基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的金屬工藝學(xué)教學(xué)與改革

馬帥 陳克飛 黃春輝 楊歲虎

摘?要：為了培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，解決金屬工藝學(xué)課程內(nèi)容多、概念多，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想這一問題。本文提出了將金屬工藝學(xué)課程與培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力目標(biāo)結(jié)合，將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目、工程訓(xùn)練競賽、開展學(xué)術(shù)講座與課程學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，利用金屬工藝學(xué)知識解決實(shí)際問題，用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，做到教材理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)改革，明顯提高了課程學(xué)習(xí)的效果，并增加了學(xué)生對金屬工藝學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：金屬工藝學(xué)；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類號：TG?11；G?642.0??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Teaching?and?Reform?of?Metal?Technology?Based?on?the

Cultivation?of?Innovative?Ability

Ma?Shuai?Chen?Kefei?Huang?Chunhui?Yang?Suihu

Hunan?university?of?arts?and?sciences?furong?college?HunanChangde?415000

Abstract：In?order?to?cultivate?the?innovation?ability?of?the?students?majoring?in?machinery，the?problem?that?there?are?many?contents?and?concepts?in?the?course?of?metal?technology，and?the?students'?learning?effect?is?not?ideal?is?solved.This?paper?proposes?to?combine?the?metal?technology?course?with?the?goal?of?cultivating?students'?innovation?ability，organically?combine?college?students'?innovation?and?entrepreneurship?competition?projects，engineering?training?competitions，academic?lectures?and?course?learning，use?metal?technology?knowledge?to?solve?practical?problems，use?innovation?and?entrepreneurship?projects?to?drive?students'?enthusiasm?for?learning，achieve?the?teaching?reform?of?combining?teaching?material?theory?with?practical?application，and?significantly?improve?the?effect?of?course?learning，It?also?increases?students'?interest?in?metal?technology.

Keywords：Metal?Technology；Innovation?Ability；Reform?in?Education；talents?cultivation

國家“十三五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生的創(chuàng)新基礎(chǔ)能力，以國家目標(biāo)和戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，明確指出了高等學(xué)校科教創(chuàng)新體系建立的重要性，基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)是其中很重要的一個環(huán)節(jié)。

金屬工藝學(xué)是高等學(xué)校工科機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)必修的基礎(chǔ)專業(yè)課，課程特點(diǎn)是實(shí)踐性、應(yīng)用性和綜合性很強(qiáng)［13］。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解和掌握金屬材料、熱處理、壓力加工、鑄造、焊接、金屬切削加工等加工成型工藝。使學(xué)生掌握金屬材料的性能、化學(xué)成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及其變化規(guī)律［4］，為其學(xué)習(xí)其他相關(guān)專業(yè)課程及以后的工程實(shí)踐奠定必要的基礎(chǔ)。結(jié)合應(yīng)用型本科獨(dú)立學(xué)院的人才培養(yǎng)定位和金屬工藝學(xué)課程特點(diǎn)，采用線上線下混合式教學(xué)，把湖南省工程訓(xùn)練大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等內(nèi)容結(jié)合起來，建立智慧樹翻轉(zhuǎn)課堂，建立答疑群，修改課程教學(xué)大綱。基于此，本文提出了基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的金屬工藝學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐。

一、金屬工藝學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

金屬工藝學(xué)的學(xué)習(xí)對象是機(jī)械專業(yè)大一的學(xué)生，進(jìn)入大學(xué)第一年，沒有一定的機(jī)械專業(yè)知識做基礎(chǔ)，學(xué)生普遍反映學(xué)起來比較費(fèi)勁，這是學(xué)生的專業(yè)背景缺少造成的。金屬工藝學(xué)是材料類的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，金屬工藝學(xué)具有專業(yè)概念多、理論多、學(xué)習(xí)內(nèi)容多、理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，并且很多專業(yè)概念都是微觀層面的，學(xué)生想象不出來，自然也理解不了。目前，該課程的授課學(xué)時進(jìn)一步壓縮，教師為了完成授課內(nèi)容，課堂上以講授為主，課程理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生缺乏相應(yīng)工程實(shí)踐經(jīng)歷，僅僅通過課堂講授和課下復(fù)習(xí)很難把知識點(diǎn)理解透徹，造成部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。

二、創(chuàng)新能力培養(yǎng)金屬工藝學(xué)課程教學(xué)改革

（一）課程資源建設(shè)

