“焊接結構與設計”課程教學改革與探索

朱海洋 汪曉勇 蔡嘯濤 謝杰 鄭傳波

摘要“焊接結構與設計”是焊接技術與工程專業的一門專業必修課程，涉及傳熱學、力學、材料學以及數學等多門學科，同時具有很強的理論性和實踐性。文章總結分析了獨立學院焊接專業“焊接結構與設計”教學過程中遇到的一些問題，結合課程知識結構特點及學生情況，從加強學生基礎知識、豐富課堂教學模式、創新實驗教學方法、優化成績考評方式等方面進行了改革嘗試與探索。

關鍵詞 焊接結構與設計；教學改革；探索

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.041

焊接結構是焊接技術應用于工程實際產品的主要表現形式，也是在許多工業部門應用最為廣泛的金屬結構[1]。研究焊接結構的原理，是焊接結構設計與制造、使用與維護、安全評定的基礎。“焊接結構與設計”課程作為焊接技術與工程專業的一門必修課，是一門涉及傳熱學、力學、材料學以及數學等多門學科的交叉學科課程[2]。課程主要從焊接殘余應力和變形產生的機理及影響因素入手，分析焊接應力及焊接接頭的不均勻性對焊接結構的影響，結合材料脆性斷裂、疲勞斷裂的理論知識分析焊接結構疲勞和脆斷的特點及預防措施，以及分析不同工況條件下焊接結構設計、制造的合理性、安全性和經濟性[3-4]。作為焊接專業一門重要的專業主干課程，“焊接結構與設計”課程目前的教學中還存在一些問題亟待解決。本文針對江蘇科技大學蘇州理工學院（以下簡稱“我校”）焊接專業在該課程開設過程中遇到的一些問題進行了分析、歸納與總結，并針對性地采取了一些教學改革措施，旨在為其他獨立學院同類課程的教學提供一些參考。

1課程特點

目前我校焊接技術與工程專業“焊接結構與設計”課程選用的教材是哈爾濱工業大學方洪淵教授主編的《焊接結構學》（第2版）。“焊接結構與設計”課程內容知識點多、覆蓋面廣、專業性強，內容包括焊接熱場、焊接應力及變形、接頭性能、脆性和疲勞斷裂、安全評價及結構設計等，其中，焊接應力變形是課程的教學重點、難點[5-6]。課程的教學目標是使學生能夠掌握焊接應力與變形、焊接結構力學特點、焊接接頭強度與斷裂等基礎理論知識，從而能夠進行焊接結構設計和解決焊接結構施工的問題[7]。該課程兼具很強的理論性和實踐性。

2教學中存在的問題

2.1部分知識點理論性較強，學生基礎知識薄弱

“焊接結構與設計”課程涉及的主要知識點有焊接結構的特點、焊接熱過程、焊接應力與變形、焊接接頭、焊接結構的脆性斷裂、焊接結構的疲勞強度、焊接結構類型及其力學特點、焊接結構設計等內容。知識點多，各知識點難度不一。焊接熱過程、焊接應力與變形、焊接接頭等章節理論性強，焊接結構的脆性斷裂、焊接結構的疲勞強度、焊接結構類型及其力學特點、焊接結構設計等章節實踐性強。部分章節涉及較多高等數學、材料力學、彈塑性力學、材料斷裂力學等方面的基礎理論知識。學生要想學好這些內容，就需要有良好的基礎理論知識儲備。以第二章焊接熱過程為例，該章焊接熱源及溫度場解析，求解公式多而復雜，涉及較多高等數學中導熱微分方程的推導。高等數學作為公共基礎課程一般開設在大一年級，“焊接結構與設計”作為專業課開設在大四上學期，前后時間跨度較大，此時學生的高數知識已忘記得差不多了，再加上獨立學院學生基礎知識相對薄弱，因此學習該部分內容時比較吃力。其次，以第三章焊接應力與變形為例，該章內容涉及了較多材料力學、彈塑性力學方面的理論計算知識，而力學知識又是很多學生的短板，從近年上課的情況來看，學生理解困難，特別是力學基礎差的學生，從頭至尾更是不知所云，最后只能死記硬背公式，不能真正掌握知識。再者，第五章焊接結構脆性斷裂、第六章焊接結構疲勞涉及了一些材料科學和材料斷裂力學方面的知識，比如解理斷裂、裂紋張開位移、J積分、疲勞斷裂等基本概念，部分學生早期在學習這類材料基礎課時沒有足夠地重視，以致現在學習困難。

