以《材料成型技術》教學改革為例，探討本科生專業思維的建立

◆摘? 要：新工科背景下，技術快速更迭，學校教育落后于技術前沿。如何實現教育“成果導向”的改革，幫助學生適應技術飛速發展，是高等教育面臨的共性難題。本文以《材料成型技術》教學改革為例，探討大學教育在緊跟技術發展步伐的同時，如何培養學生抓住問題核心，看清問題理論本質，由本質出發尋找問題解決方案的專業思維方式。

◆關鍵詞：教學改革;專業思維培養;材料成型技術;線上線下混合教學

新工科背景下技術發展日新月異，新材料、新工藝層出不窮，書本知識的更新自有其周期，因此很難站在技術的最前沿。如何幫助畢業生快速熔融新崗位，掌握新技術，在工作中適應技術的飛速發展，實現高校教育真正的“成果導向”，是各大高校面臨的共同問題。

本科學生眼中基礎理論課與專業課是彼此獨立的。他們常常會迷茫于所學的知識“有什么用，該怎么用”的問題。因此，在教授學生知識的同時，引導學生運用所學知識解決實際問題，培養學生用基礎理論知識分析實際工藝設計的專業思維方式是非常必要的?！恫牧铣尚图夹g》是材料類專業學生的一門專業基礎課，課程本身連接基礎理論與工藝實踐。本文以該課程為例，探討通過教學改革，引導學生培養基礎理論與實際工藝相融的專業思維的教學思路。

一、《材料成型技術》課程尷尬的定位

材料成型技術是材料成型及控制工程專業的一門專業基礎課，定位核心在對金屬材料常用的成型工藝進行概述，讓學生對這些工藝具備基本認識。在目前的定位下，本課程既沒有艱深的理論，在有限的學時內也不會對每一種工藝進行詳細、系統的介紹，如同雞肋，難以得到同學們的重視。通過課程的學習，部分學生能夠如圖1中“學生思維”一般，在書本內容范圍內，判斷工藝合理性。一旦超出書本范圍，則既無法為給定制件選擇相對合理的成型工藝，亦無法判斷給定成型工藝是否合理。但工藝發展日新月異，“新材料應該用怎樣的工藝成型？”“新工藝的改革是否適合某項產品？”書本和課堂都不能為學生提供答案。怎樣讓學生學會抓住問題的難點，透過難點看清問題理論本質，從理論本質出發分析解決實際問題、激發創造力的思維方式，才能夠幫助他們成為新技術、新工藝的掌控者、發明者。針對這一目標，對《材料成型技術》課程進行教學改革。

二、搭建聯通基礎理論與工藝實踐的橋梁

（一）課程定位

在材料成型與控制專業的課程設置中，《材料成型技術》課程具有非常重要的理論聯系實際的作用。例如：合金熔體流動性，向工藝方向延伸是影響熔體充型性的重要因素，是鑄造工藝參數制定的依據之一;向理論方向延伸是由熔體表面張力和凝固特性決定，原理源自《物理化學》課程的界面能部分和《金屬學》課程的相圖部分?？梢?，本課程能夠有效的聯通基礎理論知識和工藝實踐，幫助學生建立從理論到實踐的專業思維。因此對課程重新定位如下：

“課程綜合介紹材料成型全流程，是材料學基礎理論通往實際工藝的橋梁。使學生了解常用金屬材料及其它工程材料的主要成型工藝，掌握鑄造、壓力加工及焊接工藝的材料學原理及工藝特點，學會運用基礎理論知識分析實際工藝的選擇、設計原則，為日后學習其他相關課程、從事相關工作奠定良好的基礎?！?/p>

（二）課程內容

根據新的定位，在課程內容中適當添加了合金組織隨工藝手段的變化規律，及母材和半成品成型工藝即鑄造、壓力加工與焊接工藝在制件成型全流程中的關系，如圖2所示。鑄造既可作為最終成型工藝，也可以作為壓力加工和焊接工藝母材成型工藝;壓力加工必須以鑄造或壓力加工母材為原料;而焊接工藝的被焊接件也一定是經過鑄造或者壓力加工成型的。

每一個制件都有核心質量要求，通常是外形或力學性能。制件的力學性能與材料的力學性能密切相關。分析制件成型全流程組織及力學性能變化規律需要從基礎理論知識入手。學生面對超出書本范圍的給定制件，也可以根據其核心質量要求，分析理論本質，從理論本質出發尋找可行的加工流程及后續處理工藝;進而制定制件成型工藝全流程。從而具備自主工藝設計和工藝創新的基本能力。

以某小型齒輪的大批量生產為例。常規教學中，僅介紹根據齒輪力學性能要求，建議使用鍛鋼進行加工。其原因在于鍛鋼力學性能優于鑄鋼。課程改革后，需要引導學生如圖3進行分析，以便建立專業思維。如果齒輪用于傳動，力學性能要求是制件的核心質量要求。滿足力學性能要求，需對金屬進行強化。金屬材料的常規強化手段中，固溶強化、相變強化等手段主要是通過合金成分設計配合熱處理工藝實現的，而細晶強化則是可以通過鍛造/軋制成型工藝實現的。因此優選鍛造/軋制母材進行輪齒加工。如果小齒輪用于工藝品裝飾，則對制品表面質量要求成為核心質量要求。如果采用金屬材料制件，相比鍛件而言，鑄件既可達到表面質量要求又減少了壓力加工工序，降低了加工成本。此外，塑料成型性好，制件成型溫度低于金屬，也可考慮，但是其表面缺乏金屬光澤。因此可根據實際情況選擇采用鑄造/注塑成型后進行表面鍍膜的方法制備所需小齒輪。