選用武漢理工大學(xué)出版社出版，羅繼相、王志海主編的國家級精品教材，而同步上線的金屬工藝學(xué)慕課MOOC課程是國家精品在線課程，經(jīng)過近幾年的持續(xù)上線，學(xué)習(xí)對象反映評價好。所以，好的教材、優(yōu)秀的學(xué)習(xí)視頻是學(xué)生課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在金屬工藝學(xué)內(nèi)容編排中，傳統(tǒng)的加工方法介紹了很多，在現(xiàn)代社會中，有的加工成型方法已經(jīng)很難再找到蹤跡，學(xué)生在課堂上學(xué)到的工藝方法，離開課堂以后也找不到它的用武之地［5］。所以強(qiáng)調(diào)金屬工藝學(xué)的課堂講授內(nèi)容要與時俱進(jìn)，把最新的材料成形技術(shù)激光加工、電火花加工、柔性增材制造技術(shù)等引入教材，在備課時，要認(rèn)真精選金屬材料成型中的鑄造、焊接、鍛造、壓力加工的講解視頻，使學(xué)生能

夠理解復(fù)雜的工藝流程。材料微觀層面的結(jié)構(gòu)要借助儀器進(jìn)行觀察分析，授課老師要帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識先進(jìn)的材料分析與檢測設(shè)備，為以后進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目打基礎(chǔ)。材料微觀組織分析與成分檢測的儀器有金相顯微鏡、掃描電鏡、投射電鏡、能譜儀、傅里葉紅外光譜分析儀、DSC差熱分析儀等，這些儀器要有簡單的講解視頻。將介紹先進(jìn)的材料檢測儀器與分析科研期刊論文統(tǒng)一起來，比如馬帥［5］鐓粗變形對100Cr6鋼組織和硬度的影響，發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上的論文有用到金相顯微鏡獲取100Cr6鋼的顯微組織，用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析試樣的組織淬火馬氏體與少量的黑色組織，重點(diǎn)給學(xué)生講解掃描電鏡的結(jié)構(gòu)與成像原理。把授課老師做科研項(xiàng)目的經(jīng)歷與課堂教學(xué)緊密結(jié)合起來，讓學(xué)生明白以后如何來操作金相顯微鏡、掃描電鏡，為以后的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）引入虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)

金工實(shí)習(xí)是機(jī)械專業(yè)學(xué)生的必修課，每個學(xué)生都要參加，并且還要親自動手去操作實(shí)踐。通過為期4周的實(shí)習(xí)，理解鉗工、焊接、鑄造、金屬切削加工等方面的成型工藝，不僅要了解工藝原理，還有掌握常見的機(jī)床、磨床、銑床的操作流程，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)與安全的工作作風(fēng)，為以后的理論教學(xué)奠定基礎(chǔ)。但是金屬工藝學(xué)與金工實(shí)習(xí)間隔一段時間，學(xué)生會忘記以前實(shí)習(xí)接觸的內(nèi)容，理論學(xué)習(xí)仍然比較費(fèi)力。多媒體教學(xué)通過把與金屬工藝學(xué)相關(guān)的動畫、視頻和生產(chǎn)錄像帶入課堂，使復(fù)雜的金屬加工變得直觀。虛擬現(xiàn)實(shí)可以模擬出逼真的實(shí)際環(huán)境，學(xué)生可以與這種虛擬環(huán)境交互，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和技能培訓(xùn)，交互性和沉浸感都很強(qiáng)，能夠提高學(xué)習(xí)的靈活性［6］。因此，將傳統(tǒng)教學(xué)模式與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)金屬工藝學(xué)教學(xué)模式的突破。鑄造工藝在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，因?yàn)殍F水的溫度大約有1500℃，并且還有熱輻射，去現(xiàn)場給學(xué)生講解鑄造工藝肯定不符合實(shí)際情況。那么，虛擬仿真教學(xué)就能很好地解決這一問題。在學(xué)生完全理解鑄造工藝基礎(chǔ)上，有針對性地進(jìn)行線上視頻課程講解，要在有限的時間內(nèi)串聯(lián)起充型、凝固、收縮、變形、裂紋等概念，方法就是針對具體零件進(jìn)行案例剖析，用虛擬仿真的動畫和圖片結(jié)果直觀展示課程重點(diǎn)知識及其關(guān)聯(lián)性，學(xué)習(xí)效果好。學(xué)生學(xué)習(xí)鑄造工藝就像看電影一樣，印象深刻，學(xué)習(xí)效率高，能結(jié)合畫面、聲音、顏色與環(huán)境，實(shí)現(xiàn)知識的理解與掌握，從而較好地完成教學(xué)目標(biāo)。

