基于新工科建設的“鑄造工藝學”課程改革探索

摘 要：近年來鑄造產(chǎn)業(yè)向著信息化智能化方向迅猛發(fā)展，鑄造企業(yè)高技術人才缺口越來越大，而高校傳統(tǒng)鑄造工藝教學內(nèi)容相對陳舊，教學內(nèi)容、教學方法和教學模式難以適應企業(yè)需求。為了滿足“新工科”建設要求，培養(yǎng)適應傳統(tǒng)鑄造行業(yè)改造升級的新型工程科技人才，本文結(jié)合江蘇大學材料成型及控制工程專業(yè)鑄造方向人才培養(yǎng)的實際情況，分析鑄造工藝課程教學面臨的普遍突出問題，并從“線上線下”相結(jié)合的教學模式、構(gòu)建鑄造工藝虛擬教學平臺、將教學內(nèi)容與課外實踐相結(jié)合、建立合理的評價體系四個方面，詳細闡述了江蘇大學對“鑄造工藝學”課程進行的改革探索，旨在提高學生的積極主動性，有效地理解和掌握鑄造工藝設計理論知識，提升學生工藝設計實踐能力，為學生學好這門課程提供積極探索并積累有益經(jīng)驗。

關鍵詞：鑄造工藝學;教學探討;材料成型

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】]A

鑄造工藝學是目前國內(nèi)高校材料成型及控制工程專業(yè)普遍開設的一門專業(yè)課程，其教學目標是為了使學生了解和掌握鑄造工藝設計的基本理論、方法和原則，培養(yǎng)學生獨立解決鑄造工藝設計問題的能力[1]。因此，鑄造工藝學是一門既具有一定理論性又具有很強的工程性與實踐性的課程。該課程包括了三部分：金屬-鑄型界面作用;造型材料與造型工藝;鑄造工藝與工裝。鑄造工藝學課程是成型專業(yè)鑄造方向?qū)W生掌握鑄造基本原理方法，進行鑄造工藝設計的基礎[2]。但是，該課程內(nèi)容繁雜，單純的課堂教學效果差，且教學內(nèi)容較為陳舊，難以適應新工科建設要求。

一、教學過程中存在的問題

長期以來，鑄造工藝學課程始終以課堂教學為主，隨著多媒體教學的興起，視頻、動畫等多媒體教學方式逐步取代了板書[3]，在一定程度上幫助學生更清晰的認識鑄造工藝方法及其內(nèi)在原理。但是，教學效果仍不理想，特別是新工科建設要求提出后，鑄造工藝學作為一門重要的專業(yè)課程，必須做出適當調(diào)整以適應新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動對鑄造人才的需求。具體而言，鑄造工藝學課程教學中存在如下問題：

（1）教學內(nèi)容多而且較為陳舊

目前，大多數(shù)高校仍以1998年機械工業(yè)出版社出版的《鑄造工藝學》作為授課教材，教材內(nèi)容主要圍繞砂型鑄造進行介紹，盡管內(nèi)容全面，基礎理論介紹系統(tǒng)。但是，教材內(nèi)容中鑄造工藝設計相關內(nèi)容以抽象的公式和參數(shù)選擇為主，學生不易理解。且目前實際生產(chǎn)中鑄造工藝多依靠數(shù)值模擬優(yōu)化參數(shù)和工藝方案，教學內(nèi)容與實際生產(chǎn)脫節(jié)。更重要的是，經(jīng)過幾十年的研究，鑄造工藝及缺陷相關理論已有新的發(fā)展，教學內(nèi)容不應當再拘泥于傳統(tǒng)教材。

（2）教學模式較為單一枯燥

目前課堂教學已基本由PPT 多媒體教學代替了原來板書教學模式，以視頻和動畫的形式解釋鑄造過程及相關原理，在一定程度上豐富了教學形式。但是，在多媒體技術快速發(fā)展的今天，上述形式已經(jīng)難以調(diào)動學生學習興趣。此外，多媒體教學還存在放映速度太快的問題。教師在使用多媒體進行課堂教學過程中，往往以自己的講解節(jié)奏進行，而PPT 放映結(jié)束后，學生再無法看到相應內(nèi)容，難以避免部分知識點學生來不及理解或記錄筆記。

