“凝固技術(shù)”專業(yè)基礎(chǔ)課程建設(shè)與教學(xué)改革實踐

摘?要：“凝固技術(shù)”是西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院為研究生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程面向全校碩士生和博士生開放，是以凝固理論為基礎(chǔ)進行凝固過程控制的工程技術(shù)全面講述，是讓學(xué)生學(xué)會并掌握如何以盡可能簡單、節(jié)約、高效的方法獲得具有預(yù)期組織和性能零件的凝固技術(shù)課程。該課程在教學(xué)過程中加強思政教育，構(gòu)建全新的教學(xué)內(nèi)容體系和方法，堅持“教師為核心，學(xué)生為主體”的教育理念，不斷進行教學(xué)策略、實踐活動和教學(xué)方法的改革創(chuàng)新，有效運用信息技術(shù)手段，正確引導(dǎo)學(xué)生開展探索學(xué)習和自主學(xué)習，重視塑造學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合能力，同時提高教師教學(xué)水平和學(xué)生實踐能力。

關(guān)鍵詞：凝固技術(shù);課程建設(shè);教育改革;教學(xué)策略

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室是在國際凝固及相關(guān)領(lǐng)域具有重要影響的科學(xué)研究基地、人才培養(yǎng)基地、技術(shù)創(chuàng)新基地、學(xué)術(shù)交流基地和國家公共研究平臺，掌握金屬材料凝固原理及其相應(yīng)的凝固技術(shù)，是當今科學(xué)研究和眾多工業(yè)領(lǐng)域工程技術(shù)人員的迫切需求。因此，開展凝固技術(shù)方面的相關(guān)知識教學(xué)，培養(yǎng)凝固技術(shù)和材料成型方面的專業(yè)人才對國家高端裝備的制造非常有必要?！澳碳夹g(shù)”課程作為高等院校傳統(tǒng)材料成型及控制工程專業(yè)凝固領(lǐng)域一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，重點探討金屬材料零件在液—固相變中的一些本質(zhì)規(guī)律、物理規(guī)律以及凝固過程中分析問題的方法，使學(xué)生深入了解先進材料液態(tài)成型的本質(zhì)，掌握金屬材料等先進結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵制備技術(shù)，為后期零件的成型、加工及相關(guān)設(shè)備原理的學(xué)習奠定基礎(chǔ)。近年來，該課程在教學(xué)策略、綜合實踐課、信息化教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等方面進行改革創(chuàng)新，取得了顯著成效。

1 重組課程體系，加強課程思政

“凝固技術(shù)”是一門專業(yè)性較強的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用課程，是在“材料科學(xué)基礎(chǔ)”和“凝固理論”課程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。課程應(yīng)用性強，教學(xué)內(nèi)容與零件制造過程緊密相連。教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握金屬材料凝固原理及其零件制備相應(yīng)的凝固技術(shù)手段，為相關(guān)學(xué)生開展后續(xù)課程學(xué)習和研究生論文研究奠定基礎(chǔ)。由于零件種類多樣，凝固成型所采用的技術(shù)手段多變，各種技術(shù)字面上理解往往抽象復(fù)雜，學(xué)生感到枯燥乏味，從而產(chǎn)生厭學(xué)和恐懼心理。如何根據(jù)本課程的特點和學(xué)生的具體情況開展課程教學(xué)，是本課程的一個重點研究課題。

西北工業(yè)大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)依托“材料科學(xué)與工程”和“機械工程”兩個國家雙一流重點建設(shè)學(xué)科，面向國家、國防和地區(qū)建設(shè)的主戰(zhàn)場，以航空航天等高端裝備制造領(lǐng)域的材料成形技術(shù)為特色，培養(yǎng)具有堅實的自然科學(xué)基礎(chǔ)和工程專業(yè)知識與技能，富有家國情懷和創(chuàng)新精神的復(fù)合型高素質(zhì)人才。根據(jù)該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的具體要求和基礎(chǔ)知識的相關(guān)性，為材料成型及控制工程專業(yè)設(shè)置了鑄造、鍛造及焊接三大核心課程教學(xué)模塊，本課程隸屬于鑄造領(lǐng)域模塊專業(yè)課程。新的教學(xué)方案基于材料科學(xué)基礎(chǔ)知識，針對一些特定的鑄造零件，將凝固基本理論、規(guī)律和原理與零件生產(chǎn)過程全面結(jié)合在一起，對金屬凝固成型理論基礎(chǔ)課程進行了全新的升級管理。

