面向材料工程全日制專碩的 “液態成型技術與應用”教學案例庫建設

游國強 趙建華 魏國兵 薛寒松 曹韓學 王開 謝衛東

【摘要】針對重慶大學“材料工程”全日制專業學位研究生培養的需求，結合本校現有課程體系，提出了面向“材料工程”全日制專業學位研究生課堂教學的“液態成型技術與應用”教學案例庫建設方案：甄選具有代表性的25個液態成型相關的工程實例，分別支撐涉及“液態成型技術與應用”的8門核心課程，案例庫涵蓋了液態成型的熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態成型工藝技術和液態成型數值模擬5大工藝環節。

【關鍵詞】材料工程全日制專業學位液態成型教學案例

【基金項目】重慶市專業學位研究生教學案例庫建設項目（項目號：CQALK2018006）。

【中圖分類號】G64? 【文獻標識碼】A???? 【文章編號】2095-3089（2021）11-0184-03

材料是支撐現代文明的三大支柱之一，材料工業是發展先進制造業和高技術產業的物質基礎[1-2]。

材料需要經歷一定的成型加工工藝才能成為最終的零件或制品，才能應用到工程實際中。液態成型作為一種將材料從液態轉變為形狀性能合格固態制品的技術手段，是最基礎、也是最主要的材料成型加工工藝之一。幾乎所有材料在“原料-制品-使用-回收利用”生命周期內都會經歷液態成型過程，尤其是金屬材料。因此，液態成型技術在材料工業中具有重要地位，這也自然導致了其在材料類專業的教學活動中具有重要地位，是必須掌握的知識主題之一。

全日制材料工程專碩（專業學位研究生）就是在上述背景下設置的，其培養目標有別于學術型碩士，主要是為材料工程領域的企事業單位培養應用型、復合型高層次工程技術與工程管理人才。但自材料工程專碩開始招生至今，培養方式還存在一些問題。目前較突出的問題之一是課堂教學中還存在以理論和學術為主的現象，“工程實踐與應用”導向不夠清晰，不能很好地適應應用型人才的培養要求[3-4]。

案例教學方法對于“液態成型”知識主題而言尤為適合，因為液態成型技術涉及的工藝環節多，工程實踐性強，案例教學有利于學生的思維進入工程實踐場景，以實際問題為導向進行學習，促進理論與實踐結合，培養分析解決實際工程問題的能力。但目前國內針對材料工程專業“液態成型”知識主題的教學案例均極為匱乏。在“中國專業學位教學案例中心”的案例庫中沒有一個關于液態成型的教學案例，甚至關于材料工程的也少之又少。這種情況在一定程度上阻礙了我市乃至我國材料工程專業學位教育的進一步發展，成為亟待解決的問題。

在上述背景下，本文在重慶大學近年來“材料工程”全日制專碩培養工作基礎上，結合本校實際，提出了面向“材料工程”全日制專碩課堂教學的“液態成型技術與應用”教學案例庫建設方案，供同行參考。

1.教學目標

以重慶大學材料工程全日制專碩學位點為依托，針對核心課程中涉及“液態成型技術及應用”教學主題的8門課程，甄選具有代表性的液態成型工程實例，建立以學生為中心、工程實踐應用導向清晰的高質量“液態成型技術與應用”教學案例庫;并通過在課堂教學中引入實踐案例，促進理論與實踐緊密結合，引導學生發現問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高工程實踐能力，保證材料工程專業學位研究生復合型、應用型人才培養目標的實現。

2.案例庫建設思路和內容框架

本案例庫以重慶大學材料工程全日制專業碩士學位點為依托，針對現有核心課程中涉及“液態成型技術與應用”教學主題的8門課程，從液態成型的5大主要工藝環節（熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態成型數值模擬、液態成型工藝技術），從工程實際和科研實踐中提取具有代表性的25個工程實例，建立以學生為中心、工程應用導向清晰的高質量“液態成型技術與應用”教學案例庫。