（三）開展討論式教學(xué)，為師生交流提供渠道

金屬工藝學(xué)課堂教學(xué)中，基本概念、基本理論、常見的實(shí)驗(yàn)方法要認(rèn)真細(xì)致地講解，培養(yǎng)學(xué)生的想象與理解能力，做到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一、知識原理與工業(yè)運(yùn)用相統(tǒng)一。材料的結(jié)構(gòu)決定材料性能，性能決定使用用途。比如講授鍛造工藝時，先介紹自由鍛的概念，具有操作設(shè)備簡單、通用性大、成本低等特點(diǎn)，分為鍛造前坯料的準(zhǔn)備、坯料的加熱、鍛造溫度。自由鍛工序分為基本工序、輔助工序、輔助工序和修整工序。講解完自由鍛后，對比講解模鍛，模鍛對工人技術(shù)要求高，鍛件尺寸精確，模鍛價格高，需要專門設(shè)備，這樣學(xué)生很容易就能理解自由鍛與模鍛的區(qū)別。在課堂討論中，結(jié)合大國工匠的視頻，與學(xué)生討論航空工業(yè)上的專用軸承，首先要把大型坯料加熱保溫，然后取出鍛造，采用自由鍛，一邊鍛造，一邊轉(zhuǎn)動軸承坯料，其目的是破碎組織的碳化物，使材料組織分布均勻，鍛造能明顯提高材料的力學(xué)性能，提升坯料加工制造成軸承的使用壽命。長期以來，知識對分講解能訓(xùn)練學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高學(xué)生對于教材知識的理解。課堂討論問題能夠訓(xùn)練學(xué)生的語言組織能力，為以后做工程訓(xùn)練競賽做準(zhǔn)備。

（四）授課老師自己做科研的經(jīng)歷，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注學(xué)科學(xué)術(shù)前沿

授課老師每年都會寫各類科研項(xiàng)目申報書、教學(xué)改革的申報書，而大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目也需要學(xué)生自己寫項(xiàng)目申報書，而每次與學(xué)生交流時，有的學(xué)生感覺無從下手，或者說寫了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)申報書，但是對于要研究什么問題，怎么來進(jìn)行研究，如何準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)方案，都沒有在申報書中說清楚，申報書報到學(xué)院后，評審結(jié)果公布，最后沒能成功立項(xiàng)。針對這種情況，老師每次在授課時，都會有針對性地對學(xué)生進(jìn)行講解，要想把自己的想法轉(zhuǎn)變成科研的價值問題。那么，首先要閱讀大量的學(xué)術(shù)期刊論文，學(xué)院的圖書館都可以免費(fèi)下載，看別人做了哪些方面的研究，解決的哪些問題。結(jié)合教材，查找哪些科學(xué)研究問題還沒有解決，從而找到科學(xué)研究問題。其次，研究內(nèi)容要細(xì)致，要找一個比較具體的點(diǎn)深入下去，比如你要研究軸承鋼的熱處理工藝，這個選題就比較寬泛，要具體表明研究軸承鋼的熱處理工藝中的淬火、回火、正火、退火中的哪一種，要進(jìn)一步細(xì)化熱處理工藝。學(xué)生可以選淬火對軸承鋼的硬度與力學(xué)性能的影響，那么這就是一個比較好的選題。最后，就是準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方案了，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何來獲取，用哪些儀器獲取，如何分析數(shù)據(jù)。最后，就是把這個研究過程用語言表述清楚，就完成了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申報書。

去年在長沙學(xué)院舉辦的湖南省工程訓(xùn)練大賽，就是無碳小車來完成規(guī)定的運(yùn)動，競賽前期，需要團(tuán)隊(duì)成員在老師的指導(dǎo)下完成無碳小車材料的選取，既要考慮材料的價格，又要考慮材料的重量與加工制造的難易程度，綜合考慮后確定材料，用UG進(jìn)行無碳小車的三維模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行后，還要把無碳小車實(shí)物做出來，安裝調(diào)試。通過工程訓(xùn)練競賽，鍛煉了學(xué)生的材料選取、機(jī)械制圖、三維建模、寫設(shè)計(jì)說明書和匯報展示的能力。參加工程訓(xùn)練競賽，可以全方面地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，做到材料理論與實(shí)際應(yīng)用的完美結(jié)合。

（五）創(chuàng)新課程學(xué)生考核與評價體系

金屬工藝學(xué)考試成績占70%，平時成績占30%。平時成績由3部分組成，建立智慧樹翻轉(zhuǎn)課堂，每次上課內(nèi)容提前發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，需要在智慧樹上完成視頻學(xué)習(xí)任務(wù)，在規(guī)定的時間內(nèi)完成，平臺后臺能清楚地記錄每個學(xué)生的學(xué)習(xí)時長、學(xué)習(xí)互動情況。完成在線學(xué)習(xí)打卡這一環(huán)，占平時成績的10%。建立課后答疑群，針對學(xué)生上課時不懂的知識點(diǎn)，學(xué)生可以提問，老師有空的話，可以及時解決學(xué)生疑問。每次的作業(yè)完成情況占平時成績的10%，上課考勤占平時成績的10%。借助線上線下的混合式教學(xué)，有效補(bǔ)充了課程學(xué)時短的問題，在線視頻學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生理解一些簡單的概念，對于比較難的知識，在課上進(jìn)行有針對性的講解，極大地提高了課堂授課的效果。

