“焊接冶金學(xué)”課程教學(xué)改革初探

溫飛娟，龍 樟，杜建鋼，周培山

（西南石油大學(xué) a.新能源與材料學(xué)院；b.機電工程學(xué)院，四川 南充 637001）

制造業(yè)是國家競爭力的基礎(chǔ)。焊接技術(shù)與工程專業(yè)為制造業(yè)提供高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。隨著知識經(jīng)濟和信息時代的來臨以及建設(shè)創(chuàng)新型國家，制造業(yè)進入一個高速發(fā)展的新時期。新的技術(shù)和生產(chǎn)模式不斷出現(xiàn)，滲透到材料、工藝、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)的各個方面。

“焊接冶金學(xué)”課程是焊接技術(shù)與工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，對本專業(yè)學(xué)生既有專業(yè)入門的導(dǎo)向作用，又對后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)具有搭建專業(yè)知識平臺的重要功能。大一學(xué)年的大學(xué)物理及材料力學(xué)為物理冶金打下堅實的理論基礎(chǔ)，同時，“材料物理化學(xué)”及“材料科學(xué)基礎(chǔ)”等課程為化學(xué)冶金起到支撐作用；相應(yīng)的，焊接冶金學(xué)的學(xué)習(xí)可以為后續(xù)焊接質(zhì)量管理發(fā)揮引領(lǐng)作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了材料在熔焊條件下冶金過程的基本理論和基本知識，為正確選擇焊接材料、制定合理的焊接工藝和探索提高焊接質(zhì)量的途徑奠定基礎(chǔ)，初步具備了分析和解決焊接工程問題的能力［1］。筆者結(jié)合多年講授“焊接冶金學(xué)”課程的經(jīng)驗，深入探索教學(xué)改革方法。

一、“焊接冶金學(xué)”課程簡介

焊接冶金學(xué)是熔焊過程焊接工藝和焊接材料的基礎(chǔ)理論知識，分為化學(xué)冶金和物理冶金兩大方面，主要包含焊接化學(xué)冶金、焊接材料、熔池凝固和焊縫固態(tài)相變、焊接熱影響區(qū)的組織和性能、焊接裂紋等方面的理論基礎(chǔ)。其中，焊接在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的各種氣體及熔渣，氣體與金屬的作用及熔渣的酸堿性、氧化、脫氫、脫硫、脫磷以及合金過渡等均屬于焊接化學(xué)冶金。而焊接物理冶金幾乎涵蓋所有的焊接方法，如焊縫涉及固態(tài)轉(zhuǎn)變、晶粒長大及裂紋；熔合區(qū)涉及部分熔化、部分凝固、晶粒粗化、裂紋、偏析等問題；焊接接頭的熱影響區(qū)存在固態(tài)轉(zhuǎn)變、回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大及裂紋等問題［2-4］。良好的焊接接頭需要分別控制焊接化學(xué)冶金及物理冶金過程。

二、教學(xué)方法改革

（一）知識結(jié)構(gòu)拓撲化

“焊接冶金學(xué)”作為專業(yè)入門課程，其知識點眾多，若能做好知識點的梳理，采用知識點拓撲結(jié)構(gòu)圖，有助于學(xué)生理解重點和難點，加強知識體系的系統(tǒng)性和精練度，如圖1所示。同時，對于各小結(jié)還可以采用思維導(dǎo)圖，有利于加深學(xué)生印象及課程復(fù)習(xí)。以“焊接冶金學(xué)”課程中氣體與金屬的作用為例，首先引出氣體的來源，歸納總結(jié)出氮、氫、氧的主要存在形式，進而分析其對焊接質(zhì)量的影響，最后作為焊接工作者可以采取的控制措施，以此進行知識的貫穿講解。另外，此知識點還可作為熔渣與金屬作用的引入點，順聯(lián)出脫氧、控硫及控磷的措施。這種拓撲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊，學(xué)生易于系統(tǒng)掌握［5-6］。對焊接冶金學(xué)進行知識小結(jié)梳理，可以發(fā)現(xiàn)冶金學(xué)中需要記憶的知識常常是某種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、影響因素及控制措施，若能正確進行小結(jié)，將事半功倍。

圖1 焊接冶金學(xué)知識點拓撲結(jié)構(gòu)

（二）課程實踐改革

在過去較長時間和范圍內(nèi)，對焊接專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)基本是以理論教學(xué)為主、厚基礎(chǔ)、寬口徑的教學(xué)模式，對學(xué)生焊接冶金實踐環(huán)節(jié)缺乏足夠的重視，對于高層次、高技能、復(fù)合型人才的培養(yǎng)缺乏統(tǒng)一的認識，在原有教學(xué)模式中，以理論教學(xué)為主體，理論課教師負責(zé)課程講授，實驗課教師負責(zé)實驗，缺乏完整的實踐教學(xué)體系。因此，可以建立由課程主講教師帶領(lǐng)學(xué)生實踐的制度，完善相關(guān)的課帶實訓(xùn)制度，建立一套行之有效的實踐教學(xué)體系，幫助學(xué)生將理論知識與實踐操作緊密聯(lián)系，同時理論課教師可以掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況并及時做出調(diào)整［7］。

