新工科背景下鍛造工藝與模具設計教材分析*

楊仕杰 袁玉紅 翁玲玲 董美楊

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州貴陽 550025）

0 引言

自黨的十八大以來，我國高度重視教育工作，習近平主席對教育工作作出一系列的重要部署。教育是民族振興、國家發展、社會進步的正確道路，是實現中國偉大復興的重要因素。世界和經濟的快速發展要求我國高等工程教育改革做出改變，以應對國家戰略布局、新經濟挑戰和新興產業發展，推動高校工程教育教學改革創新，以培養具有高度實踐能力、創新精神和專業素養高的綜合型人才。目前我國高等工程教育受到高度重視和普遍關注，新工科建設也隨之快速發展，從“復旦共識”[1]和“天大行動”[2]可以看出我國對新工科建設正在做出改革，以此服務國家戰略發展新需求需要。

教材作為課程教學的載體，是實現教書育人的重要工具，與學生發展、專業建設方向有著密切聯系。新工科背景下，立足人才培養視角，結合教材，確定教學目標，將知識技能學習與個人素養培養放到同等地位研究，以提高學生核心素養、吃苦耐勞、追求真理、刻苦學習的精神具有重要意義?！跺懺旃に嚰澳＞咴O計》是材料成型及控制工程專業開設的一門重要專業方向選修課，其專業性強、操作性強、工程意識強，注重理論知識與實踐操作相結合，旨在為國家培養鍛造技術領域的工程技術人才，肩負著培養新工科人才的重任。

1 鍛造工藝及模具設計課程開展現狀

教材是進行教學的“物質基礎”，《鍛造工藝與模具設計》教材是課程中心思想、課程目標和內容的集中體現，是師生間教學活動的主要媒介。教材分析是教師認識教材的基本途徑，也是教師進行教學設計的基礎。正確、合理地對教材進行分析，是教師備好課，上好課和達到預期的教學目的及順利完成教學任務的前提與關鍵。由于教材分析的理論不足，以及教師在進行教學過程中對教材分析的意識淡薄，使得教師在教材分析的過程中存在一定的問題。

1.1 課程開設情況

《鍛造工藝及模具設計》課程以“OBE”[3]成果導向教育理念，培養學生畢業時的能力能滿足社會的需求。根據“金課”兩性一度的建設要求，本課程要求學生掌握鍛造的基本理論知識、掌握中等以上復雜鍛件的鍛造工藝設計及鍛模設計方法，熟練掌握計算機輔助設計方法繪制鍛件圖、模具圖，能夠使用先進的鍛造分析軟件進行成形模擬分析，培養學生運用知識來解決問題的綜合能力。從20 世紀50年代我國開始翻譯前蘇聯布留哈諾夫和烈別爾斯基的教材《模鍛及模具設計》[4]到1958年由西安交通大學金屬壓力加工教研組編寫的《鍛造工藝學》教材[5]，以及到現在的教材，都較為傳統，變化不大。本課程采用閆洪主編《鍛造工藝與模具設計》：機械工業出版社普通“十二五” 普通高等教育本科國家級規劃教材，教材共13 章，338 頁。與傳統教材相比，本書知識點清晰，內容新穎，符合學生的培養方案。這本教材主要圍繞鍛造工藝編寫，學生通過學習可以拓寬思維、擴大眼界、強化基礎，同時教材注重理論與實際相聯系，有新創意和較強的實用性。

1.2 教材內容

本教材講解了鍛造生產的特點、方法、選材用材、加熱規范、自由鍛造工藝、模鍛成型工序分析、錘上模鍛、機械壓力機上模鍛、螺旋壓力機上模鍛、平鍛機上模鍛、液壓機上模鍛、模鍛后續工序、特種鍛造及鍛造工藝的技術經濟分析，共計32 學時，其中自由鍛造工藝、模鍛成型工序分析、錘上模鍛、機械壓力機上模鍛是學生需要重點掌握的，也是本書的重難點。由于課時較少，教材涉及內容過多，因此，本課程還使用了學習通平臺，教師將所需要補充的知識點上傳至學習通，通過資料和視頻來完善知識點，同時授課時需要明確重難點，對學生需要掌握的知識點進行詳細講解，并進行課后拓展。本課程是一門專業技術課程，采用傳統的教學方法課程教學會很枯燥無趣，為了增加學生學習的興趣，激發學生學習的積極性，培養他們學習的自主性，在教學設計中教師不斷改革和創新，科學安排每一堂課每一個教學活動，使得教學環環相扣、連貫一致，總體扎實，有效完成教學目標，較好地契合材料成型及控制工程專業的培養目標——旨在培養德、智、體、美、勞全面發展，適應現代制造業需要，主要面向鍛壓成型工藝管理、鍛壓模具制造各加工工種、鍛壓模具裝配與維修、鍛壓模具設計等崗位，兼顧機械制造工藝、機械產品加工與裝配等崗位的高端技能型專門人才。

