工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程“以點(diǎn)帶面”教學(xué)方法

武玉琴，李成新，徐自立，盧記軍，汪華方，唐令波，唐科，曹龍超，余聯(lián)慶

工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程“以點(diǎn)帶面”教學(xué)方法

武玉琴1，李成新2，徐自立1，盧記軍1，汪華方1，唐令波1，唐科1，曹龍超1，余聯(lián)慶1

（武漢紡織大學(xué) 1. 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，2. 傳媒學(xué)院，湖北 武漢 430073）

工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程是介紹工程材料及其加工工藝的綜合課程，具有知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)．以焊接接頭組織與性能知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，提出“以點(diǎn)帶面”的教學(xué)方法．該教學(xué)方法將相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)以及工程實(shí)踐內(nèi)容有機(jī)融合，使各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系更加緊密．該教學(xué)方法改革有利于加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)向?qū)嵺`應(yīng)用，提高學(xué)生的工程意識(shí)與職業(yè)素養(yǎng)，也對(duì)相關(guān)課程的教學(xué)提供了新思路與新的方向．

焊接接頭組織；以點(diǎn)帶面；綜合性創(chuàng)新教學(xué)方法

工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置中全面介紹工程材料與機(jī)械制造領(lǐng)域中的毛坯熱加工成形工藝的課程，對(duì)畢業(yè)生今后的設(shè)計(jì)與制造等生產(chǎn)技術(shù)工作具有重要的指導(dǎo)作用[1-2]．多位教學(xué)工作者為了適應(yīng)該課程知識(shí)量大、實(shí)踐性強(qiáng)、課時(shí)減少等教學(xué)難點(diǎn)，對(duì)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)訓(xùn)等進(jìn)行了研究與改革，提出了很多有效的教學(xué)方法[3-11]．結(jié)合該課程生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，孫康寧[3]等指出教學(xué)過(guò)程中應(yīng)重視將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及綜合設(shè)計(jì)能力，進(jìn)而達(dá)到深化理解理論的教學(xué)效果．陸文金[4]、何水龍[5]等針對(duì)傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)提出把機(jī)械制造基礎(chǔ)系列理論課回歸到“工程實(shí)踐”中．黃根哲[6-8]等采用以點(diǎn)代面、項(xiàng)目導(dǎo)向、課題研究等教學(xué)模式以及線(xiàn)上教學(xué)等各種方法進(jìn)行教學(xué)改革，提高教學(xué)效果與學(xué)習(xí)效率．周世權(quán)[9]等將機(jī)械制造基礎(chǔ)綜合課程與工程訓(xùn)練實(shí)踐課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提高了教學(xué)水平，培養(yǎng)了學(xué)生的能力．

本文從知識(shí)點(diǎn)焊接接頭組織與性能出發(fā)，提出“以點(diǎn)帶面”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)改革與創(chuàng)新，將理論與實(shí)踐高效融合，提高學(xué)生的知識(shí)掌握效率、綜合素質(zhì)水平以及解決工程問(wèn)題的能力．

1　“以點(diǎn)帶面”教學(xué)知識(shí)點(diǎn)梳理

以焊接接頭組織與性能知識(shí)點(diǎn)為中心，以點(diǎn)帶面，涵蓋工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中性能、結(jié)構(gòu)、成形工藝等內(nèi)容，綜合課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)訓(xùn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新調(diào)整，進(jìn)行“以點(diǎn)帶面”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，引出相關(guān)知識(shí)內(nèi)容．

1.1　引入知識(shí)點(diǎn)——焊接接頭組織與性能

工程實(shí)訓(xùn)期間，學(xué)生進(jìn)行手工電弧焊焊接實(shí)習(xí)，督促學(xué)生記錄焊接電流、電機(jī)正反接法以及焊縫表面形貌等；初步分析焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫和焊接過(guò)程控制難易程度的影響．實(shí)訓(xùn)中穿插講解熔焊過(guò)程以及焊縫的形成，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論方面的思考．

1.2　引入焊縫的形成——鑄造知識(shí)點(diǎn)

焊縫的形成是一次冶金過(guò)程，如同小的熔爐．在熔煉過(guò)程易形成偏析、凝固組織不均勻等鑄造缺陷．由于熔池較小，母材向外散熱較快，焊縫熔體易形成晶粒粗大的柱狀晶．引出并對(duì)工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)中材料凝固、材料組織結(jié)構(gòu)以及鑄造工藝等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解．

1.3　引入焊接接頭組織觀察與硬度實(shí)驗(yàn)