在課程教學(xué)過程中，教師始終將課程思政覆蓋全課程，秉承西北工業(yè)大學(xué)“公誠勇毅”校訓(xùn)和“三實一新”校風，將“航空報國”思想和“家國情懷”意識融入課程、融進學(xué)生頭腦，厚植學(xué)生的愛國主義情懷，并始終將最新國際和國內(nèi)科研動態(tài)融入課程講解過程中。如課程在第一章緒論開始部分就引入“一代材料、一代裝備”概念，以“西工大現(xiàn)象”中J-20總師楊偉院士、運-20總師唐長紅院士、我國探月工程總設(shè)計師吳偉仁院士為例，激發(fā)同學(xué)們學(xué)習航空航天先進材料及其零件制備技術(shù)的熱情及家國情懷。在對金屬材料凝固成型講述過程中，使學(xué)生了解到各種先進的凝固技術(shù)制備工藝，包括定向凝固、單晶生長、快速凝固、連續(xù)鑄造、壓鑄、永久鑄模等;進一步了解凝固技術(shù)在先進材料研發(fā)中重要作用，尤其凝固組織控制調(diào)控鑄件最終的力學(xué)性能;隨時掌握并跟蹤目前國際上凝固技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域和熱點問題，注重培養(yǎng)在凝固技術(shù)和材料成型領(lǐng)域的國際化人才。

2 多樣化教學(xué)方法

本課程除了凝固基礎(chǔ)理論較為枯燥、抽象外，多數(shù)學(xué)生們還沒有深入接觸到很多前沿性的凝固技術(shù)手段，在理解上存在一定困難。課程教師堅持“以教師為核心，以學(xué)生為主體”，選擇研討式、互動式、參與式的教學(xué)策略，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習能力，啟發(fā)思維，正確引導(dǎo)他們進行探究式學(xué)習，提高教學(xué)的效率。在教學(xué)方式上采用動畫教學(xué)，教學(xué)力求技巧，吸引學(xué)生;基于材料科學(xué)基礎(chǔ)知識，教師在課堂教學(xué)過程中采用多種凝固技術(shù)動畫模擬演示方法，引入國際上前沿凝固原理及技術(shù)手段，全方位展示鑄造零件完整成型過程。

2.1 重點內(nèi)容，啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)術(shù)報告，交流互動

培養(yǎng)計劃是人才培養(yǎng)的總體規(guī)劃，人才的培養(yǎng)要根據(jù)領(lǐng)域的要求，課程內(nèi)容也是體現(xiàn)培養(yǎng)計劃教育理念的關(guān)鍵媒介。工科專業(yè)人才培養(yǎng)要堅持以學(xué)生為導(dǎo)向，兼顧領(lǐng)域要求，主要是提高學(xué)生運用知識的能力，塑造學(xué)生的創(chuàng)新能力。教學(xué)的課程內(nèi)容也應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，并根據(jù)個人情況堅持下去，與時俱進。教學(xué)策略將傳統(tǒng)策略與當代教學(xué)方法緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習中的主動性和自覺性，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習能力，逐步適應(yīng)不斷發(fā)展所要求的教學(xué)方法，通過凝固領(lǐng)域研究團隊實踐活動的立體教學(xué)法，增加課程重點內(nèi)容實踐活動比重，讓學(xué)生有機會將凝固技術(shù)教學(xué)理論應(yīng)用到實際零件鑄造成型過程中，多面培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、獨立思考、解決困難工作的能力。