1.3 學情分析

從學生知識基礎來看：學生在前期已完成專業基礎課程《機械制圖及AUTOCAD 繪圖》《金屬學及熱處理》《材料力學》《材料成形原理》等課程學習。從學生知識需要來看：通過緒論部分的講授，讓學生知道通過本課程學習能掌握材料成型的重要技術之一“鍛造”，掌握本課程知識學生將來能從事相關技術工作和科學研究，將來能為國家的制造業發展貢獻力量。從學生知識能力來看：學生具備金屬材料學、材料成形相關的基礎理論知識、工程圖學知識，能夠理解本門課程的教學內容及其重要性，所以可以通過講解并引導學生討論“鍛造技術的重要性”的方式進行教學。因此，授課時可以采用講授法、討論法、啟發法、模擬分析法等。

1.4 根據學生特點，有效選擇教學內容

新工科背景下，學生是教學的主體，教師應作為學生學習的引導者、組織者和協作者[6]，在教學的過程中，應該以學生為主，充分考慮學生的實際情況，以促進學生知識的獲得，世界觀與價值觀的形成以及心理的發展與成熟。充分考慮學生的實際情況除了包括考慮學生的現有的知識結構及認知結構，還必須考慮到學生的心理發展變化和學生的興趣所在等這就要求教師對于教育學和心理學有一定的了解。教師在教材分析的時候除了要以學生為主，還必須對選擇的內容進行整合或進一步地篩選，使其較普遍地適用于大部分學生。

1.5 學生能力培養

如何培養學生能力成為教育的重難點[7]，當前國內外高校對學生能力培養展開一系列研究，并形成了有效而豐富的經驗[8]。在新工科的背景下，學校提倡培養學生實踐能力與創新能力，力爭成為學與做的專業型人才，基于此，國內許多高校制定新的實習模式，縮短學校與企業距離，通過校企合作達到產教融合，并且，不少學校對學生實施雙導師制，校內校外均有導師指導，讓學生真正意義上實現理論與現實相結合，為新工科建設及《中國制造2025》[9]做出巨大貢獻。通過《鍛造工藝及模具設計》專業課的系統學習，在課程中期對學生布置課程設計安排，培養學生科學分析問題、解決問題的工程能力、團隊合作精神，學會鍛件圖的制訂與繪制工藝卡片，掌握鍛件圖繪制的要點，計算鍛件坯料質量及尺寸的確定。最終要求學生能自主設計一套模具，并進行模擬仿真，如圖1 ～2所示模具，由學生自主設計完成，并以此申報大學生科研項目。教師在培養學生專業技能的同時，鼓勵學生積極參加科研項目，在參與項目的過程中檢驗了學生專業水平，鍛煉了學生動手能力。

圖1 機鍛模模架結構圖

2 教材結構待解決問題

2.1 注重局部分析，缺乏整體分析

圖2 機鍛模三維數字模型

在《鍛造工藝及模具設計》教學過程中，教學以節為單位進行開展，所以教師在教材分析時經常是以小節來分析，使得教師在分析教學內容時注重了某一章或某一節內容。以鐓粗知識點為例，本節知識點是《鍛造工藝與模具設計》第四章“自由鍛造工藝”第3 節。在前面三章學生已經學習了鍛造用材料準備、鍛造的加熱規范，對鍛造技術的用材、下料、加熱有了一定的了解。第四章前兩節介紹了自由鍛用途、自由鍛鍛件的分類，為本知識點教學奠定了基礎。在重點分析鐓粗知識點，忽略了鐓粗在本章節及本課程的具體地位?！跺懺旃に嚰澳＞咴O計》教材以一定的主線為基礎將所有知識串聯起來的，前面知識點的學習都是為了后續知識的學習做鋪墊，所以在教材分析的時候必須對教材進行小節和整體分析。這樣才可以從一個較高的角度來把握教材整體的思路。