（3）學生主動性差

鑄造工藝學很多教學內(nèi)容與工程實際緊密相關，但是學生在學習本課程時還未進行生產(chǎn)實習，對實際鑄造生產(chǎn)過程缺乏認識。所有鑄造工藝相關概念只能從書本上獲得，盡管課堂教學中可以展示部分真是照片和視頻，但是整體缺乏現(xiàn)場感。這使得鑄造工藝課程以教師主動講授學生被動接受為主。而教師授課多從專業(yè)工程角度出發(fā)，與學生思維方式有很大差別，難免使學生對教學內(nèi)容失去興趣。

二、教學改革的思考

（1）建立線上線下相結(jié)合的教學模式

傳統(tǒng)課堂教學模式難以激發(fā)學生學習興趣，教學效果差，借助線上線下相結(jié)合的教學模式可以有效解決這一問題。線下教學以關鍵的基本知識點為主，通過案例的方式引入問題，帶領學生從凝固原理的角度思考解決問題，進而加深學生對鑄造工藝設計的理解。此外，線下教學也可以借助現(xiàn)有教學平臺，如“雨課堂”等，在課堂教學中加入手機互動環(huán)節(jié)。給線下課堂教學增添活力，并徹底解決“手機”帶來的課堂教學問題;而線上教學作為線下教學的補充，可以豐富學生知識結(jié)構(gòu)，開拓學生視野，激發(fā)學生進行主動學習和研究。互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡上新鮮事物層出不窮，很容易激發(fā)學生的好奇心和興趣。可以借助學生的這種心理特點，引導學生主動學習。建立線上學習資源，一方面老師可以以視頻或圖片形式上傳課程關鍵知識點講解剖析，鑄造或者凝固相關的科學現(xiàn)象與學習資料，特別是國內(nèi)外鑄造工藝相關研究的前沿成果，并且提供線討論交流的渠道。另一方面，學生可以通過貼吧的形式，針對鑄造工藝相關問題進行發(fā)帖提問和跟帖討論，進而加強學生與學生之間、學生與老師之間的溝通，培養(yǎng)學生對鑄造工藝的學習和研究興趣。

近年來，鑄造行業(yè)自動化水平不斷提升，制芯、造型、澆注、清理、檢驗等各個鑄造工藝流程中大量人力被替代。原有鑄造工藝學課本教學內(nèi)容與實際現(xiàn)場差別較大，很多工藝方法和思路已經(jīng)被新的工藝方法所替代。線上教學還可以幫助學生多了解鑄造方向國際發(fā)展前沿，學習認識鑄造新方法、新裝備，特別是歐洲發(fā)達國家的高自動化水平鑄造生產(chǎn)線。從而轉(zhuǎn)變學生對鑄造行業(yè)臟亂差的認識。

（2）建立鑄造工藝虛擬教學平臺

鑄造工藝過程復雜，熔煉、每個工藝細節(jié)都有可能影響最終鑄件質(zhì)量，如何讓學生理解其中的機理和內(nèi)在聯(lián)系，進而基于此進行工藝設計，是工藝學課程的教學難點和重點。顯然，讓學生參與實際鑄件的合金熔煉、造型材料選擇、分型面設計、澆注系統(tǒng)設計、凝固順序設計與控制等工藝流程，能夠使其快速掌握鑄造工藝設計的基本原理和方法。但是，受到種種條件制約，目前還無法實現(xiàn)實際現(xiàn)場教學，這使得構(gòu)建虛擬教學平臺顯得尤為重要。

虛擬教學平臺可以實現(xiàn)從工藝設計、熔煉、造型、澆注到鑄件清理的鑄造全過程的設計與實踐，不但能夠使學生掌握工藝設計必須的理論知識，還能夠使學生熟悉各種鑄造設備及其操作規(guī)范，了解設備適用范圍，為今后實際工藝設計打下堅實的理論和實踐基礎。與此同時，虛擬教學平臺可以充分發(fā)揮學生的自主性和創(chuàng)造性，使課本上的知識變得更加靈活。從而，進一步激發(fā)學生的學習興趣，將被動學習變?yōu)橹鲃訉W習。江蘇大學材料成型及控制工程專業(yè)搭建了“高強韌鋁基納米復合材料成分設計與性能調(diào)控虛擬仿真實驗”，該虛擬仿真實驗平臺包含了實驗簡介、課前預習、材料設計、工藝優(yōu)化、組織性能分析、考核評價、學習交流、實驗幫助共8個模塊，實現(xiàn)學生在虛擬環(huán)境下對鋁硅合金材料進行不同成分配比的探究，通過工藝優(yōu)化得到最佳的材料性能，并了解不同材料成分對組織性能的影響。加深學生對材料和成型工藝之間內(nèi)在聯(lián)系的認識和理解，教學效果顯著。

