材料成形原理現代化教學的改革與探索

李明驁

(重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054)

作為材料成型及控制工程本科生教學的專業核心課程之一，材料成形原理主要介紹了液態成形、塑性成形等技術的基本規律及原理，內容涉及晶體學、材料物理化學、金屬學及材料力學性能等方面知識。然而，作為材料科學學科的傳統理論課程，材料成形原理的相關教材、教學方法及參閱資料相對陳舊，缺乏創新[1-3]，對現代工業發展及科技前沿等方面的涉及較少。因此，如何培養出適應新的制造產業結構及經濟環境的創新型、應用型技術人才，使其能夠學以致用，并滿足現代企業對高級技術人才的需求，是本課程教學方法探索及改革的重點，也是其他相關專業課程教學探索的共同趨勢。

1 材料成形原理的現代化教學方法探索

材料成形原理課程設置的目的在于培養掌握專業理論知識的應用型、創新型人才，為繼續科研深造或工程實踐打下牢固的基礎。因此，該課程的教學內容不能只局限于理論教學，而與工程實踐及科研創新脫節，但是對剛剛接觸專業的本科生而言，無障礙地進入專業課程學習并迅速聯系相關工程應用及科研創新的難度較大。隨著中國經濟的快速發展，制造業產業結構的變化翻天覆地，新技術、新成果不斷涌現，陳舊的教材和教學方法已經無法滿足高等院校的人才培養需求[4-6]。因此，本文著眼于科技創新及工程應用實踐，結合作者近年教學與科研經驗，探索新的材料成形原理教學方法，并希望通過教學改革提高學生的應用、創新能力。

2 材料成形原理的現代化教學方法改革

2.1 先進技術案例展示調動學生積極性

隨著科技的不斷進步，工程構件的制造不再局限于傳統的鑄造、鍛造及焊接技術，而是拓展到在其基礎上交叉衍生形成的復合制造技術中。就鑄造方法的發展而言，由傳統的砂型鑄造到金屬型的特種鑄造，繼續發展形成3D打印技術領域的選區電子束熔煉和選區激光熔煉等；而焊接工藝及技術近年來更是逐漸向著完全自動化的趨勢發展，形成了焊接機器人、焊接手臂等與電力電子、計算機等領域緊密結合的科技產品，能夠實現極端環境中材料的連接和加工。因此，如何利用材料成形原理理解并解釋先進制造技術的復雜工藝過程，成為了新時代工程技術人員必須掌握的專業技能。如圖1所示，為大型客機的某型號增壓渦輪發動機及其各級葉片，生產該發動機不同部位的零件需要不同的先進成形方法，例如單晶葉片的生產需采用定向凝固，隔篩的生產需采用鍛造與機加工結合的方法，部分盤型構件的制備需要采用熱等靜壓等粉末冶金技術手段。因此，了解并掌握相關的成形原理對于優化制造業工藝流程和構件質量至關重要。授課教師通過豐富先進技術及制造的案例分析，生動、直觀的揭示工程構件制造過程及相關原理，有利于學生對理論知識的掌握。同時，航天、軍工及汽車等制造行業均與材料加工工程專業息息相關，利用以上領域中零件的先進制造工程實例展示，能夠極大程度的激發學生對專業的認同感，引起學生深入探究并學習理論知識的興趣，明確學習目的和動機，調動學生的主觀能動性和積極性，進而顯著提高教學質量。

圖1 大型客機增壓渦輪發動機Fig.1 Turbocharged turbo engine of large aircraft

2.2 工程實踐訓練加深學生對理論知識理解

隨著高等院校的大規模擴招，學校軟硬件無法滿足實踐教學，導致材料成形原理的課程教學重點多側重于理論授課，對學生工程實踐能力的培養及相關教學被大幅度削弱，不足以使學生全面了解企業的實際生產過程，導致教學與工程應用嚴重脫節。近些年隨著高校教育平臺建設的逐漸完善，教學軟硬件已經能夠滿足工程實踐教學，但是由于教學模式和學生思想觀念沒有發生轉變，導致培養方式仍然停留在理論知識教學層面。在現代化經濟模式及產業結構的環境下，企業需求的往往是具有工程應用背景的技術人才，進而大幅度縮短大學生畢業后投入實際生產工作的過渡時間，提高企業效益的同時增強工程人員的技術能力，因此，對學生工程實踐能力培養是材料成形及控制工程專業現代化教學改革的必然趨勢，也是材料成形原理課程改革側重點之一。

