數值模擬融入金屬工藝學課程中的教學改革

摘要：為了提高金屬工藝學這門課程的教學完整性與先進性，分析傳統教學的不足，將數值模擬仿真有效地融入金屬工藝學課程中，顯著增強學生的實踐能力和創新意識，提升教學質量，對課程的教學改革進行了深入研究，推動課程的循序發展。重構教學方法，重點以鋼的加熱冷卻轉變過程這一課程內容為切入點，采用計算機仿真模擬，對課程中復雜的生產過程進行定性和定量描述，優化教學內容，實施多元化課程考核體系，促進課程教學目標的實現，有效提高金屬工藝學課程的教學效果。

關鍵詞：金屬工藝學；教學改革；數值模擬

中圖分類號：TG151""文獻標識碼：A

一、概述

在現代教育體系中，金屬工藝學課程作為工科專業的核心課程之一，主要研究金屬材料的加工與制造技術，是理工科院校材料與機械相關類專業學生的必修基礎性課程。課程知識面廣，實踐性強[1]，授課教師會根據不同的專業需求制訂相應的教學大綱，設定課程內容的廣度與深度，結合多種教學方式，對本門課程進行深入淺出的講解，其教學質量和教學效果直接影響到學生的專業素質和創新能力的培養。

在當前國家大力推動創新驅動發展戰略，以及制造業轉型升級的背景下，“金屬工藝學”作為一門理論知識與實踐生產結合緊密的綜合性專業必修課程[2]，在實際教學過程中，受到高校資源不均衡的掣肘，部分院校缺少相關實訓場地與設備，授課階段部分關鍵實踐內容缺失。鑒于此，探索新的教學方法，融入新型教育元素，教學方式和內容的改革顯得尤為重要。如何通過教學改革，提高金屬工藝學課程的教學質量，培養學生的創新思維和實踐能力，成為了當前教育研究的重要課題。

二、“金屬工藝學”課程的現狀剖析

（一）內容繁雜，課時量略顯不足

金屬工藝學課程涵蓋了金屬材料的分類及冷熱加工技術等[3]?？颇款愋投?，內容繁雜，知識點生澀難懂，學生在掌握與理解方面存在一定的難度，這一現象日益突顯。

（二）理論與實踐銜接不合理

課程理論教學內容與之相對應的實踐教學課程安排銜接不當，導致理論與實踐脫節，學生在課程的理解上有所欠缺[4]。

（三）內容枯燥，教材前瞻性不夠

課程的基礎知識體系比較完備，在工藝過程方面基本延續了傳統工藝方法，拓展和創新略顯不足，使得學生對于新技術、新材料、新工藝和新方法的理解方面前瞻性不足，科技創新意識薄弱。

（四）課程考核體系不完備

課程考核體系對學生主動性、積極性缺乏鼓勵，在學生的自學能力和綜合分析能力的考察方面存在缺失，未能全面反應出課程“教”與“學”兩方面評價體系的合理性與完備性。

這些問題不僅影響了學生的學習效果，也使得金屬工藝學課程與培養創新人才的目標漸行漸遠。為了解決上述問題，應從創新型人才培養的角度出發，對金屬工藝學課程的教學改革進行深入研究，以提高學生的學習內動力，促進課程新質生產力的發展。

三、教學內容的創新改革

在“五段教學法”（預備、提示、聯系、統合、應用）的基礎上進行延伸授課，通過創新改革，鼓勵學生積極思考，提高學生主動性，突出學生個人經驗和能力在教學過程中的作用，結合教師課堂講解，吸收并掌握課程相關知識要點。

（一）課題引導

在情景引入和導入新課程階段，采用鮮活生動的案例或引人入勝的提問引起學生的共鳴，使學生對新課程有一個宏觀的認識，使其思維遐想定位在新課題之中，盡快融入課堂教學之中。例如，在緒論章節中，我們在設計教學方法的時候可以從金屬材料的起源講起，同時課堂講授中穿插學生比較感興趣的歷史文物國粹，如司母戊鼎、永樂大鐘及越王八劍等青銅器，以討論的形式讓學生講述他們的歷史出處及工藝方法，從而引起學生興趣，在互動的氛圍下學習本門課程。

（二）章節內容的融會貫通

本門課程章節內容繁雜，從材料晶粒度到零件的成型加工，知識點之間重點切入，相互融合。各工藝之間存在著必然的關聯性，金屬材料基礎是工藝加工的基礎，工藝加工改善著金屬材料的性能?；玖慵某尚凸に嚕w了本門課程的重要知識點，在教學過程中，應以這條線為線索融會貫通各個知識點，達到以點及面的教學效果。

（三）理論與工藝對應分析

盡可能地實現理論課程和實踐課程同步教學，理論課程支撐實踐教學，實踐教學鞏固理論課程，兩者相互兼容，相得益彰。

四、創新教學方法，仿真模擬融入教學環節

課程內容涉及到的車銑刨磨等冷加工技術這一類宏觀事物，我們可以通過理論與實踐很直觀地實現課程教學，而另一部分涉及到微觀組織的熱加工技術，在實踐環節中受到場地、環保與設備條件的影響，部分高校并不能開設此類課程。即使資源型較好的高校開設熱加工課程，學生的實踐內容僅限于目至所到的了解，對其認知依舊停留在表象中，在微觀組織轉變過程的理解方面仍處于思維想象層面，課程教學體系的不完備，使得學生對這一部分知識的理解不徹底，不深刻，教學效果大打折扣。