2.2 注重表面分析，缺乏深層次的分析

從《鍛造工藝及模具設計》這本書目錄來看，可以得知整本書涉及的內容過多，教師在講授知識點時，僅靠書上的內容是完全不夠的，需要教師在課下準備更多的資源。而更多更深層次的知識點在書上是沒有體現的。以第四章第3 節知識點鐓粗為例，書上介紹了鐓粗的概念、分類、方式及鐓粗過程產生的缺陷的措施，在這個知識點里，學生需要掌握的知識目標有（1）理解鐓粗的作用、目的、分類；（2）掌握平砧鐓粗的變形原理；（3）能夠分析鐓粗缺陷產生的原因，掌握減少鐓粗時鼓肚和裂紋的措施。通過重難點的講解，學生能夠對鐓粗的三大變形區的變形進行分析，最終運用鐓粗成形理論知識選擇鐓粗方式。雖然教材上將鐓粗涉及的知識點介紹比較全面，但是對于學生需要重點掌握的平砧鐓粗和三大變形區的講解卻微乎其微，此時，需要教師對該知識點進行補充。在拓展專業知識時，借用Deform-3D專業鍛造成形模擬仿真分析軟件播放平砧鐓粗的有限元模擬視頻，如圖3-6 所示，使知識點講解更加生動具體，利于學生吸收掌握。同時，通過借用軟件等技術，“讓學生認識自由鍛工藝在生產中的重要性，激勵學生學好專業知識為國家制造業發展做貢獻”，完成思政教學任務。通過鐓粗這一知識點的講解可以反映出整本書大量存在這樣的問題，許多知識點需要教師下去進行收集資料補充，教材只是涉及概念內容，并未列出相應的例子。學生在學習時普遍會產生無聊和厭學的情緒，因此教師應基于教材已有內容，及時補充教師專業知識案例。

圖3 鐓粗

圖4 有限元分析

2.3 增強專業知識的學習，形成整體的知識結構體系

扎實的專業知識是教師進行教材分析的基礎[10]。只有具備扎實的專業知識，教師才能從較高的角度對教材進行整體的分析，在對教材進行局部分析時，需考慮到整體的思路，對教材結構做出適當的處理。在對教材結構分析的過程中，能將各知識點之間及與其他學科之間的聯系分析出來，從而較好地進行教學設計。教師進行教材分析，必須達到“懂、透、化”的程度[11]?！岸本褪菍滩牡幕舅枷搿⒒靖拍?、基本理論，甚至每一句話，每一個字，都要弄懂，弄清楚，搞明白?！巴浮本褪菍滩牟粌H要懂，而且要熟悉，能夠運用自如?！盎本褪墙處煹乃枷敫星楹徒滩牡乃枷胄??？茖W性融合在一起。而這些都需要扎實的專業知識作為依托，也就是說在弄懂的基礎上才能進行下一步，最后將知識、能力、思想內化為教師自身的東西，最終形成整體的知識體系結構。在教材分析的時候就會既考慮到知識點之間的關系、也會考慮到與其他學科之間的關系，同時對教材分析也會達到一定的深度，而不僅停留于表面分析。

3 解決對策

3.1 展示生產視頻，激發學生學習積極性

本課程主要學習鍛造加工輔助工藝和鍛造工藝，每一種工藝在生產中都會使用，所以本課程應加強鍛造生產各環節視頻的收集和整理。在每一章的開始基本都會利用生產視頻，把學生帶入生產現場，讓他們對鍛造加工有直觀的感性認識，避免學生閉門造車虛無想象。激發學生學習的積極性同時提高教學的效率。

3.2 使用模擬仿真案例，激發學生學習興趣

傳統教學方式的直觀感、立體感和動態感等方面的不足，使一些抽象的內容難于理解和掌握。在《鍛造工藝及模具設計》這門課程中，探索金屬的流動規律貫穿于整個教學過程。學生的抽象能力是有限的，為了解決教學中“金屬流動”這個難點，本課程運用先進的鍛造成形模擬分析軟件Deform3D 模擬了鍛件的成形過程，學生可以直觀鍛造成形過程中金屬流動狀況，鍛造溫度的變化、鍛件的應力應變狀況。學生可以輕松學習、興趣更濃，樹立學習先進研究技術方法的信心。目前在整個課程體系中，教師團隊制作了：“齒輪坯自由鍛成形模擬仿真；“齒輪坯開式模鍛成形模擬仿真”“后鋼板彈簧吊耳開式模鍛成形仿真”“刷盒閉式模鍛成形模擬仿真”等案例來講解自由鍛、模鍛成形、閉式成形，拓展了專業知識，激勵學生學習興趣。