現(xiàn)有針對焊接冶金學(xué)的實驗主要有兩個，比較單一，針對性較差。基于此，探索傳統(tǒng)理論課堂減少理論教學(xué)的學(xué)時，增加與之配套的焊接冶金實踐學(xué)時的教學(xué)模式。“焊接冶金學(xué)”課程總學(xué)時為48學(xué)時，原有理論44學(xué)時，實踐4學(xué)時，可調(diào)整為理論40學(xué)時，實踐8學(xué)時。可參照表1設(shè)計的綜合性課程實驗進行選擇，進行成套體系的實驗測定。首先可以根據(jù)實際材料進行分析，設(shè)計并制備相應(yīng)的焊條，以此完成焊接接頭的制備，并進行焊接接頭的顯微組織分析，明確顯微組織對性能的影響，進而進行熔焊接頭缺陷檢測分析，并根據(jù)斷口形式判斷斷裂類型，從而實現(xiàn)焊接接頭的性能控制。其次，對于焊接熱循環(huán)的測定采用模擬與實驗結(jié)合的方法，提供多種途徑，加強學(xué)生的設(shè)計能力，注重學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。對于感興趣的學(xué)生還可以根據(jù)興趣自擬題目，進行開放實驗。教師在開放實驗的設(shè)計過程中指導(dǎo)學(xué)生搜集資料，講解儀器操作，并對實驗中所遇到的問題進行探討分析。如對于傳統(tǒng)實驗——“熔敷金屬含氫量測試”，常采用甘油法、氣相色譜法、水銀法等進行測試，通過組織學(xué)生參加全國大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽等學(xué)科競賽，結(jié)合大賽要求，與初中化學(xué)相聯(lián)系，自主設(shè)計殘余氫收集測量裝置。此法不僅能調(diào)動學(xué)生的積極性，為參加學(xué)科競賽奠定良好的基礎(chǔ)，也鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新性思維［8］。

表1 課程改革前后實驗對比

（三）教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

焊接接頭由焊縫、熱影響區(qū)及熔合區(qū)組成，但是傳統(tǒng)教材中對于熔合區(qū)往往不夠重視。由于熔合區(qū)介于熔化的母材與未熔化母材的交界區(qū)域，尺寸小，所以也被稱為熔合線。此區(qū)域是一個物理、化學(xué)及力學(xué)均極不均勻的區(qū)域，物理冶金和化學(xué)冶金在此區(qū)域均表現(xiàn)出相應(yīng)的復(fù)雜性，服役工件的失效也大多從熔合區(qū)開始，物質(zhì)的轉(zhuǎn)變、殘余應(yīng)力、硬度的突變也使得此區(qū)域的性能控制成為焊接接頭質(zhì)量保證的難點。但由于熔合區(qū)尺寸小，講授時經(jīng)常一筆帶過，沒有深入講解開發(fā)熔合區(qū)的知識。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一材料很難滿足性能要求，且綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展意識已經(jīng)深入人心，這些需求強烈?guī)恿水惙N材料的焊接，焊接熔合區(qū)的物理冶金問題將越來越重要。異種鋼焊接接頭由于固/液相碳分配的特性、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)以及焊后熱處理狀態(tài)的不同，不可避免地會出現(xiàn)碳遷移現(xiàn)象，形成相應(yīng)的脫碳層和增碳層，而化學(xué)成分的改變使得接頭的性能表現(xiàn)更加多變，同時也間接影響了相應(yīng)焊接材料及焊后工藝的選取。