隨著計算機技術的發展和廣泛應用，將計算機應用于生產教學中也是大勢所趨[5]，其中計算機數值模擬仿真是當前較為先進的研究和教學方法，利用這種技術可以對復雜的生產過程進行定量描述和仿真[6]，模擬宏觀與微觀組織中的各種物理過程，教師可以通過仿真軟件實現真實場景的模擬化，學生可以直觀感受到宏觀及微觀組織中的物質變化，利于學生對知識點的理解與掌握。

（一）教學案例的選取

在本門課程中，我們可選取“鋼在加熱與冷卻轉變過程”這一教學內容展現仿真模擬軟件在課程中的具體應用[7]，本節知識的難點是顯微組織的相轉變過程，抽象難懂，在現實生活中是真實存在的，而在課堂教學環境下卻很難顯現其過程本質。

（二）選用合理的虛擬仿真軟件

我們選用COMSOL虛擬仿真軟件來模擬熱處理生產過程，軟件中內設有多種物理及化學接口，選用相應的仿真接口可以模擬整體熱處理、表面熱處理以及化學熱處理等工藝過程。

（三）課程案例的模擬與分析

鋼在固態下進行加熱、保溫和冷卻時將發生組織轉變，轉變臨界點根據Fe-Fe3C相圖確定。在模擬鋼的冷卻轉變過程中，通過加載軟件中固體傳熱、固體力學及奧氏體分解等模塊，直觀地展現組織轉變過程中溫度的變化（如圖1），內應力的分布（如圖2），以及熱處理過程中奧氏體分解，鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體形成等微觀組織變化（如圖3）。

通過在數值模擬仿真軟件的各個模塊中設置相應的參數，即可得到溫度與組織的關系、晶體組織的相互轉變過程、組織轉變和相變應力的內在聯系等數值結構模型，使學生能夠直觀的認識鋼在加熱與冷卻轉變這一過程，并且深入的理解組織轉變機理。從相變應力變化趨勢圖可以分析應力集中點，進而拓展延伸出對熱處理生產工藝的分析與驗證。

教學中引入計算機模擬仿真技術，可不受時間、空間、場地及設備等因素的影響，學生在課堂中可獲得良好的既視感和體驗感，有助于學生更全面的掌握金屬工藝學的理論知識和實踐技能，更好地掌握現代制造業的技術和工藝。

同時，數值模擬仿真技術更深入地融入課程體系中有效地解決院校硬件和軟件設施不足的問題，彌補實踐教學短板，完備課程體系，教學效果明顯增強，使學生的專業素養、創新意識和拓展創新能力有了更高的提升和飛躍。

五、課程考核的創新

課程考核是檢驗學生學習效果的有效途徑，有別于傳統考核方式，課程考核重點突出三部分內容，即課題考核、實踐考核即期末測評，如圖4所示。課題考核側重點在于讓學生組建課題小組，就課程教學中的某一知識點進行充分的探究，理清脈絡，學生上臺演示講解答辯，提高學生的自學能力和團隊合作能力，增強敢于面對挑戰的勇氣；實踐考核重點在于將理論知識用于實踐中，通過實踐操作檢驗理論知識掌握的完整性，賦予相應的成績；期末測評重分析輕客觀，考察學生綜合分析能力，以主觀論述為主，減少客觀題目。

結語

通過改革教學方法、教學內容以及考察方式，特別是利用仿真軟件實現真實場景的模擬化，對課程中復雜的生產過程進行定性和定量描述，學生可以直觀感受到微觀組織中的物理變化過程，利于學生對知識點的理解與掌握。可以有效提高金屬工藝學課程的教學效果，以適應當前國家創新驅動發展戰略的需求，更好地服務于創新型人才培養的目標，培養出具有創新精神和實踐能力的高素質人才，提高我國制造業的人才素質具有重要的理論和實踐意義。

參考文獻：

[1]尚飛，曹麗英，孟可可.以創新型人才培養為目標的金屬工藝學課程教學改革研究[J].科技資訊，2022，20（06）：182-185+198.

[2]肖萍，劉銀萍，王曉亮，等.機制專業工程實踐能力培養與德育融合的教學改革與實踐[J].現代農機，2023（05）：86-88.

[3]李睿，劉德全，高天一，等.“互聯網+”環境下以解決復雜工程問題為目標的金屬工藝學教學改革[J].科學咨詢（科技·管理），2021（03）：5-6.

[4]李軍霞，姚云峰，王會霞，等.金屬工藝學課程教學改革與探討[J].中國現代教育裝備，2020（05）：74-75+78.

[5]夏春艷，董海，李清臣，等.“新工科+專業認證”背景下金屬工藝學課程的改革與實踐[J].經濟師，2022（09）：156-157.

[6]何劍飛，鄭丁科，張具武，等.虛擬仿真技術在金工實習中的應用[J].教育教學論壇，2012（21）：153-155.

[7]王英杰，卜學軍.金屬工藝學[M].北京：高等教育出版社，2022：49-52.

基金項目：榆林學院"虛擬仿真技術融入金工實習教學過程中的實踐與應用研究，JG2374

作者簡介：周利成（1982—""），男，漢族，甘肅白銀人，工程師，實驗師，本科，學士，主要研究領域為金屬材料熱處理以及金屬材料的數值模擬仿真。