3.3 在教學中開設課程設計，促進學生自主學習

本課程的最終目的是要培養既掌握鍛造工藝及模具設計的人才，也要培養會撰寫工藝文件、設計說明書的人才，還要培養口頭表達能力強的人才，更要培養協作創新創業的人才。在教學中，利用課后作業環節，分組完成“齒輪坯自由鍛工藝設計”“冷鍛件圖工藝設計”“熱鍛件圖工藝設計”，要求完成設計說明書、繪制圖紙和三維模型，還要分組答辯。同學們相互學習，分工協作完成設計任務，制作PPT，共同答辯。通過課后的教學活動，促進學生自主學習，鍛煉學生的綜合素質。

3.4 通過網絡課程教學，方便學生課前預習

利用網絡資源輔助教學學習，教師可以把更多先進的鍛造知識推送給學生，學生課前完成各章節任務點也可以提高課堂教學的效率。教師通過觀察同學們課后作業完成的情況，課后學習、討論的情況，及時對教學問題進行調整。線上線下教學模式打破了傳統教育局限，豐富了教學內容和方法，學生學習時間更加自由，能解決跨時空的限制，在一定程度上節約了教育資本，并且好的線上線下課程還具有覆蓋面大、推廣性強等特點；同時線上線下教學還能解決單一的線下教育與線上教育模式所帶來的不足。

3.5 在教學中注意多種教學方法的結合使用，激發學生自主學習

對于現在信息時代的青年學生，必須使用更多先進的教學方法，才能吸引他們學習的注意力。在教學中除了采用常規的講授法，還運用了探究、討論、提問、項目學習、任務學習、模擬仿真等多種教學方法，激發學生努力學習達到學習要求。

3.6 根據課程特點，增添思政教學目標

《鍛造工藝及模具設計》作為工科課程，注重理論知識與實踐操作相結合，在教學過程中發現理論知識與實踐操作兩部分滲透的課程思政元素均較少。通過教學與考核，部分學生存在專業認可度低、學習參與性差、對專業課的學習不感興趣等現狀。因此，為改變這一現狀，現將課程做出調整。在整個教學過程中增添課程思政知識點，融入思政教學，以提高學生專業自信，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，促進學生全面發展，實現立德樹人的根本任務。在課程教學中時常讓學生了解鍛壓技術的重要性，培養學生科技報國的理想。一個國家的鍛壓技術可以衡量其工業水平和國防實力，要求學生學好專業知識為社會、為國家出力，做出大學生應有的貢獻。教學過程中教師始終要遵循學生身心發展規律，從專業課程出發，立足專業建設要求；從學生道德修養、技能掌握與知識水平層面考慮，引導學生為中國制造業發展、實現工業現代化以及邁入制造強國而奮斗。

3.7 轉變教師觀念，對教材進行拓展延伸

圖5 模擬仿真圖

圖6 三大變形區

教師要通過學習，對新工科背景下的《鍛造工藝及模具設計》教材的拓展延伸有一個正確的理解，以課程標準為根本，合理地對教材內容和結構進行一定的拓展延伸。針對教材進行再度開發，應以教材為中心，聯系當地的實際情況，利用最有效的資源去輔助教學，促進學生理解、分析和解決問題的能力提高。此外，教師要通過學習，不斷提高自己的業務素養，使自己能夠可以從大量的信息中找到并提煉出自己所需要的信息，真正成為教學中的引導者，更好地讓學生的身心得到全面的發展。

4 結語

在新工科的指導下，教師開始將教材作為一種教學資源，漸漸地打破了一切以教材為中心的思想觀念。教師在進行教材分析的時候，必須以課程標準和培養方案為根本，深入解讀課程標準和培養方案，弄清楚教材的存在的不足。在拓展延伸內容時要以學生為主，了解學生心理和注重技能的培養。只有這樣，教材分析才能更好地分析學生的情況，在教材需要拓展的地方就可以清楚地知道學生的需要。結合實際情況，對教材進行拓展，讓學生學習對生活有用的知識，堅持理論知識與實踐知識相結合，鼓勵學生做學習的主人，真正實現做中學。（文責自負）