在傳統(tǒng)課程設(shè)計中，教師的“教”往往是主導(dǎo)因素，而學(xué)生的“學(xué)”卻被忽略了。學(xué)生對知識的掌握通常僅限于課本。當遇到具體的進度問題時，他們不知道如何下手，對當前行業(yè)的發(fā)展趨勢也略知一二。課程教師經(jīng)歷了長期討論，探索新的教學(xué)方法，如讓學(xué)生針對一個特定的問題進行分類、核對材料、對行業(yè)發(fā)展進行調(diào)查，撰寫科研報告。經(jīng)過一段時間提前準備，讓學(xué)生做一些與自身科研方向相關(guān)的凝固技術(shù)領(lǐng)域主題式學(xué)術(shù)報告，任課教師對其報告內(nèi)容進行適當?shù)脑u價和打分。這種方式可以讓學(xué)生及時緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，減少學(xué)習和自身科研方向的差異，改變傳統(tǒng)的教師講課和學(xué)生聽課的教學(xué)方式，改善師生、學(xué)生之間的關(guān)系，互動交流，讓枯燥的教學(xué)越來越生動有趣。

2.2 難點內(nèi)容，變化手段，突出技巧，化難為易

針對學(xué)生缺乏工程社會經(jīng)驗的現(xiàn)狀，在教學(xué)中，學(xué)生對某些教學(xué)內(nèi)容理解較難。教師根據(jù)課程內(nèi)容、課程內(nèi)容和教學(xué)目標，靈活運用當代互聯(lián)網(wǎng)資源和多媒體系統(tǒng)，在教授凝固基本技術(shù)概念和最新進展時，課程教師將現(xiàn)場采集的實驗室照片、工業(yè)生產(chǎn)照片及世界各國制作的視頻制作計算機輔助教育教學(xué)課件，以視覺形象呈現(xiàn)給學(xué)生，再結(jié)合具體工程案例，化難為易，解讀凝固技術(shù)理論要點，塑造學(xué)生對凝固技術(shù)工程的基本概念，讓學(xué)生掌握知識與工業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的好奇心，增強自學(xué)能力。在這個過程中，學(xué)生不僅會在視覺上理解零件的凝固成型過程，而且在教學(xué)討論的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當前我國凝固技術(shù)手段的不足及世界其他國家新技術(shù)創(chuàng)新之處，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣、好奇心和自學(xué)能力，極大開闊了學(xué)生視野。學(xué)生愿意接受這種教學(xué)方式，學(xué)習效果極佳。

2.3 典型案例，引進課堂，鼓勵自主，學(xué)以致用

課程內(nèi)容一般廣泛而復(fù)雜，體現(xiàn)在教科書上的內(nèi)容往往標題多，分析少，定義抽象，表達簡單。彌補這一不足的合理方法是在教學(xué)過程中適當?shù)亟徊嬉恍┥a(chǎn)制造的案例。例如，學(xué)生在學(xué)習定向凝固技術(shù)時，以社會上和學(xué)生們均關(guān)注度非常高的“航空發(fā)動機用單晶葉片”和“半導(dǎo)體芯片用單晶硅”為課程重點講述對象，既可以成功吸引學(xué)生們的學(xué)習熱情，更為形象地闡述定向凝固技術(shù)和原理，還能讓學(xué)生們深刻認識到我國和西方發(fā)達國家之間的差距，奮發(fā)圖強。類似案例的應(yīng)用往往會給學(xué)生留下深刻的印象，起到事半功倍的教學(xué)效果。

此外，我們在教學(xué)中還發(fā)現(xiàn)，在講述“鑄件熱裂”這一節(jié)內(nèi)容時，由于熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力很難量化，學(xué)生一時通常會感到難以理解。這時，教師要求學(xué)生根據(jù)自己材料科學(xué)基礎(chǔ)和凝固原理的相關(guān)基礎(chǔ)知識，啟發(fā)學(xué)生，鼓勵學(xué)生自主，提出自己的看法，通過什么樣的措施，才能有效消除鑄件熱裂現(xiàn)象。如需要分別從合金本身性質(zhì)、鑄型結(jié)構(gòu)、冒口布置、澆注工藝考慮，并能從了零件實際生產(chǎn)過程出發(fā)，讓學(xué)生大膽提出自己的見解，學(xué)以致用。