1.3.1探索焊縫組織，開(kāi)展焊接接頭組織觀察實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)涉及金相樣品制備與組織觀察．在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生觀察焊縫組織結(jié)構(gòu)的變化，引出相關(guān)熱處理章節(jié)，焊接時(shí)焊縫及其附近的母材都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)加熱和冷卻過(guò)程，焊縫附近區(qū)域可以看作受到不同條件下的熱處理．隨著各點(diǎn)金屬與焊縫中心的距離不同，各點(diǎn)的最高加熱溫度和熱歷史也不同，因此形成不同的組織結(jié)構(gòu)．以碳鋼為例，其焊縫組織見(jiàn)圖1[2]154．金相組織由左到右分別為正火區(qū)、過(guò)熱區(qū)、熔合區(qū)與焊縫（見(jiàn)圖1a）．正火區(qū)晶粒細(xì)小，力學(xué)性能最好；過(guò)熱區(qū)的晶粒粗大，形成比較明顯的魏氏組織，力學(xué)性能下降；焊縫區(qū)為焊接中心小熔池所在區(qū)域，因?yàn)榻饘倬哂休^高的熱導(dǎo)率，在焊接過(guò)程產(chǎn)生較大的溫度梯度，晶粒組織呈粗大的柱狀晶，力學(xué)性能差．而熔合區(qū)介于焊縫與過(guò)熱區(qū)之間，晶粒組織形態(tài)由柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織，由于各組織之間的性能差別較大，導(dǎo)致熔合區(qū)的力學(xué)性能很差．焊接接頭組織與加熱溫度的關(guān)系見(jiàn)圖1b．

圖1　焊縫組織及其形成示意圖

1.3.2探求焊縫性能，開(kāi)展焊接接頭硬度實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生理解組織與性能之間的關(guān)系．掌握組織、性能與加工工藝之間的關(guān)聯(lián)，能夠分析焊接過(guò)程中影響材料組織與性能的因素，進(jìn)而選擇最優(yōu)焊接參數(shù)，促使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，系統(tǒng)掌握知識(shí)．

2　“以點(diǎn)帶面”教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

在工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程各章節(jié)講解時(shí)，將相關(guān)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)串聯(lián)，將性能——結(jié)構(gòu)——工藝——應(yīng)用等有機(jī)融合在一起，形成知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)（見(jiàn)圖2）．焊接接頭組織與性能知識(shí)點(diǎn)涉及工程實(shí)訓(xùn)中實(shí)踐操作、課程理論內(nèi)容以及課程實(shí)驗(yàn)．以焊接接頭組織與性能為核心知識(shí)點(diǎn)，以焊接實(shí)驗(yàn)與焊接接頭組織觀察實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，將理論與實(shí)踐直觀聯(lián)系起來(lái)，避免學(xué)生雖然學(xué)到大量專(zhuān)業(yè)名詞，頭腦中卻還是一片模糊，不能融會(huì)貫通，學(xué)以致用．

圖2　焊接接頭組織與性能相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)

焊接接頭組織與性能涉及的具體知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容為：

（1）分析觀察熱影響區(qū)間組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律．對(duì)比鐵碳二元合金相圖，結(jié)合熱處理工藝，得到熔合區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)所對(duì)應(yīng)的過(guò)熱溫度，得到金相組織所在的熱處理區(qū)域．期間引導(dǎo)學(xué)生對(duì)金屬凝固過(guò)程、金屬凝固組織以及熱處理知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)掌握，并在實(shí)踐中應(yīng)用理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，給出結(jié)論．

（2）觀察焊接熱影響區(qū)是否存在再結(jié)晶區(qū)．在觀察焊縫金相組織結(jié)構(gòu)過(guò)程中，分析比較不同母材對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)的組織變化，引導(dǎo)學(xué)生思考何種鋼材具有再結(jié)晶熱影響區(qū)，并引出金屬材料塑性成形，梳理金屬塑性成形知識(shí)點(diǎn)．

（3）測(cè)試焊縫及其熱影響區(qū)的維氏硬度．記錄焊接接頭不同位置對(duì)應(yīng)硬度值的大小，并繪出維氏硬度隨熱影響區(qū)組織變化對(duì)應(yīng)的硬度值變化曲線(xiàn)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析硬度與材料組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系．引導(dǎo)學(xué)生思考影響焊縫性能的因素，分析得到提高焊縫力學(xué)性能的措施．

（4）掌握并運(yùn)用材料組織結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響規(guī)律．根據(jù)焊縫熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)觀察與力學(xué)性能測(cè)試，講解固溶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化、加工硬化和細(xì)晶強(qiáng)化等基本概念．加深學(xué)生對(duì)材料組織、性能與加工工藝涉及知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并進(jìn)一步了解組織、性能與加工工藝之間的關(guān)系．

