“金屬體積成形工藝及模具”課程實驗教學(xué)改革與實踐

楊 柳 顧勇飛

1.燕山大學(xué)先進鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室 河北秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院 河北秦皇島 066004

我國在5G網(wǎng)絡(luò)通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、量子信息、散裂中子源等高科技領(lǐng)域已走在世界前列。然而，受國內(nèi)外環(huán)境多重擠壓影響，我國傳統(tǒng)制造業(yè)面臨的問題愈加凸顯，轉(zhuǎn)型升級刻不容緩[3-5]。在全面推進實施制造強國和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的背景下，作為培養(yǎng)高級專門人才的高等學(xué)校為國家輸送具有實踐能力和創(chuàng)新精神的復(fù)合型應(yīng)用人才責(zé)無旁貸[6-7]。在這一使命前提下，對傳統(tǒng)教學(xué)模式進行改革與創(chuàng)新，深刻踐行理論與實驗教學(xué)相結(jié)合，將計算機、信息、自控等多維技術(shù)融入實驗教學(xué)中，可以使實驗教學(xué)更加立體，學(xué)生的參與度和獲得感將會得到整體提高。

“金屬體積成形工藝及模具”課程是材料成型及控制工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，其課程體系中實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性不言而喻。金屬體積成形主要包括鍛造、擠壓、軋制和拉拔四種工藝，其特點是毛坯經(jīng)特定工藝熱加工后，達(dá)到控形控性的目的。本文主要針對鍛造成形工藝進行了相關(guān)的研究與探討，結(jié)合本門課程總體教學(xué)目標(biāo)要求，以期通過開設(shè)4學(xué)時的實驗訓(xùn)練，使學(xué)生達(dá)到加深對鍛造工藝基礎(chǔ)知識理解、依據(jù)鍛造基本原理設(shè)計并實施實驗、采集數(shù)據(jù)并進行分析、熟悉實驗測試設(shè)備、了解實驗室管理規(guī)定的目的。為順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，同時讓學(xué)生對實驗?zāi)軌蚋尤嬲莆眨ㄟ^透析傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，提出增加課程思政、實行小班化分組、數(shù)值模擬輔助以及改革考評等方式對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化，最大限度補齊短板，開發(fā)以研究為主的實驗教學(xué)體系，最大程度提高學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題

與其他金屬體積成形工藝相比，鍛造成形工藝往往更為復(fù)雜，實驗過程中的不確定性更高。在傳統(tǒng)鍛造成形的實驗教學(xué)過程中因?qū)嶒炘O(shè)備、教學(xué)時間等因素的限制，學(xué)生中普遍存在著思想懈怠、組織無序、望而不前、講而不做等消極現(xiàn)象，對學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的鍛煉產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1.1 思想懈怠，重視程度不夠

專業(yè)課通常是在第五學(xué)期開設(shè)，與之相對應(yīng)的課程實驗往往在該學(xué)期的中后段進行，此時學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)較重，同時面臨著就業(yè)、考研、考公務(wù)員等多重壓力的影響，雖然實驗課的出勤率得以保證，但課上的同學(xué)們往往各行其是，實驗室已然轉(zhuǎn)換成了自習(xí)室的功能。另外，實驗課的考核相對輕松，在整門課程中的占比較低，基本不存在掛科的風(fēng)險，自然而然得不到足夠的重視。

1.2 實驗煩瑣，普遍參與度低

合格鍛件的生產(chǎn)要素包括壓力設(shè)備選擇、加熱溫控系統(tǒng)準(zhǔn)備、配套成形模具設(shè)計、成形工藝方案制定等。煩瑣的實驗準(zhǔn)備、縝密的模具設(shè)計、成熟的工藝方案各環(huán)節(jié)貫穿始終，交錯冗雜。無論從硬件系統(tǒng)搭建，還是熟練使用操作，在有限的課程時間內(nèi)，經(jīng)常存在著“教師演示多，學(xué)生操作少”的情況。以上諸多因素的限制很難保證實驗的完整訓(xùn)練，致使學(xué)生普遍參與度低，對實驗內(nèi)容得不到充分的理解。

1.3 經(jīng)驗不足，實驗操作危險

鍛造成形實驗所涉及的硬件設(shè)施多為諸如大噸位壓力機、大尺寸模具等大型儀器設(shè)備，存在著裝配、拆卸和調(diào)整困難等不利因素，加之熱鍛過程的高溫環(huán)境及工藝窗口短等因素疊加，進一步加劇了實驗操作的危險性。對于經(jīng)驗不足的學(xué)生而言，尤其是女生更是望而卻步，實驗中突發(fā)的危險難以預(yù)測，學(xué)生對可能出現(xiàn)的問題難以應(yīng)對。

1.4 獨立分散，時間跨度較長

實驗項目的安排應(yīng)與理論課程的教學(xué)相互聯(lián)系，無論在教學(xué)順序還是認(rèn)知程度上都不能獨立分散。實驗課程通常安排在非教學(xué)時間，增加了協(xié)調(diào)組織排課的難度，實驗教師的積極性隨之降低，學(xué)生的休息時間難以得到保障。另外，較短的學(xué)時不能確保實驗過程的連貫性，較長的時間跨度使得學(xué)生容易遺忘前期學(xué)習(xí)內(nèi)容，理論指導(dǎo)實踐的最佳時機錯失，與最終學(xué)習(xí)目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。同時，現(xiàn)有的考核方式?jīng)]有明確的標(biāo)準(zhǔn)，也使得學(xué)生不注重過程，只把“寫好”實驗報告一以貫之。

