應用型人才培養的材料成型與加工課程教學實踐*

聶寶華, 陳東初,鄧前軍,胡曉洪,何海英

(佛山科學技術學院材料科學與氫能學院，廣東 佛山 528000)

材料成型與加工課程是材料專業核心課程，涉及材料熔煉鑄造、鍛造、擠壓、軋制、焊接等方法的基本原理、工藝參數、設備結構教學內容，具有鮮明的應用性和實踐性、知識點交叉融合等特征[1]。在應用型人才培養導向下，專業理論課時壓縮，仍然按照以往傳統教學方式，很難完成該課程課堂教學。而且，該課程應用實踐性很強，課程理論教學往往與產業應用實踐相脫節，不利于學生應用型創新實踐能力培養[2]。針對課程知識點繁雜、應用實踐強等特征，以地方高校應用型人才培養為導向，筆者從教學設計、教學方法等方面對課程教學進行改革探索，以期加強培養學生專業素質、工程實踐以及創新能力培養。

1 課程教學優化

1.1 把握課程內涵，精煉課程知識體系

材料成型與加工涉及的知識點繁多，一般包括熔煉鑄造、鍛造、擠壓、軋制、焊接、粉末成型等方法的基本原理、工藝參數、設備結構等教學內容，顯然對少課時教學提出了更高的教學要求。梳理課程內涵，精煉課程內容體系是完成課程教學的前提[3]。材料成型與加工的前期理論課程是材料科學基礎，從合金凝固、材料變形組織與性能、材料表界面等材料科學基礎理論出發，梳理材料液態成型、塑性成型、粉末成型等知識邏輯。實際上，焊接成型，主要分為熔化焊、固態焊接，仍然是以材料科學基礎的合金凝固、材料變形組織與性能為理論基礎。因此，在課程教學的縱向坐標中，要以材料科學基礎為先導，梳理課程知識體系(表1)，將材料成型與加工基礎理論講透。例如，在合金液態成型與熔化焊接成型原理授課中，先講授材料科學基礎中金屬材料凝固組織三大特征、缺陷種類以及影響因素，然后聯系合金液態成型的砂型鑄造、金屬鑄造、焊接母材、焊接熱循環等參數，分析液態成型與熔化成型組織與性能特點，進而闡述材料成型與加工基礎理論。在課程教學橫向坐標中，以材料成型與加工基礎理論、工藝方法為核心，重點講授砂型/金屬型鑄造、擠壓、軋制、電弧熔化焊接、粉末冶金成型等基本理論與工藝方法設計，再介紹材料成型與加工設備結構，達到課程基礎理論、工藝方法、設備結構等模塊教學。

表1 材料成型與加工知識體系Table 1 Knowledge system of material forming and processing

1.2 緊扣學科前沿、工程實踐，豐富課程教學內容

隨著科學技術迅速發展，材料成型與加工新技術新工藝不斷涌現。結合課程教學內容，有機融入學科前沿最新技術工藝(表1)，主要包括：激光熔化/粉末粘結增材制造、超細晶材料加工(大應變、低溫軋制)以及焊接計算機模擬。在理論教學中，應該及時補充相關最新動態，拓展學生前沿科學視野，及時把握材料成型與加工領域的最新動態。在講授前沿進展時，可采用教師引導+學生翻轉課程模式，圍繞增材制造、超細晶材料加工、焊接計算機模擬等方面，將學生分為若干個學習團隊，開展文獻調研、PPT制作、課程授課等學習環節，強化學生對材料成型與加工前沿技術學習能力。

同時，課程教學與材料加工產業工程實踐緊密聯系。該課程實踐性很強，僅僅通過課堂理論教學往往容易與工程實踐脫節。在講授材料成型與加工基本理論與工藝方法后，補充材料加工產業生產工藝(表1)，促進產學深度融合，提高學生生產實踐能力。在講授材料液態成型、塑性成型、焊接成型、粉末成型等模塊時，相應地介紹大尺寸鋁合金熱頂鑄造工藝、鋼鐵材料連鑄連軋工藝，寬幅薄壁鋁合金型材擠壓、鋁合金厚板軋制工藝，航空鋁合金激光焊接、汽車鋁合金電池托盤攪拌摩擦焊接工藝以及航空發動機渦輪盤粉末成型等工業生產過程，讓學生理解課程理論與工業化生產區別與聯系，進而提高學生課程學習的積極性與有效性。

2 教學方法探索

2.1 線上線下混合式教學

材料成型與加工課程知識點繁雜，教師無法針對每一個知識點進行講解，而且不能掌握每個學生學習情況，不利于課程教學。采用“互聯網+”等信息技術，將慕課等課程教學資源，融入課程教學網絡平臺[4]。學生可以通過課程教學網絡平臺，圍繞未熟練掌握知識點，如合金成分過冷與凝固形態、材料變形組織演變等，自主學習慕課教學資源，掌握課程相關知識點，促進材料成型與加工課程學習。同時，突破傳統教學手段的局限，建立手機APP、“雨課堂”等教學創新模式，將課程教學融入每位學生的手機等移動設備，倡導移動式學習，無時差課堂反饋以及多變量考核方，提高學生實時自主學習與互動。

