《鑄造三維設計及優化》學練做一體化教學改革與實踐

（浙江機電職業技術學院，浙江 杭州 310053）

人工智能和信息技術正在全面地提升鑄造行業的技術水平，其中以計算機仿真模擬為核心的數字化鑄造已在鑄造領域中得到廣泛應用[1]。

高職院校作為復合型技術技能人才的培養搖籃，要根據現代鑄造業發展對人才的需求，順應時代潮流，在教學理念、教學內容和教學方法上開展大刀闊斧的改革。以扎實的理論基礎和動手能力、良好的創新意識和團隊精神為培養目標，結合三維設計和仿真模擬軟件的應用，我們對傳統的鑄造工藝設計和鑄造仿真模擬等專業課程進行整合提升，開展了“學練做一體化”教學模式的研究與實踐，取得了初步成效。

1 《鑄造三維設計及優化》課程的結構體系

1.1 原有專業課程體系

《鑄造工藝設計》和《鑄造仿真模擬技術》（鑄造CAE 技術）是鑄造專業的兩門傳統核心課程。鑄造工藝設計是在造型材料、鑄件成型原理等課程基礎上，系統地教授學生開展零件鑄造工藝設計的原則、方法、內容和過程。而鑄造CAE 技術則通過數字化技術開展鑄造工藝的仿真模擬，可以有效縮短鑄造工藝的設計周期，改善優化鑄造工藝方案，已經成為鑄造行業的重要技術發展方向和必備課程[2]。

在原有的課程體系中，學生分別學完這兩門專業課程后，再集中安排實踐教學（實訓周）鞏固加強。如此，便容易產生理論與實際脫節，學生分化嚴重、兩頭畏難、無從下手甚至放棄專業的風險。這種風險，在普遍沒有養成良好學習習慣的高職學生中，表現得更加明顯。

1.2 《鑄造三維設計及優化》課程結構

《鑄造三維設計及優化》課程以鑄造工藝設計為基礎，結合專業繪圖軟件和鑄造仿真模擬軟件的應用，旨在通過“學練做一體化”教學改革，加強學生的理解能力、動手能力和對信息化、數字化技術的應用能力，培養具備解決實際問題和富有創新思維的復合型鑄造專業技術技能人才。課程體系按照知識結構分為三大模塊：鑄造工藝設計基礎，專業繪圖軟件的應用，鑄造工藝的仿真模擬及優化。

1）鑄造工藝設計基礎：按照砂型鑄造工藝的設計原則和一般流程，通過鑄造工藝考核，鑄造工藝方案確定，鑄造工藝參數選擇，砂芯設計，澆注系統設計，補縮系統設計等步驟，完成任務零件的鑄造工藝設計初步方案。

2）專業繪圖軟件的應用：主要包括CAD、UG、SOLIGDWORK、PRO-E 等，我們目前指導學生采用CAD 軟件繪制二維工藝圖和鑄件圖等，采用UG 軟件進行三維建模和工藝設計。在三維環境下開展鑄造工藝設計，可以讓設計變得更加直觀和生動，可以提高學生興趣，降低設計難度。

3）鑄造工藝仿真模擬及優化：與國內很多高校一樣，我們采用華鑄CAE 軟件對完成初步設計的鑄造工藝方案進行澆注和凝固過程模擬，通過數值分析，獲得相關鑄件的溫度場分布情況、流動場分布情況、應力場分布情況以及可能產生缺陷的種類、數量和分布情況，從而確定鑄造工藝方案的合理性，并根據模擬結果來改善和優化鑄造工藝。

2 “學練做一體化”教學模式

“學練做一體化”教學模式是師生雙方和諧交融，邊學邊練邊做，理論和實踐交替進行，直觀和抽象交錯出現，理中有實，實中有理，突出動手能力和專業技能培養，充分激發學習興趣的一種教學模式。在這種教學模式下，學生真正變成了學習的主人，而教師只是一個引導者或者答疑解惑者。以《鑄造三維設計及優化》課程為例，學練做一體化教學過程設計如下。

