“熱處理工藝學”理論教學與實踐教學融合的探索

崔春娟 劉曉燕 趙旭 楊西榮

摘 要 根據新經濟形勢和新工科對人才培養的要求，結合多年的教學經驗，通過改革教學方式、教學內容以及實踐教學環節，多層次、多規格、多視角地體現“熱處理工藝學”課程內涵，實現“熱處理工藝學”理論教學與實踐教學的較好融合，該項目的研究有助于學生創新意識和創新能力的培養，使學生具備智能制造和虛擬生產的能力。

關鍵詞 熱處理工藝學 理論教學 實踐 數值模擬 融合

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.03.056

Exploration on the Integration of Theoretical Teaching and Practical Teaching of Heat Treatment Technology

CUI Chunjuan， LIU Xiaoyan， ZHAO Xu， YANG Xirong

（School of Metallurgical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi 710055）

Abstract According to the requirements of the new economic situation and new engineering for talent training， combined with many years of teaching experience， through the reform of teaching methods， teaching contents and practical teaching links， the connotation of heat treatment technology course can be reflected in multi-level， multi specification and multi perspective， and the better integration of theoretical teaching and practical teaching of heat treatment technology can be realized. The research of this project is helpful to students' innovation， the cultivation of new consciousness and innovation ability enables students to have the ability of intelligent manufacturing and virtual production.

Keywords heat treatment technology; theoretical teaching; practice; numerical simulation; integration

一流專業建設是建設高水平本科教育、提高人才培養水平的有效途徑之一。而升級改造傳統專業，是進一步提升專業培養水平、服務地方經濟的有效措施。 [1]而課程建設是一流專業建設的核心，課程建設的靈魂與實質是課程教學體系的改革。教學模式是保證教學效果的重要手段，是提高大學生綜合素質的最重要途徑。[2]培養學生具備扎實理論基礎的同時，培養其創新意識和創新能力，是雙一流專業課程教學工作需要長期探索與實踐的主要工作之一。 [3]

“熱處理工藝學”是金屬材料工程專業本科生的必修課程之一。其前面有大學物理、高等數學、金屬學等先導課程作為基礎，后面又有熱處理工藝數值模擬作為支撐，起著承前啟后的作用。通過學習，學生能夠掌握熱處理工藝的基本原理，熟悉熱處理工藝對金屬材料的組織和性能的影響，能夠正確選擇與使用金屬材料，并為材料的改性、研發新材料及開發新工藝奠定良好的基礎。

然而，在該課程的教學過程中，教學模式仍然停留在單一的課堂講授的教學模式，長期以來進行“填鴨式”教育、且缺少新的教學模式，學生獨立思考的空間較少。另外，教學理論與教學實踐相互脫節，也大大影響了教學效果與教學質量。通常，理論源于實踐，也需要實踐檢驗其正確性，教學也概莫能外。[4]因此，教學理論與教學實踐是一個相互作用的過程，在這一過程中，彼此需要反復融合。教育部自2017年2月以來積極推進新工科建設，并發布了相關文件，[5]因此，在“熱處理工藝學”課程教學中進一步加強金屬材料的智能制造以及虛擬生產能力的培養也迫在眉睫。另外，利用各種創新創業計劃，培養大學生的創新意識、提升創新能力也是“熱處理工藝學”課程教學模式改革的重點之一。

1 改革“熱處理工藝學”課程設計的教學手段，實現理論教學與實踐教學的深度融合

首先，對“熱處理工藝學”課程設計的教學環節進行教學實踐改革。要求學生利用所學的理論知識，在規定時間內，按照任務書的要求完成某一鋼種的指定零件在某一服役條件下熱處理工藝設計并進行實驗驗證。包括熱處理設備的選擇，制定加熱溫度、加熱方式、加熱介質、保溫時間、冷卻方式和冷卻介質等工藝參數，然后進行熱處理實驗，并采用金相顯微鏡觀察熱處理后的金相組織、采用洛氏硬度儀測量熱處理后的試樣硬度值。通過分析工藝參數、金相組織、洛氏硬度值可以獲取熱處理工藝參數-組織-性能之間的關系。為此，我們選擇常見的鋼種：20#/45#優質碳素結構鋼、馬氏體時效鋼、GCr15軸承鋼、65Mn彈簧鋼、40Cr合金結構鋼、T8/T10碳素工具鋼、9SiCr合金工具鋼、W18Cr4V高速鋼、H13模具鋼、球墨鑄鐵等，并指定具體的零件。學生通過制定相應的熱處理制度，并進行實驗，觀察熱處理后的組織形貌，測試硬度來驗證是否滿足零件的使用要求。這項教學實踐改革，既可以鍛煉學生的動手能力、團隊合作能力;也能培養學生運用所學的理論知識解決復雜工程問題的能力，并進一步鞏固和發展理論知識;也能使學生熟悉熱處理工藝設計的步驟、熱處理設備的選擇、夾具設計等;也能對學生進行熱處理基本技能的訓練，如計算、工藝圖繪制和設計資料、手冊、標準和規范的使用等。真正實現了理論教學與實際教學的深度融合，并兼具趣味性、生動性與多元性。