2.2課堂教學模式單一，學生學習枯燥乏味

受傳統教學模式的影響，“焊接結構與設計”課程采用以教師講授為主的教學方法，課堂講授以PPT為主。教學模式形式單一，側重于教，不注重學生學，忽視了學生的主體地位，導致學生在學習過程中被動接受知識，不能積極參與到課堂學習中。學生聽課感覺枯燥、乏味，特別是一些實踐性章節，如第七章焊接結構類型及其特點，該章節介紹了框架焊接結構、桁架焊接結構、板殼焊接結構等一系列典型焊接結構，列舉的實例有起重機主梁、焊接容器、機床機身、焊接旋轉體等。這些結構學生平時生活中難以直接接觸，若仍采用PPT式的講解，學生就難以在大腦中形成立體思維，無法培養其焊接結構設計的能力。

2.3實驗教學模式化，學生參與度不高

“焊接結構與設計”課程教學計劃學時數40學時，其中實驗4學時。實驗項目為盲孔法測量焊接殘余應力。實驗對象為低碳鋼手工電弧焊對接試板，實驗目的是使學生理解焊接殘余應力機械鉆孔法的測試原理，掌握測試步驟，了解焊接構件焊接殘余應力分布的特征。由于實驗室建設經費有限，實驗設備較昂貴，目前實驗室只購置了一套測試設備。實驗教學時學生通常分4批，每批約15人，這導致了實踐教學時通常只能由實驗老師測試演示，學生在旁邊觀看，不能真正參與到實驗中來，大大降低了學生的實驗積極性，實驗教學效果大打折扣。

2.4授課計劃有待優化

“焊接結構與設計”課程安排在大四上學期，授課計劃時間為一周2次課，一周4學時。由于教學期間有國慶放假一周，課程結束時間一般在11月下旬。而大四上學期恰逢學生考研期，研究生考試時間一般在12月下旬。筆者所授專業的學生繼續升學深造意愿強烈，專業里有一半學生報名了研究生考試。這導致該課程授課后期認真聽課的學生逐漸減少，主要原因是越來越臨近研究生考試沖刺階段，學生精力都放在考研課程的復習上了，而忽視了本專業課程的學習，部分學生上課時特意坐在教室后排復習考研課程。因此，排課時間有待根據實際情況優化。

3課程教學改革與探索

3.1補充學生基礎知識

如上所述，焊接結構涉及高等數學、力學、材料學等學科的一些基礎知識，為了便于學生理解原理及公式的推導過程，筆者適當采取了一些措施補充基礎知識，具體做法如下：①建立課程QQ群。在涉及較多理論基礎知識的新章節授課前，教師在群里布置學習任務，通知學生翻閱以前的相關教材，溫習相關知識點，或者推薦一些網上好的學習資料、視頻資源供學生學習。②授課中多提問，了解學生復習基礎知識的情況，引導學生多思考，講解中突出重點、難點。③課后若有少數同學仍未聽懂，成立班級互助小組，由基礎知識較好的學生踴躍報名。先后成立了高等數學互助小組、力學互助小組、材料學互助小組等。互助小組課下一對一復習指導，不僅及時進行了輔導，而且實現了課堂內外教學相融合，確保了學生同步前進。

3.2豐富課堂教學模式

課堂講授中多引入視頻、動畫等新穎資源來提高學生的學習興趣，助力學生深入理解難點知識。以焊接溫度場、應力場知識點為例，這些內容抽象，難以理解，但又是課程的重點、難點，若僅用PPT文字式講解，就難以講解清楚，學生興趣也不高。教師可利用數值計算方法，將計算結果通過彩色云圖、視頻動畫展示，讓學生直觀形象地看到焊接件焊接時整體、某截面或某一點溫度場、應力場的變化及演變過程，提高學生對理論知識的感性認識，拓寬了學生的思維。

對于實踐性強的知識點，學校可以邀請生產實習基地企業的工程師輔助講解。如講到焊接結構的類型章節時，輔助學習的企業焊接工程師可以就本企業典型的焊接結構產品現場講解錄制的視頻。由于企業工程師對自身產品比較熟悉，可以把握產品的關鍵點，所以講解得更透徹。這樣不但發揮了企業工程師實踐方面的特長和優勢，而且與高校教師理論知識較強而實踐不足的劣勢形成了良好的互補，學生更容易學好該門課程。例如，我們分別邀請了起重機行業、壓力容器儲罐行業、船舶制造行業等企業的一線工程師就他們的產品進行視頻講解錄制。講解內容不局限于焊接結構的分析，還包含產品原材料、焊接方法與焊接工藝、焊接檢測等方面的內容，實現了焊接材料、工藝、結構、生產四大塊內容的融合學習。學生不但直觀了解了不同類型焊接結構的特點，而且加深了解了所學專業以后的工作方向，學習由被動向主動轉變，學習興趣和熱情得以提高。