（5）深入了解焊接工藝與焊接接頭組織與性能的關(guān)系．通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察和硬度測(cè)試，結(jié)合焊接過(guò)程中所記錄的電流、焊條、母材等數(shù)據(jù)條件，分析焊縫組織結(jié)構(gòu)與焊接過(guò)程中條件之間的關(guān)系，根據(jù)所學(xué)知識(shí)給出最優(yōu)化焊接條件，并反思焊接過(guò)程的技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而提高材料焊縫性能．達(dá)到理論與實(shí)踐深度融合，提高學(xué)生能夠?qū)W以致用的目的．

通過(guò)以上教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃安排，以焊接接頭組織與性能為核心知識(shí)點(diǎn)，引出工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)知識(shí)，并與工程實(shí)踐和課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，形成知識(shí)面．

3　“以點(diǎn)帶面”具體授課內(nèi)容與安排

在工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中，與焊接接頭組織和性能知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的授課內(nèi)容包括：力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)、材料凝固、二元合金相圖、熱處理、液態(tài)成形、塑性成形以及焊接成形．將實(shí)際操作手工電弧焊內(nèi)容、課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及相關(guān)理論知識(shí)內(nèi)容相互融合滲透，并進(jìn)行綜合講解，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的印象，促進(jìn)學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用在綜合實(shí)踐中，提高學(xué)生工程意識(shí)與應(yīng)用理論專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)．該知識(shí)點(diǎn)總計(jì)6課時(shí)，包含實(shí)驗(yàn)與課堂討論，具體授課內(nèi)容安排為：

（1）結(jié)合焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)講解工程材料基礎(chǔ)理論知識(shí)，2課時(shí)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察焊接接頭金相組織，從組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析晶粒尺寸并引申晶粒的形成與長(zhǎng)大，以及凝固過(guò)程中的一系列問(wèn)題，包括細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、加工硬化等重要知識(shí)點(diǎn)．并通過(guò)對(duì)比講解，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論概念的掌握．

（2）結(jié)合焊接接頭的硬度測(cè)試，講解材料硬度測(cè)試需要注意的問(wèn)題，2課時(shí)．材料性能測(cè)試時(shí)所需要注意的問(wèn)題對(duì)于能否得到準(zhǔn)確的測(cè)量值非常重要，在該部分對(duì)材料硬度測(cè)量過(guò)程及其所需要注意的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)講解．引導(dǎo)學(xué)生分析如何選擇硬度測(cè)試計(jì)以及得到精確的硬度值．指導(dǎo)學(xué)生分析材料硬度值與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，了解不同加工工藝下會(huì)產(chǎn)生不同的材料組織結(jié)構(gòu)，從而得到不同的力學(xué)性能．鼓勵(lì)學(xué)生探尋有關(guān)測(cè)量設(shè)備的工作原理，了解設(shè)備不同零件對(duì)材料性能的要求，并將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐過(guò)程，進(jìn)一步根據(jù)材料性能要求選擇原材料及其加工工藝．

（3）結(jié)合焊接熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)變化，講解材料熱加工工藝，2課時(shí)．焊接接頭組織結(jié)構(gòu)涉及熱處理中的正火、退火、再結(jié)晶退火等知識(shí)，回放熱處理視頻與對(duì)應(yīng)金相組織圖，將熱處理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理．引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，分析加工工藝與材料性能之間的關(guān)系，并應(yīng)用理論知識(shí)分析不同焊接方法對(duì)應(yīng)的焊接接頭組織與性能．再結(jié)晶是在工件經(jīng)過(guò)壓力加工后出現(xiàn)加工硬化，通過(guò)再加熱晶核重新形成并長(zhǎng)大的現(xiàn)象，因此只有經(jīng)過(guò)壓力加工后的材料其焊接熱影響區(qū)存在再結(jié)晶區(qū)，實(shí)驗(yàn)與課堂授課中將沖壓板材與其它板材焊縫熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行觀察比較，講解塑性成形相關(guān)知識(shí)．

以焊縫接頭組織與性能知識(shí)點(diǎn)為中心，將涉及到的授課內(nèi)容進(jìn)行綜合性教學(xué)，形成知識(shí)面，將覆蓋的章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)講解，幫助學(xué)生更好地理解和運(yùn)用理論知識(shí)．該教學(xué)方法有助于梳理實(shí)踐——實(shí)驗(yàn)——課堂教學(xué)關(guān)系，促進(jìn)實(shí)踐與理論的高效融合．

4　“以點(diǎn)帶面”教學(xué)方法的效果

學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作手工電弧焊，調(diào)節(jié)焊接電流，接線(xiàn)方法，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等實(shí)踐過(guò)程，結(jié)合比較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量手段進(jìn)行顯微硬度實(shí)驗(yàn)與金相組織觀察，加深對(duì)焊接接頭組織與性能知識(shí)點(diǎn)的理解與運(yùn)用．同時(shí)，運(yùn)用課堂講解的理論知識(shí)，能夠舉一反三，在實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用并發(fā)現(xiàn)提高材料性能的方法，達(dá)到能夠解決實(shí)際問(wèn)題，提高動(dòng)手能力與學(xué)習(xí)能力的教學(xué)目的，提高教學(xué)效果．