2 以新工科為背景，加強對學生智能制造和虛擬生產能力的培養

智能熱處理是智能制造的組成部分之一，熱處理計算機模擬是智能熱處理的核心技術。傳統的熱處理工藝大多采用經驗和半經驗的方法，不僅耗費大量的人力、物力、財力，而且很難精確地控制材料的質量。隨著計算機技術的飛速發展，熱處理數值模擬成為一個備受材料研究者關注的研究領域。[6]計算機數值模擬技術以傳熱學、奧氏體化相變動力學等為理論依據，運用有限元方法可獲得熱處理過程任一瞬時工件內部溫度場分布和組織分布。因此，根據工件的形狀、材料種類、加熱介質等因素，就可以實現加熱過程的精確數值模擬。[7]計算機模擬可以使學生掌握與熱處理有關的各種現象的規律，是實現熱處理智能化的必要工具，其發展潛力巨大。[8]

因此，以新工科為背景，以金屬材料熱處理數值模擬的課程設計為支撐，可以培養學生金屬材料智能化生產和智能制造的理念。首先，在計算機輔助設計和輔助制造的基礎上，使學生掌握熱處理數值模擬的基本原理，也就是多場耦合原理。然后進行熱處理過程中溫度場、濃度場、組織轉變、力學性能、應力/應變場、奧氏體晶粒度等的數值模擬技術，以及多場耦合分析技術等。并在此基礎之上，依托金屬材料虛擬生產平臺使學生具備一定的虛擬生產能力。虛擬生產仿真技術是新項目的生產線提前進行工藝規劃的重要手段。一方面避免了過度投資所造成的資源浪費，另一方面可大大降低改造后達不到產能預期的風險。

3 充分利用各種創新創業訓練計劃，提高學生的創新能力

大學生創新創業訓練計劃是“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的重要組成部分，旨在使各個高校轉變傳統教育思想理念，改變傳統的人才培養模式，從而培養適應創新型國家建設需要的高水平高素質人才。充分利用全國熱處理創新創業大賽、陜西省和我校的本科生科技訓練，以課題小組的方式進行自主選題，鼓勵學有余的學生進行熱處理工藝設計及熱處理數值模擬等訓練，在實踐中使學生的實踐能力和創新能力得到很大的提升，并激發其學習興趣、提高學習積極性。另外，從我院教師所主持的科研項目中遴選出與金屬材料熱處理相關的研究題目，并使這些教師擔任指導教師，使學生關于熱處理的知識不僅僅局限于鋼和常見的鋁合金等，可以拓展到其他的有色金屬體系，從而可以開闊視野、強化創新意識、培養創新能力和增強團隊合作意識。

4 結束語

培養適應現代工業信息化和智能化制造的高水平創新人才，是創新型國家建設的人力資源保證。通過改革“熱處理工藝學”課程的教學方式、教學內容以及實踐教學環節等，有助于強化創新意識、培養創新精神、提升實踐能力，為培養具有寬厚的基礎理論知識、扎實的專業知識和基本專業技能，有良好的國際化視野、團隊合作精神，具備智能制造和虛擬生產能力，能夠適應工業信息化和智能化的創新型工程技術人才做出突出的貢獻。

基金項目：2018年度西安建筑科技大學一流專業子項目，“《熱處理工藝學》理論教學與實踐教學融合的探索”（YLZY0803S01）

參考文獻

[1] 馬勝杰.北京服裝學院“雙一流”建設的思考與實踐[J].北京教育（高教），2017（10）：21-23.

[2] 李曦.大學數學課程教學模式的實踐與比較[J].高教學刊，2020，（35）：124-127.

[3] 李慶釗，朱建云.雙一流背景下安全工程《燃燒學》實驗與理論融合式教學探索與實踐[J].高教學刊，2020，（10）：25-29.

[4] 毛紅芳.教學理論本體問題研究[D].博士論文，西安：陜西師范大學，2018.

[5] 張學斌，解明國，吳友坤，等.金屬材料工程專業實踐教學改革與探索[J].教育教學論壇，2020，（37）：213-214.

[6] 張偉，曲周德，鄧小虎.鋼的熱處理數值模擬研究進展[J]. 天津職業技術師范大學學報，2014，24（3）：27-31.

[7] 顧劍鋒，潘建生，胡明娟.淬火過程的計算機模擬及其應用[J].金屬熱處理，2000，25（1）：35-37.

[8] 韓永珍，李俏，胡小麗，等.基于計算機模擬的智能化熱處理的研究進展[J].金屬熱處理，2017，42（07）：194-199.