2.2 案例教學

在掌握材料成型與加工基本理論與工藝方法后，以分析、解決分離工程問題為導向進行案例教學。筆者選取6000系鋁合金成型與加工工藝設計為案例，分為鋁合金熔煉、金屬鑄造、熱軋、冷軋、固溶時效、激光焊接與攪拌摩擦焊接等七個加工環節，將學生劃分為7個小組，要求學生按照材料成型與加工基本理論方法，進行工藝參數選取、成型結構設計、加工設備選用，完成各個案例研究報告，提高了學生課程理論學習積極性，增強了學生應用相關理論分析解決問題專業能力，取得較好教學效果。在后續課程教學中，可以設置若干個研究案例，如鈦合金激光增材制造、鋁合金超細晶材料加工制備、材料計算在成型與加工中應用等，進一步激發學生課程學習熱情。

針對該課程教學與企業生產緊密結合特點，涉及到擠壓生產各種工序流程、擠壓設備等，對于學生而言比較陌生、抽象的，不利于課程教授。課程教學首先通過網上共享資源，介紹鋁合金熔煉與鑄造、軋制、擠壓、焊接、表面處理等生產過程(圖1, 圖2)，在課堂上緊密結合企業生產情況開展課程教學，讓學生對材料成型工藝形成直觀的認識，提高學生產業實踐能力。

圖1 鋁合金擠壓生產Fig.1 Aluminum alloy extrusion production

圖2 鋁合金表面陽極氧化Fig.2 Anodizing of aluminum alloy surface

以學生為中心，建立以實際材料企業生產案例，分析的教學方法，提升學生解決復雜工程問題的能力。在課程實際教學過程中，采用與實際生產相關的案例，如汽車用高強耐蝕可焊6082鋁型材生產為例，從合金成分設計、工藝參數優化、模具設計與優化、材料組織與性能分析、表面處理等專業知識體系，以學生為主體，完成方案設計、合理性分析、工藝參數分析、結果討論與分析、方案反饋、教學改進，形成預習-討論-分析-討論-反饋-改進的閉環(圖3)，加深專業知識與材料實際生產融合，提高學生解決實際問題的能力。

圖3 以學生為中心的案例教學設計Fig.3 Student-centered case teaching design

2.3 虛擬仿真教學

基于虛擬仿真技術的課程教學為產教融合課程教學新模式提供有效途徑。虛擬仿真實驗可克服傳統實驗受學校、企業的空間、時間和管理的弊端，將企業生產中心搬到課堂，實現產教深度融合的教學模式[5]。近年來，虛擬仿真實驗教學方法可以彌補傳統教學的不足，成為專業課程實踐教學發展趨勢[6]。由于材料加工工業化生產過程的復雜性，學生在課堂教學學習仍然對材料加工過程缺乏清晰的認識。與傳統教學相比，虛擬仿真教學通過虛擬仿真真實工業化生產過程，而且可以連續性地再現不可見的材料成型與加工微觀過程。例如，通過虛擬仿真教學，可以動態顯示鋁合金在不同工藝參數下擠壓應變、溫度、顯微組織演變過程，讓學生形成直觀認知，加深對材料成型與加工微觀過程及其規律理解，促進學生創新能力培養。

在課程教學時，筆者利用已有材料成型與加工虛擬仿真教學項目，開展了線上虛擬仿真教學。以鋁型材的表面陽極氧化虛擬仿真為例(圖4)，通過虛擬仿真教學，使學生直觀認識鋁型材陽極氧化膜形成的微觀全過程，掌握到常規陽極氧化實驗無法觀察到多層、多孔的納米尺度的微觀結構特征。尤其是，學生通過課外的虛擬仿真實驗操作，改變鋁型材陽極氧化工藝參數，直觀觀察不同工藝參數下的陽極氧化膜的微觀結構特征與腐蝕性能，建立合金工藝-結構-性能的關系；同時，通過演示模型與操作模式相結合，學生可以在虛擬仿真真實場景中開展虛擬材料加工生產實訓，增強學生的高效、可視化課程學習，切實提高學生應用型實踐創新能力。

圖4 鋁型材陽極氧化虛擬仿真Fig.4 Virtual simulation of anodizing foraluminum profile

3 結 語

以應用型人才培養為導向，精煉材料成型與加工課程知識體系，緊密結合學科前沿與工程實踐，優化課程教學內容；通過線上線下混合式教學、案例教學、虛擬仿真教學等教學方法改革，提高學生應用專業知識解決工程實踐問題的能力，培養學生工程實踐創新能力。通過近年來課程教學實踐，在材料成型與加工專業知識的學習能力、解決工程實踐綜合應用能力等方面取得較好的成效，加深了對材料加工產業與生產過程的認知，同時提高了學生學習專業知識積極性。材料成型與加工課程教學體系與方法還需要進一步改進，需要有機結合材料成型與加工實驗課程，做到專業理論/實驗課程相融相促，避免理論教學與實驗教學脫節，進一步提高材料成型與加工課程教學質量，培養專業知識過硬、創新實踐能力強的應用型人才。