（六）開展科技報告講座，增加機(jī)械專業(yè)學(xué)生就業(yè)競爭力

常德市機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)是千億產(chǎn)業(yè)鏈，常德高新區(qū)與經(jīng)開區(qū)聚集了包括三一重工、中聯(lián)重科、中國煙草機(jī)械、三特機(jī)械、響箭重工等一批大型機(jī)械企業(yè)，為學(xué)院開展校企合作提供了平臺，每年學(xué)院都會組織機(jī)械專業(yè)大二的學(xué)生在暑假期間集中去企業(yè)進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，了解機(jī)械制造的各個生產(chǎn)流程。通過實(shí)地參觀，了解機(jī)械產(chǎn)品的加工制造過程，參觀回來后，要求每個學(xué)生做實(shí)習(xí)記錄。而機(jī)械企業(yè)每年也會邀請學(xué)院機(jī)械專業(yè)教授講授技術(shù)層面的科技報告，針對企業(yè)遇到的技術(shù)難題，積極開展“博士教授沅澧行”，按照教授博士科研專長分成若干個小組，以團(tuán)隊(duì)形式積極與企業(yè)溝通交流，解決了很多的產(chǎn)品技術(shù)問題。形成科研成果后，學(xué)院每學(xué)期也會邀請企業(yè)技術(shù)總工程師來學(xué)院開設(shè)學(xué)術(shù)報告講座，把學(xué)院教授一起聯(lián)合攻關(guān)企業(yè)產(chǎn)品遇到的問題，解決問題，形成發(fā)明專利、學(xué)術(shù)論文的過程，講給學(xué)生聽。報告結(jié)束后，針對學(xué)生的提問，企業(yè)總工程師也會與機(jī)械專業(yè)學(xué)生交流，這樣，學(xué)生能更好地理解機(jī)械專業(yè)知識，更好地理解金屬工藝學(xué)在機(jī)械專業(yè)中的重要性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)金屬工藝學(xué)的熱情。而機(jī)械生產(chǎn)制造的過程就是零件成型加工的過程，把一個個合格的機(jī)械零件裝配成機(jī)械產(chǎn)品，再通過機(jī)械檢測與調(diào)試，機(jī)械產(chǎn)品就可以流通到市場進(jìn)行銷售。

等學(xué)生到大四時，經(jīng)過3年時間學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)知識，具備了選取機(jī)械工程材料、材料成型的幾種成型工藝、機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、零件三維建模等核心素養(yǎng)，具備了從事機(jī)械行業(yè)的各種能力，經(jīng)過前期金屬工藝學(xué)的教學(xué)改革，提高了學(xué)生的機(jī)械知識基本功，提升了學(xué)生的就業(yè)競爭力。2023年大四機(jī)械專業(yè)的學(xué)生就業(yè)情況極好，超過85%以上的就業(yè)率。

結(jié)語

機(jī)械制造業(yè)是國家支柱產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)帶動性強(qiáng)，輻射人群廣。而金屬工藝學(xué)是機(jī)械類專業(yè)和材料類的基礎(chǔ)專業(yè)課，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力中起著關(guān)鍵作用。課程建設(shè)是一個長期的過程，只有改革時，沒有完成時。圍繞培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力與寬廣堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的機(jī)械專業(yè)學(xué)生這一課程教學(xué)目標(biāo)，開展“金屬工藝學(xué)”教育教學(xué)改革，以機(jī)械關(guān)鍵零部件用金屬材料的加工制造為學(xué)習(xí)對象，通過多元化教學(xué)方法和考核方式改革，才能更好地培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識。

實(shí)踐表明，經(jīng)過金屬工藝學(xué)課程改革后，學(xué)生對于課程的滿意度明顯提高，現(xiàn)在對于課堂教學(xué)有著很強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣。同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識，拓寬了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，特別提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。這表明通過前述教學(xué)改革和實(shí)踐，取得了初步的效果，為繼續(xù)推進(jìn)課程對學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

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項(xiàng)目基金：湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號FRjg2122）

作者簡介：馬帥（1992—?），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，研究方向：金屬材料成型與數(shù)值模擬。