從液態成型的5個工藝環節出發，本案例庫的具體建設思路如下：

熔體制備環節：熔體制備是液態成型的基礎和首要工藝環節。本方案在前期開發的兩項鎂熔體先進制備技術（已實現產業化應用）基礎上，擬提煉2個熔體制備的案例：“鎂合金綠色熔化精煉技術”和“含鋁鎂合熔體氣體變質技術”，主要服務于“輕合金材料及加工技術”課程。

充型過程環節：充型指熔融態材料通過一定的流動通道向型腔中充填的過程，是液態成型重要的工藝環節。本方案擬從前期的科研項目中分別提取3個案例：“底注式澆包合金液流動模式水力學模擬”“壓鑄充型過程實時觀測與分析”和“凝固過程的透明合金模擬”，分別服務于“材料成型專業實驗”“工程材料現代檢測分析技術實驗”和“液態成型數值模擬與優化”三門課程。

凝固過程及其控制環節：凝固指材料由液態變為固態的過程，對成型質量有關鍵性的影響。本方案擬從科研項目和工程實踐中提煉6個案例：“形核劑對鎂合金基體相凝固過程中形核長大的影響”“超聲凝固細晶技術在鑄態鎂合金材料制備中的應用”“Sn元素對AZ80鎂合金凝固過程及第二相析出行為的影響”“鋁合金鑄造熱裂傾向的測量評估”“半固態鋁合金力學特性及凝固行為”和“蠕墨鑄鐵凝固過程熱分析”，內容覆蓋鎂鋁鐵三種工程實踐中常用金屬材料，服務于“凝固原理”“輕合金材料及加工技術”和“材料成型專業實驗”課程。

液態成型數值模擬環節：數值模擬作為近年來工程實踐中逐漸普及的先進手段及工具，在液態成型工藝開發優化中具有重要作用。本方案擬從前期的工程實踐中提煉2個案例：“壓鑄工藝優化設計與數值模擬”和“發動機缸蓋低壓鑄造過程CAE”服務于“液態成型數值模擬與優化”課程。

液態成型工藝技術環節：工藝技術是材料工程全日制專業碩士需要掌握的重點內容。本方案擬從前期相關的科研項目和工程實踐中提煉12個案例，分別為“高真空壓鑄技術”“液-固復合擠壓制備覆鋁鎂合金新方法”“高強鎂合金離心鑄造技術”“電動汽車用鎂合金壓鑄件成型工藝”“鎂合金壓鑄件焊接技術”“鋁合金的定向凝固制備”“Al3Ni增強鋁基復合材料成型技術”“顆粒增強鋁基復合材料零件鑄造成型”“長纖維增強復合材料在線模壓成型”“渦輪葉片增材制造宏觀/微觀成形特征”“厚大件鑄造新方法”和“鑄型的3D打印成型”，內容覆蓋壓鑄、真空壓鑄、離心鑄造、定向凝固、半固態鑄造、液-固復合擠壓、模壓成型、3D打印等工藝技術，服務于“材料加工先進技術”“輕合金材料及加工技術”“復合材料”和“材料成型技術綜述”課程。

3.實用價值

本液態成型技術與應用專業學位教學案例庫建設具有如下三方面實用價值：

（1）促進專業碩士課堂教學實現“實踐與應用”導向

過去，材料工程全日制專業碩士的課堂教學缺乏案例庫支撐，教學上往往沿用學術型碩士以基礎理論為主的方式，實踐和應用導向不清晰，與工程實際的結合不夠緊密，教學效果參差不齊。本項目所建案例庫將大幅度豐富材料工程專業碩士的課堂教學內容，顯著改善過去與工程實際結合不夠的問題，對課堂教學起到實質性支撐作用。

（2）有利于開放和互動式新型教學方式的引入

本文所述建設方案將構建液態成型案例庫并用于課堂教學，在教學實踐中將引入開放式和互動式的教學方式，指導學生提前閱讀，再組織開展討論，形成反復的互動與交流，通過各種信息、知識、經驗、觀點的碰撞來達到啟迪思維的目的，調動學生學習的積極性和主動性，改變傳統的“老師講-學生聽”教學方式，提升教學效果。