1）學。《鑄造三維設計及優化》課程采用理實一體化教學，教學場地為“鑄造仿真模擬技術實訓室”，實訓室電腦統一安裝CAD、UG、華鑄CAE 等相關軟件。利用多媒體、教學軟件以及新形態等不同的教學手段，教授學生掌握完成項目任務的相關知識點、方法技能、生產工藝等。重點讓學生理解、學習、實踐、掌握在三維環境下的鑄造工藝設計流程和內容，鑄造仿真模擬軟件的操作和運用，以及通過模擬結果來分析問題和優化工藝的思路和路徑。

2）練。《鑄造三維設計及優化》課程在教學過程中主要采用小組合作練習法，每組4-6 位同學，設組長一名。學生分組遵循“組內異質，組間同質，優勢互補”的原則，每個小組根據老師的講解、示范和要求，共同研討練習，熟悉示范零件的鑄造工藝三維設計流程，以及相關繪圖軟件和仿真模擬軟件的操作運用、結果分析等。

3）做。經過學習和練習，每個小組布置一個與教學難度基本一致的任務零件（難度系數根據分組學生的能力來定）。為提高教學質量，貼近生產實際，教學案例和任務零件均來自鑄造企業。每組學生運用通過學習、練習環節掌握的專業知識和操作技能，獨立完成任務零件的鑄造工藝設計，凝固、充型過程的仿真模擬，并通過分析模擬結果來改善缺陷、優化工藝。教師在“做”的環節要悉心指導、答疑解惑，幫助學生有效鞏固專業知識和操作技能。

完成全部任務后，抽取3-5 名學生上臺展示各自項目的完成情況，發布鑄造工藝設計方案和主要工藝參數，以及模擬結果、工藝優化方案等相關內容。其他同學可以提問，指出不足之處，探討交流工藝方案和改進措施，最后由教師進行總結、點評和指導。

3 教學方法與效果

3.1 教學方法

《鑄造三維設計及優化》是工程性和實踐性較強的課程[3]，在“學練做一體化”教學過程中，應該靈活運用多種教學方法，根據知識結構模塊各有側重，相互協調，有效提高教學質量。通過一般性教學方法向擴展知識型教學方法的轉變，可以開闊學生思路，提高學生發現問題和解決問題的能力[4]。

1）案例分析法

在教學過程中，每個項目案例都來源于鑄造企業的生產實際。教師結合案例開展鑄造工藝設計和仿真模擬演示，學生則采用“模擬學習”的方法，跟隨教師的案例分析和講解，完成與案例相似的工作任務。

2）分組教學法

在學生“練”的環節，采用分組合作學習模式。每個小組成員通過分工合作，共同完成任務項目。在分組練習中，教師應注重對組長能力的全面考量和選擇，同時保持小組成員的動態性，必要時及時調整。分組合作學習除了讓學生更好地掌握知識技能、增強動手能力外，還可以培養學生的團隊意識、合作精神、創新能力和情感交流。

3）項目教學法

在學生“做”的環節，同樣采用生產零件作為項目教學法的載體，師生協調、分組合作，共同完成一個項目任務。在實施過程中，首先由教師明確項目任務和要求，再由分組學生制定相應的實施方案（鑄造工藝設計和優化的具體步驟），然后在教師的指導下實施，完成項目任務。

4）任務驅動法

“學練做一體化”教學模式中，每一個知識模塊和學習單元都有明確的目標任務，采用任務驅動。教師向各組學生下達項目任務，學生按照項目計劃和時間進度完成各項設計任務。任務驅動有利于調動學生的學習積極性和工作主動性，培養學生養成良好的職業素養和積極的人生態度。

3.2 教學效果

采用“學練做一體化”教學的《鑄造三維設計及優化》課程，最明顯的教學效果是充分調動了學生的學習積極性和主動性，學生課堂參與度顯著提升。尤其是理論學得不太好的學生，通過實踐練習激發了自信，反過來又通過技能操作鞏固了專業知識。團隊合作練習營造了良好的學習交流氛圍，進而提高了整個團隊的知識能力水平。

