建設的金屬材料工程方向本科生有色金屬加工課程的性質、特點與重要地位，分析目前該課程教學的現狀及存在的問題，提出能夠切實改革教學內容、教學方法和手段的關鍵措施。

1 教學現狀及存在的問題

有色金屬加工是金屬材料工程方向的一門專業基礎課，是使學生掌握基礎理論與專業技能，培養專門技術人才和創新型人才，該課程集加工原理、加工工藝和設備于一體。目前除了單一課堂講授為主的靜態教學外，還有線上與線下的混合，即“E（e-Learning）+C（Classroom）”的混合模式，沒有體現學習目標的混合、“學”與“習”的混合，混合的策略過于簡單，達不到預期的效果，學生創新思維和能力得不到訓練、提高。而教學理念和教學模式的新穎程度是高等工科院校在專業課教學過程中需要加以重視的核心問題，亟待探索解決傳統教學模式和方法的新舉措，如在工廠實習環節中，學生只能看到簡單工藝流程，知識應用與實踐純粹變成了走馬觀花式的觀摩過程，無法體會當中涉及的科學問題，制約了學生實踐能力和創新思維的提高[1]。目前的教學方法與實習模式已不適應新形勢下的要求，改革與創新勢在必行。

2 教學改革的關鍵措施

2.1 課程內容改革的重點

有色金屬加工涵蓋了冶金、鑄造、塑性變形、熱處理等材料科學知識，對于具有服務地方經濟發展特色的工科院校而言，應該結合有色金屬資源冶煉、加工和產業化的區域優勢，實現對有色金屬材料加工的全流程控制（圖1）。根據金屬材料工程專業方向新工科建設目標，課程改革要側重于有色金屬加工理論、方法和技術方面，突出鋁合金及鋁基復合材料的冶煉、鑄造和深加工內容。有色金屬加工課程教學內容上融合有色金屬加工專業課、計算機編程設計和數值仿真技術，通過學習程序設計基礎、數值模擬應用課程來培養學生對現有有色金屬加工課程專業課知識、計算機技術和軟件的運用和操作能力，根據有色金屬構件的形狀不同主要包括軋制加工、擠壓加工、拉拔加工和鍛造與沖壓加工等方法，如圖2所示，要體現信息化對傳統優勢工科專業的促進與引領，緊密圍繞在區內具有行業特色的南南鋁等大型企業的產業化應用周圍，應切實結合廠實際應用的工藝技術，講授一些新知識，解決一些新問題，在此基礎上構建面向新工科建設的有色金屬加工課程混合式教學與學習模式，達到促進行業長遠發展的目的。

2.2 改革教學方法

圍繞著有色金屬加工課程教學的重點和難點，改革現有教學大綱、課件及實驗內容，引入程序設計、數值仿真領域多學科交叉的創新方法，融合金屬材料加工方向專業知識運用，結合廣西南南鋁業集團的板材軋制加工、型材擠壓加工、中國鋁業公司（平果）的鋁土礦棒磨機襯板（圖3）加工等，改善傳統單一教學模式的不足。在有色金屬加工課程理論教學重點講深講透基礎上，融合廣西有色金屬生產一線案例進行虛擬仿真模擬，對有色金屬加工實驗課程進行綜合設計，使學生能舉一反三；由于有色金屬加工是一門實踐性很強的課程，講解重點時注意應該對得出這一重要結論的實驗方法，給以必要、詳細講解，從而達到學生理解并牢記教學重點。在“教、學、考、用”方面融入全新教學模式，采取創新性的教學模式和質量控制措施，使教學效果顯著、特色鮮明[2]。

3 教學模式實踐

在教學模式實踐中，需融入計算機技術應用、先進控制技術和先進集成設備開發及自動化。針對有色金屬構件加工中的變形區應力場、應變場和溫度場進行模擬，可以預測金屬充填模膛情況、鍛造流線分布和缺陷產生，分析加工過程的熱效應及其對組織結構和晶粒度的影響，掌握變形區的應力分布，以便于分析缺陷產生的原因和設計模具結構；柔性加工系統應用于有色金屬加工過程的控制與檢測，實現自動生產，如柔性加工系統在發達國家的輕量化汽車覆蓋件沖壓生產線上的應用[3]。

圖2 有色金屬構件形狀及其主要加工方法

圖3 鋁土礦棒磨機襯板

高精度、高效和低耗的精密加工技術（如冷鍛技術、溫鍛技術、精沖）逐漸成為中小型有色金屬精密構件生產的發展方向；粉末鍛造（粉末冶金+鍛造）、液態模鍛（鑄造+模鍛）等復合工藝可以簡化模具結構，提高成形性能，熱鍛-溫整形、溫鍛-冷整形、熱鍛-冷整形的組合工藝可以大批量生產高強度、形狀復雜的有色金屬構件。逐漸將傳統有色金屬加工設備由綜合了計算機技術、光電技術等先進技術的高效、高精度和多工位的加工設備取代，提高加工過程可靠性和監控能力，尤其在大批量生產中，采用計算機控制技術、轉送機器人、機械手等將有色金屬下料、加熱、制坯、模鍛、切邊和熱處理、檢驗等工序實現自動化，實現具有自主知識產權的高鐵車廂型材超大噸位油壓雙動鋁擠壓生產線開發。

因此，結合數值仿真技術、Abaqus有限元仿真平臺、UG建模軟件、Origin數據綜合處理等常用金屬材料加工過程軟件技術，了解計算機信息技術在金屬材料加工中的地位與應用，對有色金屬加工課程領域典型金屬材料構件（如鋁合金板材、棒材、型材、線材等）加工實驗進行預先分析與模擬，據此指導和開展《有色金屬加工》課程拓展性綜合實驗設計，學生可以很好的掌握有色金屬加工課程相關專業知識的運用，自主完成有色金屬材料加工過程工藝參數計算與數值模擬優化設計，掌握數據庫開發與設計能力，形成嚴謹的邏輯思維推理能力和實踐技能，增長團隊合作意識與協作能力[4]。

4 總結

面向新工科建設的有色金屬加工課程混合式教學改革包括了構建有色金屬加工混合式教學課程體系、有色金屬加工混合式實驗課程體系，通過這些創新教學與學習體系的改革與實踐，可以改善傳統單一教學體系的不足，有效培養金屬材料加工專業學生計算機實用技能、程序設計、數值仿真與理論專業知識運用能力，使學生能夠明確學習方向、掌握學習方法、激發創新能力、積極展現自我，從而推動新工科建設的發展和進步。