3 多渠道強化實踐教學(xué)

為更好地提高學(xué)生的實踐能力，將本課程內(nèi)容的教學(xué)實驗及相關(guān)內(nèi)容納入材料學(xué)院工程素質(zhì)教育平臺，包括專業(yè)實踐平臺和項目實踐活動平臺等。

3.1 利用專業(yè)實踐平臺，開設(shè)設(shè)計性實驗和綜合性實驗

本課程內(nèi)容的實驗教學(xué)多為動畫演示性實驗，學(xué)生沒有設(shè)計和自主創(chuàng)新的空間，實踐動手能力相對有限。在綜合性實驗中，在專業(yè)實踐平臺上設(shè)置與本課程及其他專業(yè)學(xué)科內(nèi)容密切相關(guān)的實驗內(nèi)容。實驗以工程為情境，產(chǎn)品為對象。根據(jù)綜合實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、自學(xué)能力、實驗操作能力、應(yīng)用基礎(chǔ)知識分析和解決問題的能力，實驗論證金屬材料凝固成型理論對其零件成型過程的指導(dǎo)意義。

根據(jù)本課程的講述內(nèi)容和學(xué)生對未來工作崗位的需求，讓學(xué)生明確該用什么，該學(xué)什么，教師該教什么，做到教、學(xué)、用統(tǒng)一，以教學(xué)目標驅(qū)動完成教學(xué)工作任務(wù)。本課程教師具有凝固領(lǐng)域豐富的科研項目和工程研究背景，經(jīng)常以服務(wù)企業(yè)實際生產(chǎn)過程中零件設(shè)計及加工工藝為例，根據(jù)具體工作內(nèi)容，從零件設(shè)計圖紙的分析入手，根據(jù)角色規(guī)定和技術(shù)標準零件，整合課程內(nèi)容，明確零件種類和成型方法，制定零件的凝固成型工藝路線，明確凝固成型工藝的主要參數(shù)，講述零件成型工藝圖設(shè)計及有限元仿真模擬結(jié)果等。該過程以工程特定鑄造零件的生產(chǎn)過程為主導(dǎo)，以典型零件和加工工藝為媒介，以項目推動教學(xué)，縮短了教學(xué)與實際生產(chǎn)的距離，促進課程內(nèi)容的學(xué)習效果。

3.2 利用項目實踐平臺，打造“雙師型”師資隊伍

教師將課程內(nèi)容中的基礎(chǔ)知識與社會實踐內(nèi)容緊密結(jié)合，并根據(jù)問題進行多方面的拓展和強化。實踐活動表明，在這項工作中，提高了學(xué)生的實踐能力和教師課堂教學(xué)水平，同時塑造了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，擴大了學(xué)生的就業(yè)面。

金屬凝固技術(shù)課程內(nèi)容理論性和技術(shù)性很強，課程開發(fā)、改革和創(chuàng)新需要結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展特點。本課程內(nèi)容除了教師向?qū)W生傳授凝固技術(shù)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，還積極與區(qū)域相關(guān)企業(yè)進行交流合作，開展普遍協(xié)作，相互依托，提高產(chǎn)業(yè)基地的基礎(chǔ)建設(shè)。優(yōu)秀課堂教學(xué)產(chǎn)業(yè)基地的基礎(chǔ)建設(shè)，不僅可以合理解決學(xué)生學(xué)習難、就業(yè)難的問題，也為教師參與企業(yè)科技創(chuàng)新項目、新產(chǎn)品開發(fā)、課題研究提供了極好的機會，有利于打造高素質(zhì)的“雙師型”師資隊伍。