“以點(diǎn)帶面”教學(xué)方法將課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)與工程訓(xùn)練相互結(jié)合，在課程內(nèi)容增多、課時(shí)減少的情況下提高了學(xué)習(xí)效率，更有利于學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)，從而真正了解產(chǎn)品的選材——加工工藝——材料組織結(jié)構(gòu)——材料服役性能的整個(gè)過(guò)程，提高應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到專(zhuān)業(yè)認(rèn)證所應(yīng)具備的畢業(yè)目標(biāo)與要求．

5　結(jié)語(yǔ)

“以點(diǎn)帶面”教學(xué)方法有利于引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)操過(guò)程中應(yīng)用理論知識(shí)進(jìn)行分析，達(dá)到學(xué)以致用的目的；有利于加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新意識(shí)；有利于提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，提高了教學(xué)質(zhì)量；有利于工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)課程的系統(tǒng)講解．該教學(xué)方法促進(jìn)相關(guān)課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐的高效融合，使各章節(jié)之間的聯(lián)系更加緊密，在一定程度上解決了課時(shí)少、內(nèi)容多的困境．通過(guò)該課題的實(shí)施，學(xué)生更容易將理論知識(shí)轉(zhuǎn)向?qū)嵺`應(yīng)用，也對(duì)相關(guān)課程的教學(xué)提供了新思路與新的方向．

[1] 徐自立，夏露．工程材料[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2020．

[2] 鄧文英，郭曉鵬，邢忠文．金屬工藝學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2017：154．

[3] 孫康寧，張景德，傅水根．“工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)”課程知識(shí)體系研究[J]．中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2015（5）：63-66．

[4] 陸文金，張曉紅．《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課程的課改建議及可行性分析[J]．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018（17）：161-162．

[5] 何水龍，鮑家定，何玉林．“金課”導(dǎo)向下卓越班“機(jī)械制造基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革[J]．西部素質(zhì)教育，2019（17）：7-8．

[6] 黃根哲，于化東．“工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)”系列課程：昨天、今天、明天[J]．現(xiàn)代教育科學(xué)，2016（9）：64-67．

[7] 黃根哲，朱振華，于化東，等．大工程背景下工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)系列課程存在的主要問(wèn)題和解決方案[J]．教育教學(xué)論壇，2016（32）：216-218．

[8] 黃根哲，宋善女．工科院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)《工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)》系列課程發(fā)展初析[J]．教育教學(xué)論壇，2016（23）：154-157．

[9] 周世權(quán)，黃勝智，趙軼，等．“工程訓(xùn)練與機(jī)械制造基礎(chǔ)”綜合課程的探索與實(shí)踐：以鑄造工藝為案例[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018（37）：203-209．

[10] 高玉芳，李薇．工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．高師理科學(xué)刊，2018，38（10）：72-75．

[11] 劉隆節(jié)．工程材料教學(xué)和機(jī)械制造基礎(chǔ)教學(xué)的有效融合[J]．內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（18）：227-228．

The teaching method of point to area for engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing

WU Yuqin1，LI Chengxin2，XU Zili1，LU Jijun1，WANG Huafang1，TANG Lingbo1，TANG Ke1，CAO Longchao1，YU Lianqing1

（1. School of Mechanical Engineering and Automation，2. School of Media & Communication，Wuhan Textile University，Wuhan 430073，China）

Engineering materials and fundamentals of mechanical manufacturing is the course that introduces engineering materials and their processing technology．It has the characteristics of many knowledge points and strong practicality．Based on the knowledge of welded joint structure and performance，the teaching method of point to area is put forward．The contents related to basic theoretical knowledge，experiment and engineering training are organically integrated under this teaching method，so as to make the connection between the knowledge points of each chapter closer．This teaching method reform is beneficial to deepen students′ understanding and mastery of theoretical knowledge，promote students to turn theoretical knowledge to practical application，improve students′ engineering consciousness and professional quality，and also provide new ideas and new directions for the teaching of relevant courses．

welded joint structure；the teaching method of point to area；comprehensive and innovative teaching methods

1007-9831（2022）09-0095-05

TB3∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.021

2022-05-06

武漢紡織大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2021JY056）

武玉琴（1979-），女，山東菏澤人，副教授，博士，從事非平衡下金屬材料凝固、電子封裝技術(shù)研究．E-mail：yuqin_wu26@163.com