上述多種因素的疊加，在不同程度上給實驗課程的有效開展帶來了一定的不利影響。目前，大多課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)仍以指導(dǎo)老師的講解、演示為主，學(xué)生全流程參與程度普遍較低，對于實踐出真知的理解只停留在紙面，學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)更是無從談起。

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方式

隨著科技的進步，教學(xué)內(nèi)容的不斷深入，傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端也逐漸顯露，為更好地適應(yīng)大力提倡創(chuàng)新的時代背景，需要補足傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的短板，將新興數(shù)字科技與實驗教學(xué)相結(jié)合，從而使學(xué)生在實驗課堂中有更高地參與度，對實驗整體有更加深入理解，做到高效自主學(xué)習(xí)。鑒于此，在實驗教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)充分挖掘?qū)W生興趣所在，結(jié)合實驗課程固有特點，遵循高等教育規(guī)律，改進傳統(tǒng)教學(xué)的方式方法，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動性。針對現(xiàn)有不足，具體的優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容和改進教學(xué)方式主要分為以下幾個方面：

2.1 課程思政，引領(lǐng)正確價值觀

“師者，傳道授業(yè)解惑也”，高等學(xué)校教師在教學(xué)過程中通過有力的思想政治教育能指引大學(xué)生不斷更新知識、轉(zhuǎn)變觀念、改正行為。通過提煉和豐富專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)中蘊含的價值理念，結(jié)合課程培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)置具體的項目實施方案，介紹近年來我國在飛機、汽車、能源等領(lǐng)域鍛件制造技術(shù)上取得的非凡成就，講述專業(yè)歷史沿革、校友創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的典型案例，能充分激發(fā)學(xué)生的家國情懷和拼搏進取精神，提升對專業(yè)的認(rèn)同感和歸屬感。

2.2 小組化研討，提高普遍參與度

在擴招的基礎(chǔ)上，受限于專業(yè)特點，實驗用設(shè)備多為單臺套，實驗室的物理空間有限，考慮到安全性，教學(xué)過程中存在學(xué)生參與度低的情況。針對這種情況，將學(xué)生進行分組，實行小組化研討的方式，每組為3～5人，教學(xué)與實驗現(xiàn)場如圖1所示。讓學(xué)生能夠依據(jù)自身特點，自行結(jié)對，自行分工，協(xié)同完成。在確保安全的前提下，教師扮演“旁觀者”“點評者”的角色，提高學(xué)生參與度，加深對實驗的理解。

圖1 教學(xué)與實驗現(xiàn)場

2.3 引入數(shù)值模擬，與實驗有機結(jié)合

計算機、信息等技術(shù)的飛快發(fā)展，給復(fù)雜工程問題的有限元數(shù)值模擬分析提供了更加便捷、高效的現(xiàn)代技術(shù)解決方案。將數(shù)值模擬技術(shù)貫穿到實驗教學(xué)中，與理論、實驗有機結(jié)合將起到“1+1+1>3”的效果。本課程實驗項目之一是研究“飛邊尺寸對金屬充滿型槽及變形力的影響”，選用軟件DEFORM-3D對實驗過程進行有限元建模、處理和分析，涉及的零件模型與實驗試件如圖2所示。在有限元理論和體積成形理論的基礎(chǔ)上，利用先進成形模擬軟件對鍛件的熱鍛過程進行相關(guān)物理場的分析計算，對實驗實操過程能起到先驗認(rèn)知，做到二者優(yōu)勢互補，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.4 改革考核方式，多措并舉

傳統(tǒng)實驗教學(xué)的考核方式往往以實驗報告為主，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)單一、抄襲等現(xiàn)象，對實驗的重視程度自然不高。為避免學(xué)生“輕過程、抄結(jié)果”敷衍了事，除上交實驗報告之外，增加考核環(huán)節(jié)，對課程出勤、實驗操作、小組分工、結(jié)果分析和擴展討論等多環(huán)節(jié)進行跟蹤監(jiān)控，按照一定比例折算評定最終成績。同時，鼓勵發(fā)問、發(fā)散、發(fā)揮，并予以相應(yīng)的獎勵，如延長實驗室開放時間、優(yōu)先使用實驗儀器、幫助職業(yè)規(guī)劃等。

通過課程思政、小組化研討、引入數(shù)值模擬和改革考核等方式可以讓每個學(xué)生都參與到實驗中，避免因為設(shè)備不足、人數(shù)過多、實驗周期長而導(dǎo)致學(xué)生參與度低、對實驗興致不高等問題，有利于激發(fā)實踐和創(chuàng)新能力。

結(jié)語

加快實現(xiàn)我國由工業(yè)大國向工業(yè)強國的轉(zhuǎn)變，如期完成“中國制造2025”的發(fā)展任務(wù)，工科類高校更應(yīng)起到支撐作用，培養(yǎng)出符合新時代發(fā)展要求的復(fù)合型應(yīng)用人才。對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進行改革，融合課程思政、專業(yè)理論和數(shù)字信息等多維手段，使學(xué)生加深了對鍛造工藝基礎(chǔ)知識的理解，能夠依據(jù)鍛造基本原理獨立設(shè)計并實施實驗。基于上述的改革和實踐舉措，打破了“講—聽—仿”的固化模式，重構(gòu)了“認(rèn)知—實踐—應(yīng)用”的過程，營造了“肯學(xué)—好學(xué)—樂學(xué)”的氛圍，學(xué)生的家國情懷和求真務(wù)實的科學(xué)精神得到進一步提升，有效夯實了高校成為原始創(chuàng)新高地的基礎(chǔ)。