4 合理運用信息技術(shù)手段

針對金屬凝固成型基本原理內(nèi)容難懂，利用多媒體系統(tǒng)和視聽產(chǎn)品輔助課堂教學(xué)，提升學(xué)習效果非常有效?，F(xiàn)階段，一些基礎(chǔ)原理課的內(nèi)容大多都是教師講授，講授過于詳細。這種教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生只能被動上課，缺乏創(chuàng)新能力，是一種單邊填鴨式的教學(xué)方式。這種死板的填鴨式課堂教學(xué)要轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熃虒W(xué)與學(xué)生分析科研緊密結(jié)合，利用視聽產(chǎn)品、信息化教學(xué)、在線學(xué)習平臺、試題庫等優(yōu)秀教學(xué)手段來完成互動課堂教學(xué)，讓學(xué)生由被動變?yōu)橹鲃樱岣邔W(xué)習效果，提升教學(xué)水平。

信息化教學(xué)融合語言表達、文字、聲音、圖形、形象、動畫等多種新聞媒體信息內(nèi)容，圖文結(jié)合，形象生動?；睘楹啠o為動，實現(xiàn)抽象化和精細化，讓學(xué)生受益匪淺，對其創(chuàng)新能力的塑造和提升發(fā)揮了積極作用。例如，在“定向凝固”一章的解釋中，定義較多，整個凝固過程復(fù)雜。傳統(tǒng)課堂教學(xué)中僅僅使用圖片和示意圖，往往耗費大量教學(xué)精力和時間，學(xué)生解讀起來也難以理解，很難達到優(yōu)秀的學(xué)習效果。信息化教學(xué)以聲音、動畫、視頻等多種形式的教學(xué)課件，進行栩栩如生的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，減少了傳統(tǒng)課堂習題教學(xué)帶來的麻煩，提高了學(xué)生的學(xué)習效果，促進了師生之間的交流。此外，靈活地利用現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢和互聯(lián)網(wǎng)在課堂教學(xué)中的客觀性、及時性和便捷性，利用所有的數(shù)據(jù)可視化手段，如文字、動畫、視頻、聲音等多媒體系統(tǒng)，進行適當?shù)囊龑?dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生理解和把握課程內(nèi)容的重點難點問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的主動性和興趣愛好，同時實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)共享。

5 結(jié)語

西北工業(yè)大學(xué)“凝固技術(shù)”專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)，在多年的基礎(chǔ)建設(shè)和改革創(chuàng)新中，課程教師多渠道強化綜合實踐課程，將課程內(nèi)容與學(xué)校專業(yè)實踐平臺與項目實踐平臺結(jié)合，強調(diào)學(xué)生工程實踐能力的提高，塑造學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)，提高教學(xué)策略多元化。圍繞“教師為核心，學(xué)生為主體”的教育理念，選擇研討式、互動式、參與式等多種教學(xué)策略，正確引導(dǎo)學(xué)生進行探索性學(xué)習和自主學(xué)習。在教學(xué)過程中，有效地應(yīng)用信息技術(shù)手段，提高課堂教學(xué)效率和學(xué)習效果?？偠灾诙嗄甑摹澳碳夹g(shù)”基礎(chǔ)課程建設(shè)和教育改革的基礎(chǔ)上，本課程學(xué)生取得了優(yōu)異的成績，任課教師提高了教學(xué)水平。

參考文獻：

[1]陳媛芝，汪沉沉.課程思政在《晶體生長與凝固技術(shù)》中的實踐與探索[J].科技資訊，2020（11）：213-214.

[2]江濤.定向凝固技術(shù)在材料科學(xué)與工程專業(yè)實驗教學(xué)中的研究和應(yīng)用[J].人力資源管理，2018（12）：266-267.

[3]盧艷麗，王永，陳錚.MOOC與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的融合創(chuàng)新——以材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)為例[J].教育教學(xué)論壇，2018（20）：185-186.

[4]張櫻.我國高等工程教育課程改革問題研究綜述[J].清華大學(xué)教育研究，2020（2）：120-124.

[5]王軍，王會霞，胡云巖.工程素質(zhì)教育平臺的建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索，2017（6）：175-177.

基金項目：2019年西北工業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革專項（06040-19GZ210101）;2021年西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)研究生培養(yǎng)質(zhì)量提升項目（21 GZ220101）

作者簡介：楊文超（1985—?），男，漢族，陜西寶雞人，工學(xué)博士，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副教授，研究方向：金屬材料成型及控制。