經過前期教學實踐探索及工程認證背景下的課程結構調整，教研組在理論教學的基礎上，增加了工程實踐強化訓練環節，實行“理論教學56學時+工程應用訓練8學時”的教學模式。其中理論教學應抓住重點，濃縮經典部分，形成層次鮮明、簡潔的理論授課模式，同時聯合重慶地方特色企業，依托課程核心內容，授課教師在工程制造現場對理論知識進行講解，并聯系相應工程應用場景，每14學時的理論教學穿插2學時的工程強化訓練，以實踐加深學生對理論知識的理解，以理論知識指導并培養學生自身的動手實踐能力。將考核方式由傳統的“平時出勤(10%)+課堂表現(10%)+期末考試試卷成績(80%)”，調整為“平時出勤(10%)+課堂表現(10%)+工程實踐報告成績(20%)+期末考試試卷成績(60%)”。學生分為若干工程實踐小組，每2課時的工程應用強化訓練完成后，進行實踐訓練小組內部討論，結合專業理論知識及工程應用訓練分析并嘗試解決企業生產管理中的實際問題，并形成工程實踐訓練報告，作為課程最終成績的主要評估內容之一。

2.3 教學結合科研培養學生創新性思維

科學研究是科技革新與進步的基石，結合理論、實踐、科研形成“三位一體”的教學模式，利用理論知識指導科研以解決工程實踐問題，能夠有效的培養學生的創新思維和能力。工業技術的發展導致現有教材不足以反應先進技術和現代部分工程問題，例如教材中介紹的偏析、氣孔、夾渣物、縮孔、縮松等缺陷，就目前的新材料、新方法而言，部分缺陷能夠得到有效控制。但是隨著工業的進步和發展，新環境下科學技術人員需要關注的是更加復雜的問題，例如，如何在控制成本的前提下實現新材料的大規模工程制造？如何在傳統材料的基礎上通過何種先進工藝制備出綜合性能更加優異的新材料？如何實現3D打印技術條件下大尺寸、形狀復雜的精密金屬構件的制造？以上科技前沿問題均是新工業條件下亟待解決的。

因此，結合教師自身的科研經歷，盡可能的展示相關顯微組織圖像、性能曲線及材料分析測試等科研成果，向學生直觀的闡述科學研究的過程、先進制造技術中復雜的問題的解決方法、材料科學技術人員所面臨的技術難題等，不僅能夠使學生了解材料科學與工程的技術前沿，深化理論知識的理解，還可以增加其學習興趣，提高學習效率和教學質量。另外，還可以組織研究生就自身科研經歷與本科生進行深入交流，形成研究生牽頭的科研小組，參加各類實驗或專業競賽，提升學生自身的創新能力。理論、科研及實踐之間的相互關聯即為專業知識學以致用的過程，以此過程促使學生體會專業課程趣味性、實用性的同時激發其創新思維，削弱專業課程學習的功利性、唯學分式的思想。

3 結 語

通過調整材料成形原理的課程結構、考核方式以及教學實踐，對該課程的教學方法進行改革與探索，形成了專業理論、工程實踐及科學研究相結合的“三位一體”教學模式，促使學生學以致用、學有所用，調動學生的主觀能動性，明確了專業學習目標，提高了教學質量，顯著地激發了學生的積極性和創新思維。緊密聯系現代化的高等院校教育及企業需求，依托兩者關聯性較高的專業核心課程，培養出滿足現代社會需求的應用型、創新型技術人才。