3.3創新實驗教學方法

實驗教學方面，從傳統的集中大組示教模式轉變為小組開放模式。具體做法為：首先，由早期的15人一大組減少至9人，實驗老師對大組授課，講解實驗原理、示范測試步驟、提醒實驗注意事項等，學生觀摩實驗過程。其次，測試實驗室實行對外開放模式，9人大組細分為3人小組。在接下來的一周，每小組選擇時間來實驗室進行實驗操作，完成試板表面打磨、粘貼應變片、錫焊應變片與導線、連接導線與應變儀、固定鉆孔支架、鉆孔、記錄數據等一系列實驗操作過程。實驗過程中若遇到問題可聯系實驗老師指導。通常情況下該實驗項目需要3人配合完成，確保每位學生都參與了實驗，而且自主完成了實驗，達到了良好的實驗教學效果。此外，為了讓學生對課堂講授的焊接殘余應力調控方法有更好的認識，教師另外準備了退火態、超聲沖擊態焊接試板各一塊，感興趣的同學還可以對比測試焊態、熱處理態、超聲沖擊態三種不同狀態試板的殘余應力，更進一步了解不同焊接殘余應力調控方法的特點及效果，從而加深對書本知識的理解。

3.4合理安排授課計劃

鑒于“焊接結構與設計”課程部分章節理論性強，部分章節實踐性強的特點，從學生接受知識到消化知識的過程考慮，授課計劃優化為理論知識點多的章節一周內排2次課，留給學生多些時間課后復習消化，如第二章焊接熱過程、第三章焊接應力與變形、第四章焊接接頭的理論知識點較多，每周安排2次課。而實踐性強的章節一周內安排3次課，如第五章焊接結構的脆性斷裂、第六章焊接結構的疲勞強度、第七章焊接結構類型及其力學特點、第八章焊接結構設計章節的實踐性內容較多，每周安排3次課。調整后課程結束時間一般在11月上旬，這樣距離研究生考試還有較長的一段時間，學生前期可以安心學習本專業課程。從改革后的課堂效果來看，學生上課明顯比以往注意力集中，前排座位已無空缺。

3.5優化成績考評方式

“焊接結構與設計”課程是一門考試課程，以往總評成績=平時成績（15%）+實驗成績（15%）+考試成績（70%）。其中，平時成績由出勤率、課堂表現以及平時作業成績構成。由于期末考試成績占比較高，部分學生不注重平時學習，臨考前死記硬背知識也能考個不錯的成績，但這種臨門抱佛腳的方式導致學生不能深刻理解知識，普遍出現了考后就忘的現象。為了注重平時學習過程，加深學習印象，提高課堂積極性，課程組適當降低了期末考試成績占比，提高了平時成績及實驗成績比例，優化后的總評成績=平時成績（20%）+實驗成績（20%）+考試成績（60%）。避免了“一考定成績”的現象，學生也真正掌握了知識。

4結語

獨立學院人才培養目標定位是培養具有創新精神和實踐能力的應用型人才，“焊接結構與設計”課程作為獨立學院焊接專業的一門專業主干課程，課程的改革和創新對于提高教學效果、培養學生創新應用理念等具有重要的意義和作用。針對該課程采取的一系列改革措施不僅強化了學生的基礎理論知識，提高了其學習興趣與積極性，還讓學生深入了解了企業焊接結構生產一線的情況，擴大了學生的視野，激發了學生的專業學習熱情，為成為滿足社會需求的創新型工程技術人才奠定了基礎。

參考文獻

[1]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2019.

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[4]張先菊.基于“雨課堂”的焊接結構與設計教學模式探索[J].教育教學論壇，2020（37）：184-185.

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[6]胥國祥，胡慶賢，劉川，等.基于網絡教學平臺和數值模擬技術的“焊接結構”教學改革[J].山東化工，2019，48（12）：146-148.

[7]辛立軍，陳明華，周岐，等.案例教學法在焊接結構課程教學中的應用[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2019，21（1）：121-123.