（3）有利于培養學生的工程實踐能力

本文擬建的液態成型案例庫均取材于科研項目和工程實踐，具有顯著的先進性和實踐性特點;同時，案例教學法本身就是一種應用型、實踐型、以能力訓練為核心的教學方法，在教學實踐中包括案例本身、案例點評、思考與探討、補充及拓展四個部分，一方面有利于學生接觸到真實的工程實際，另一方面也有利于培養學生分析問題、思考問題和解決問題的實踐能力。

4.特色

本液態成型技術與應用專業學位教學案例庫建設在案例內容、建設模式、案例庫構架等方面具有一定的創新和特色，具體如下：

案例庫內容：液態成型過程涉及材料、工藝、裝備等多方面內容，既需要系統的理論知識支撐，也需要豐富的工程經驗積累，但目前尚未有關于液態成型教學主題案例庫建設及應用的相關報道。本案例庫建設將理論結合實踐，基于液態成型的主要工藝環節，從材料熔體制備與供應、充型與凝固、綠色鑄型及精益鑄造工藝、高性能液態成型材料及產品、智能裝備等多方面系統搭建液態成型技術案例體系，案例內容將甄選行業內具有先進性和創新性的工程實例并加以提煉，其內容將兼具創新性和實用性。

建設模式：本教學案例庫建設除了結合科研項目外，還將充分考慮行業對高層次應用型人才的需求，將聯合本地具有代表性的行業龍頭企業，與企業聯動，邀請其研發部門和生產部門的資深工程技術人員參與案例庫建設，以打造典型、實用、新穎的工程教學案例;同時，還將結合液態成型過程專業特點，采用實驗數據、圖片、動畫等形式，以多媒體課件的形式為主，圖文并茂，生動、客觀、詳實的為學生展示案例內容。

案例庫構架：本項目的液態成型案例庫構架具有三個結合的特點。其一是理論與實際相結合，引導學生運用液態成型基本原理剖析制造過程的實際問題;其二是案例選排與知識要點相結合，案例的選擇完整體現了課程的知識要點和體系結構，既突出案例的問題意識，又能領會學科的學理底蘊;其三是穩定性與開放性相結合，所構建的案例庫融合知識體系與具體案例，具有相對穩定的架構，在使用過程中不斷更新。

5.小結

本文針對重慶大學“材料工程”全日制專業學位研究生培養的需求，結合本校現有課程體系，提出了面向“材料工程”全日制專業學位研究生課堂教學的“液態成型技術與應用”教學案例庫建設方案：

（1）案例庫內容框架：甄選了具有代表性的25個液態成型相關的工程實例，分別支撐涉及“液態成型技術與應用”的8門核心課程。

（2）案例庫涉及到液態成型的5大工藝環節：熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態成型數值模擬和液態成型工藝技術。

（3）本案例庫具有三個方面的實用價值：促進專業碩士課堂教學實現“實踐與應用”導向、有利于開放和互動式新型教學方式的引入、有利于培養學生的工程實踐能力;同時，在案例庫內容、建設模式和案例庫構架等方面具有一定的創新性和特色。

參考文獻：

[1]張寧.常州市新材料產業發展現狀與對策研究[J].科技視界，2019（29）：66-67

[2]江洪，陳亞楊.國外新材料產業園初探[J].新材料產業，2019（6）：24-27

[3]楊宏宇，王儉，辛劉彬等.“雙一流”背景下材料工程領域全日制專業碩士研究生培養研究與探索[J].課程教育研究，2017（48）

[4]王儉辛，喬巖欣，劉川材等.材料工程領域專業碩士研究生培養探索——以江蘇科技大學為例[J].科技視界，2017（4）：130

作者簡介：

游國強，男，博士/副教授，主要從事先進輕合金及其成型技術的教學科研工作。