（四）完善教學(xué)設(shè)計

“焊接冶金學(xué)”課程內(nèi)容較多，學(xué)時數(shù)、知識點覆蓋以及講授深度均有賴于合理的教學(xué)設(shè)計。合理的教學(xué)設(shè)計有助于學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生的課堂參與度。教學(xué)設(shè)計時要突出教學(xué)方法的多元化、互補性及復(fù)合性，并且根據(jù)“焊接冶金學(xué)”課程特點外推一些項目驅(qū)動式、啟發(fā)式、參與式、探究式、討論式等教學(xué)方法，加強學(xué)生的交流協(xié)作能力。現(xiàn)有多媒體及網(wǎng)絡(luò)平臺豐富優(yōu)化了現(xiàn)代教育技術(shù)，“焊接冶金學(xué)”課程應(yīng)高質(zhì)量地運用這些教學(xué)手段，以方便學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)及課后學(xué)習(xí)。對于焊接冶金學(xué)中的公式推導(dǎo)，應(yīng)弱化單純數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對此可以采用數(shù)值模擬的方法進行介紹，通過改變參數(shù)直觀影響結(jié)果，并且可以以教師所做模型進行展示，促進學(xué)生對模擬及冶金原理的掌握。另外，“焊接冶金學(xué)”課程并不只是圖片展示，在使用多媒體的同時應(yīng)加強板書，梳理知識體系。對于學(xué)生而言，不能只是“知其然而不知其所以然”，要加強學(xué)生分析問題并能夠獨立解決問題的能力，這就要求教師在平常的教學(xué)設(shè)計過程中設(shè)計創(chuàng)新問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。教學(xué)設(shè)計要與時俱進，與國際接軌，展現(xiàn)現(xiàn)有冶金學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果，體現(xiàn)現(xiàn)有國內(nèi)外焊接冶金領(lǐng)域最高水平的圖片、論文及重要理論，同時，要注重專業(yè)的應(yīng)用，加強案例介紹。課堂教學(xué)的展現(xiàn)方法也多種多樣，不能只是單純的PPT或者板書，例如，對于熔滴過渡和熔池凝固部分可采用動畫或者錄像播放，對比不同熔滴過渡形態(tài)對接頭質(zhì)量的影響，體現(xiàn)熔池邊界和中心參數(shù)變化所導(dǎo)致凝固組織的改變。優(yōu)秀的教學(xué)設(shè)計可以增加教師與學(xué)生的聯(lián)系，增加學(xué)生之間的協(xié)作機會。采用可以讓學(xué)生進行能動學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，盡量給予學(xué)生及時的反饋，尊重學(xué)生多種能力和多樣的學(xué)習(xí)方法［9］。對于期末考核，應(yīng)制定多種考核方式，防止“高分低能”現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時，課本的基礎(chǔ)內(nèi)容如何服務(wù)于現(xiàn)有的高要求生產(chǎn)，創(chuàng)新思想如何在試卷中體現(xiàn)，這都是教學(xué)設(shè)計時應(yīng)考慮的問題。試卷中綜合題型、開放題型及生產(chǎn)相關(guān)的真實案例分析所占的比值可適當(dāng)放寬；網(wǎng)上閱卷、隨機抽題既能滿足興趣，也能防止考生舞弊，促進教學(xué)。

（五）引入國際焊接工程師培訓(xùn)內(nèi)容

全球貿(mào)易一體化的發(fā)展迫使我國需要培養(yǎng)一批掌握國際化標準的焊接專業(yè)人才。在我國，國際焊接工程師是焊接專業(yè)最高的技術(shù)人員及質(zhì)量管理人員。培養(yǎng)國際焊接工程師可促進我國高校焊接人才的培養(yǎng)與國際接軌，為我國焊接企業(yè)開展國際企業(yè)認證提供人才保證，從而推進企業(yè)參與國際競爭，走向國際市場。“焊接冶金學(xué)”教學(xué)過程會涉及各種缺陷的產(chǎn)生原因、影響因素及控制措施，但缺陷的評級各個國家的標準是不一致的，在教學(xué)過程中可以適當(dāng)引入國際標準（ISO）、歐洲標準（EN）、美國標準（ASME）及德國標準（DIN），注重與中國標準（GB）進行對比分析，突出各標準的側(cè)重點。同時，國際焊接工程師的培訓(xùn)教材可與冶金學(xué)教材交叉使用，取長補短。因為該培訓(xùn)教材作為國際教材更為系統(tǒng)，且國內(nèi)大多數(shù)高校及企業(yè)對國際焊接工程師證書廣泛認可，引入該培訓(xùn)資料進行教學(xué)既有助于學(xué)生順利通過培訓(xùn)，提高就業(yè)能力和競爭能力，同時又有助于學(xué)生掌握多種焊接國際標準，促進國際交流，成為國際高端人才［10］。

（六）融入思政元素

優(yōu)質(zhì)的課程是課程思政的基礎(chǔ)，思政元素的融入要忠于教育教學(xué)和課程本身，實現(xiàn)教書育人的完美結(jié)合。教師是課程思政的關(guān)鍵，但學(xué)生的獲得感是檢驗施效成果的標準，要努力實現(xiàn)傳播真理、塑造新人的時代重任。焊接中每一個焊點都會影響整體焊接質(zhì)量，“焊接冶金學(xué)”課程講解過程中可以插入大國工匠中焊接前輩的實例，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)工匠精神。教師在課程中要在厚植家國情懷上下功夫，如引入焊接冶金在航空航天先進制造裝備中的案例，幫助學(xué)生樹立“四個正確認識”，引導(dǎo)學(xué)生踐行社會主義核心價值觀。對于“焊接冶金學(xué)”課程，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念、更新教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，與時俱進地提升教學(xué)能力，增強人格影響力，促使學(xué)生能夠真正“親其師，信其道”［11-12］。