（3）將教學內(nèi)容與課外實踐相結(jié)合

生產(chǎn)實習是材料成型及控制工程專業(yè)學生的關鍵課外實踐環(huán)節(jié)，也是學生接觸生產(chǎn)實際的重要途徑，但是目前，大部分教學與生產(chǎn)實習沒有很好的結(jié)合。使學生在實習中不了解看到的是什么，為什么這么做，很難做到理論聯(lián)系實習。因此，大部分實習環(huán)節(jié)變成了走馬觀花，學生對實習的印象不深刻，限制了實習對專業(yè)課學習的幫助效果[4]。教師在開展鑄造工藝學課程前，要注意先了解實習中可能涉及到的工藝方法和鑄造設備。在上課過程中，講解到相關知識點，可以有選擇的引用生產(chǎn)實習的實例，這樣既能幫助學習理解知識點，又能加強生產(chǎn)實習效果，使生產(chǎn)實習變成鑄造工藝學課程的延伸。

（4）建立合理的評價體系

鑄造工藝學課程考核目前還是以試卷考察為主，主要考察學生對基本概念和基本原理的掌握情況。實際上，這些對于鑄造工藝設計是遠遠不夠的[5]。鑄造工藝學需增加實踐設計考察環(huán)節(jié)，要求學生獨立完成鑄件的整個工藝流程設計，包括合金的熔體處理、造型材料的選擇、鑄件澆注系統(tǒng)設計、分型面的選擇、冒口冷鐵設計等內(nèi)容。需要學生綜合利用“液態(tài)金屬成形原理”、“鑄造合金及其熔煉”、“造型材料”、“鑄造工藝學”等多門課程知識。可以作為鑄造工藝學課程學習后的總結(jié)。由于工作量較大，可以安排多個學生組成團隊，以小組形式完成工藝設計，同時培養(yǎng)學生靈活運用專業(yè)知識的能力和團隊合作意識。

全國鑄造工藝設計大賽能夠全面鍛煉學生工藝設計能力[6]，同時使學生熟悉常用的工藝設計軟件，如AutoCAD、UG、ProCAST等。經(jīng)過大賽鍛煉，學生基本能夠獨立完成鑄造工藝設計，實踐能力得到迅速提升。江蘇大學材料成型專業(yè)早在幾年前就開始重視鑄造工藝設計大賽，并在本科生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中專門設置了實踐學分，參加鑄造工藝設計大賽并提交完整的作品是獲得該實踐學分的關鍵途徑。從而將鑄造工藝設計大賽變成了課堂教學的有力補充，且在提升學生實踐能力方面效果明顯。

此外，為了適應鑄造信息化智能化的發(fā)展需求，還應鼓勵學生采用包括特種鑄造工藝在內(nèi)的多種工藝方法進行工藝設計[7]，并對所用方法進行對比，分析各種方法的優(yōu)勢與缺點，掌握各種鑄造方法的局限性和適用范圍。評價體系要以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為核心，提高學生利用新方法處理工藝設計問題的能力。如，利用制圖軟件對鑄件進行三維建模來代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維工藝圖紙;利用數(shù)值模擬軟件計算鑄件充型流場和凝固溫度場，并據(jù)此對澆注系統(tǒng)和冒口等進行優(yōu)化設計，替代澆注系統(tǒng)和冒口的傳統(tǒng)估算方法。在考察學生學習情況的過程中，使其了解目前鑄造工藝設計的主流方法和流程。

三、結(jié)語

鑄造工藝學課程既要求學生掌握基本原理，有要做到理論聯(lián)系實際。針對目前該課程普遍存在的問題，本文提出了“線上線下”相結(jié)合、虛擬教學等新方法，以充分調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性，提升教學效果。并且要做到課程學習與實踐的緊密結(jié)合，才能加深學生對課程的認識和理解。

參考文獻

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[4]李楊， 張尚洲. 新舊動能轉(zhuǎn)換下的熔模鑄造產(chǎn)學研合作新模式探索——以煙臺大學核裝備與核工程學院為例[J]. 教育教學論壇，2020（50）：250-251.

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[6]張雅靜.“大學生鑄造工藝設計大賽”促進專業(yè)教師綜合能力的提升[J]. 科教導刊，2021（05）：71-73.

[7]王偉春， 黃偉明， 潘東杰， 陳云祥. 淺談人工智能背景下高職鑄造專業(yè)的教學改革[J]. 鑄造工程，2021，45（01）：61-66.

江蘇大學 材料科學與工程學院 趙信毅