三、教學方法與手段

《材料成型技術》課程的目的只是聯接而非重新教學，因此在課堂講授過程中僅選取課程需要的結論，采用通感、類比等簡單易懂的方式幫助學生重溫、理解并應用這些結論，不會進行深度講解。但部分被激起好奇心的同學有可能課后對相關知識進行的二次學習。

例如，合金元素對熔體流動性的影響。首先讓同學們判斷夏天吃的沙冰和水的流動性哪一個比較好。結果顯見是水。因為沙冰是固液兩相混合物，流動性較差。同理，相同溫度下，熔融的合金液也是純液相體系的流動性好于兩相混合體系。觀察鐵碳相圖（圖4）發現，共晶點C左側，液相線溫度隨碳含量的升高而降低。相同溫度T下，鑄鋼（A）進入固液兩相區而鑄鐵（B）仍為純液相。因此鑄鐵的流動性比鑄鋼好。由此推廣，凡是降低液相線溫度元素都有利于提高合金熔體流動性。如此關聯，既可以有效的將基礎理論知識直觀化，便于學生理解，也可將相圖部分知識有效的和鑄造工藝成型性連接起來，為學生建立完整的分析問題的思維鏈條。日后學生遇到相似的問題，如制定新合金成型工藝時，即使缺少實驗結果與別人的經驗，也可以根據自己所學進行初判，建立自己的觀點。

四、課堂模式

為了調動學生的學習積極性，擴展學生的視野，課堂采用線上線下相結合的模式進行教學。

課前選擇如永樂大鐘鑄造訪談、高頻焊接生產工字鋼等與本次課內容相關的、有代表性的或者先進的加工工藝視頻，作為預習資料發給學生。擴展學生的視野，讓他們帶著對課程內容的好奇心進入課堂，提高課堂學習專注力。

課堂上，采用線上課堂習題以及工藝討論的方式不定時與學生互動。課堂習題主要涉及剛剛講過的知識點或者分析過的工藝特點，以檢查學生課堂的接受程度。課堂討論主要是針對正在學習的工藝選取制件，討論其可選成型工藝流程及工藝流程中的注意事項;或者在某類工藝特點講解告于段落的時候，討論給定制件的給定工藝流程的合理性等可以刺激學生發散性思維的問題。例如：“后母戊鼎的鑄造難點有哪些，如何解決？”“大明永樂劍劍首與劍身如何連接，為什么？”“鳥巢的鋼結構是鑄造成型的還是壓力加工成型的？為什么？”在此類問題討論過程中，引導學生從所選擇的工藝回溯工藝選擇背后的基本原理。往往學生在回溯過程中自己就可以判斷最初的選擇正確與否。這種討論可以幫助學生建立專業的思維方式。

五、教學評價

在期末考試中加入學生自主發揮題。請學生自選制件，查閱并總結制件從鑄造開始的成型工藝全流程。并在考場上臨場發揮，從所總結的成型工藝中分析工藝中蘊含的材料成型原理與選擇的合理性。該題目考核學生查閱資料總結制件工藝流程，并提煉工藝流程中所運用的成型工藝理論的能力，檢驗學生知識的整體性，鍛煉學生的專業思維。

六、以《材料成型技術》課程為起點將基礎理論用于工藝實踐

在教學改革的實踐過程中，經過課堂上多次分析實際成型工藝背后的基礎理論，由原理預測成型工藝影響因素及優化方向后，學生對專業基礎理論的反應明顯好轉，能夠對老師提出的專業名詞進行解釋的同學越來越多。并且在課堂討論過程中，如果書和手機上都沒有答案，學生會嘗試用自己的思路分析。課程后期，部分同學可以對老師或書上舉例的一些工藝選擇提出疑問。例如“摩擦焊兩個工件必須是回轉體嗎？非回轉體接觸面上能量輸入足夠不行嗎？”可見，學生已經初步掌握將基礎理論與實際工藝相聯系的專業思考方式。

期末考試中，學生自主發揮題總達成度達到78%。但得分點主要集中于對于自選制件工藝全流程的總結。在從工藝全流程中提煉工藝理論方面學生達成度較低，僅約60%。表明課程教學改革工作仍需進一步努力。

七、結語

專業思維的形成是長期訓練與累積的結果，僅靠一門課程的有限時間是不夠的。但是可以以《材料成型技術》為起點，引導學生建立在工藝問題中找出問題核心，分析理論本質，從理論本質出發解決問題的專業思維，為未來的發展提供助力。

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作者簡介

王琳寧（1980.01—），女，漢族，湖北天門人，博士研究生，高級工程師，研究方向：材料學。