其次，重新設計的課程教學體系結構緊湊，內容豐富，層層深入。整個教學過程理實一體，梯度合理，銜接流暢，在課時縮短的前提下取得了良好的教學效果，并做到了將數字化教學模式與傳統工藝設計的有機結合。

此外，“學練做一體化”教學模式，還注重培養學生依靠團隊力量取長補短，綜合運用知識和技能來分析問題和解決問題的能力，強化學生的溝通交流和團隊協作能力，從而為將來進入職場打下良好基礎。

4 問題及改進

《鑄造三維設計及優化》課程的教學改革，是一個挑戰傳統專業課程體系和教學模式的過程，自然會遇到許多困難。我們不忘初心，探索實踐，在此將遇到的問題加以總結，供同行借鑒。

4.1 師資力量

《鑄造三維設計及優化》課程，涉及的專業知識十分廣泛：鑄造工藝設計、造型材料、鑄造熔煉技術、鑄件缺陷分析、鑄造仿真模擬等，幾乎涵蓋了砂型鑄造專業的所有理論課程，再加上CAD 和UG 等建模、繪圖軟件的運用，對指導教師提出了很高的要求。不僅要有扎實的專業理論功底，也要具備良好的實踐操作和動手能力，更要與時俱進，掌握先進軟件的應用和指導能力。其不僅僅是傳統意義上的雙師型教師，更要具備良好的創新思維和綜合教學能力。因此，從這個意義上說，師資力量是教學改革成功與否的關鍵。

4.2 教材改革

一方面，由于歷史原因，鑄造專業教材少，更新慢；另一方面，“學練做一體化”教學模式對教材提出了理實一體、適應新形態教學的更高要求。教材改革勢在必行。

“學練做一體化”教材要摒棄傳統專業教材的理論模式，根據教學目標和教學結構，采用“項目引導，任務驅動”的方式編寫。把各個知識點由簡入繁融入到項目中，實現“項目遞進”，使其符合學生認知和職業成長規律。同時還要將各個知識點分解到實踐任務中，有計劃、有層次地開展技能訓練，在訓練中讓學生知其然。對于實踐中出現的各種問題，教師再結合專業理論知識加以解釋指導，使學生知其所以然，從而實現理論與實踐的有機結合。

目前，理實一體化教材《鑄造三維設計及優化技術》已經編寫完成。教材重點介紹了鑄造工藝設計的理論基礎，如何在三維環境下開展砂型鑄造的工藝設計，以及如何運用華鑄CAE 等專業軟件開展仿真模擬和鑄造工藝優化，為學生的“學”提供理論指導；教材匯集大量來自鑄造企業生產實際的典型案例進行設計、分析，為學生的“練”和“做”提供參考。

4.3 實訓條件

“學練做一體化”教學對硬件有較高要求，必須滿足每個學生動手實踐和創新學習的需要。原先的“鑄造模擬技術實訓室”存在場地小，軟件模塊更新慢等問題。借著學校快速發展和“雙高”建設的東風，投資1 800 余萬元的鑄造3D 打印中心已經建設完成，其中的智慧教室設施先進，完全符合理實一體化教學和新形態課堂的硬件要求（如圖1）.

接下來的工作，是完善軟件。一方面是鑄造三維設計軟件，軟件要多樣化，可以選擇安裝UG、SOLIGDWORK、PRO-E、AUTOCAD 等，以滿足不同層次學生的學習要求，提高學生的繪圖技巧、建模水平和設計能力。另一方面是鑄造仿真模擬軟件，除了更新升級華鑄CAE 以外，已經申報采購目前國內企業應用較為廣泛的MAGMA、Procast、Anycasting 等專業軟件，以更好地開闊學生視野，提升學生的專業水平和實踐能力，促進產教融合。

圖1 智慧教室