工程認證背景下焊接實訓可視化的教學改革探索

戴鴻濱 姜巍 郭立偉 劉立君 趙密

摘? 要：將焊接專用攝像機和手工焊接可追溯評價系統相結合，應用到材料成型專業焊接實訓教學中。以TIG電弧焊實驗教學為例，在專用可視化焊接平臺上進行TIG焊接方法實驗教學，探討了基于可視化可追溯的TIG焊實訓課程教學改革。利用焊接可視化平臺的實時性和再現性，學生通過教學過程中的教師評價、自我評價、同學互評過程，提高學生對抽象電弧焊接過程的理解和掌握，加深對焊接過程的理解，提高學生對焊接實驗的興趣和實際動手能力。

關鍵詞：焊接實訓;可視化教學;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）03-0141-04

Abstract： This paper combines the special welding camera and the manual welding traceable evaluation system， and applies it to the welding training teaching of the material forming major. Taking TIG arc welding experimental teaching as an example， the TIG welding method experimental teaching was carried out on a special visual welding platform， and the teaching reform of TIG Welding Training courses based on visualization and traceability was discussed. By using the real-time and reproducibility of welding visualization platform， students can improve their understanding and mastery of abstract arc welding process， deepen their understanding of welding process， and improve their interest in welding experiments and the cultivation of practical ability through the process of teacher evaluation， self-evaluation and peer evaluation in the teaching process.

Keywords： welding training; visual teaching; teaching reform

焊接實訓是材料成型及控制工程專業的重要課程。焊接技術在制造業中（汽車、造船、航空航天、核電廠和結構鋼行業）占有重要地位。隨著經濟的快速發展，我國已躋身世界最大加工制造業大國，制造業市場對高技能人才的需求越來越大，對焊接技術人才培養要求也越來越高[1-4]。

在工程認證這種背景下，焊接技術人員的培養應走向專業基礎教育與工程培訓相結合的道路，強化實踐教學體系，提高學生工程實踐應用能力。焊接是一門綜合性、實踐性較強的學科，目前我國高校由于實際教學學時的限制，通過增加過多實踐教學學時是不現實的，只有通過優化實踐教學體系，合理設置評價體系，改善實踐教學手段和教學方法，使學生能在有限的實踐教學時間內更好地掌握焊接專業知識和動手能力，才是提高焊接教學質量，培養全面的焊接人才最便捷的方法[5-7]。

焊接過程本身是一種用正常攝像方法難于觀察記錄的超強明弧物理過程，在理論教學過程中學生對理論知識的理解，很難和實際的焊接過程進行融會貫通。由于焊接質量的好壞是由實際焊接過程中焊槍的姿態、運槍的形式、電弧的長短、電弧的形態、熔池的形貌、焊絲的送進過程等一系列因素所決定的，而這一過程又是實時變化的，整個焊接過程是難于再現的，學生只能根據自己當時的操作記憶去和教師的講解進行對比，對于沒有實際工程經驗的學生來說，這一過程還是一種相對抽象的講解，對于學生在有限的實驗教學時間內全部掌握和理解是非常困難的，在很多教學培訓中采用虛擬實驗的方法來補充焊接實際操作[8-11]。

為解決焊接實訓中的這些教學問題，作者在焊接實訓過程中將焊接專用攝像機和手工焊接可追溯評價系統相結合，對學生的實踐掌握情況進行定量地評定和分析。利用現代數字化手段，增加學生的感性認識。使學生掌握理論知識和實際操作的效率和質量大大提高，能夠更快地學習和掌握焊接操作技巧和要領，并進行融會貫通。

一、焊接可視化實驗教學平臺

焊接可視化實驗教學平臺由基本焊接操作平臺、焊接熔池監視相機、計算機大屏幕顯示、可追溯自動記錄評價軟件系統四部分組成。焊接教學過程中熔池監控相機可以觀察學生、教師的操作過程，隨著操作者焊槍的移動，相機全程監控焊接全過程。這樣焊工學員就可以直接觀察教師和自己的操作過程中的焊絲位置、熔池熔化狀態、姿態等，記錄并顯示學生完成的焊縫。同時平臺系統可以讓學生離線訪問視頻，學生可以清楚地查看他們進行焊接的效果，并可以接收有關如何改進或從錯誤中學習的指導。該實驗平臺在哈爾濱理工大學材料成型及控制工程專業的學生TIG焊接實訓過程中已得到應用。

通過焊接過程高動態范圍圖像，學生和教師可以清晰查看電弧、鎢極、熔池及接縫處較暗的周圍特征。在教師講授過程中，學生不必總是擠在教師周圍，而是可以通過大屏幕清楚地看到焊接過程的所有特征，提供更好的焊接指導體驗，而無需講師重新啟動或重復焊接過程，如果學生錯過了部分教學內容可回看錄像。通過在遠程屏幕上顯示捕獲的焊接視頻，可以極大地改善學生的學習體驗，提高學習成功率，焊接教師不僅實現了提高學習成功率的目標，也不必擔心教室空間和學生接近焊接演示臺。

二、可追溯焊接評價系統

焊接評價系統在SharePoint Designer軟件平臺下進行設計，根據焊接實訓過程中的教師示范錄像，學生操作錄像，利用成像軟件Weld Studio軟件對焊接特征值進行提取處理。通過教師講授模塊、學生操作模塊、教師評定模塊、學生自評模塊、學生互評模塊、標準焊接與學生焊接對比模塊、綜合評價模塊、實驗報告模塊來完成整個電弧焊接實訓評價和追溯，將整個焊接操作過程和評價全程記錄，以滿足工程認證過程中的實訓過程評價。圖1為哈爾濱理工大學材料成型及控制工程專業焊接實訓網頁界面截圖。

教師和學生可以通過焊接現場大屏幕，通過評價系統鏈接進行即時在線評價，也可以離線觀看同學的焊接操作錄像，同時也可以點擊老師標準的焊接操作錄像鏈接，觀看教師的標準焊接操作。學生根據標準的焊接操作錄像對比自己的操作錄像進行自我評價，同時可以看到教師評價、同學互評、系統自動評價的內容。學生可以根據自己的焊接操作錄像進行自我評價，老師也可根據學生的焊接操作進行評價并給出分數。系統會生成電子版實驗報告，在需要紙質版報告時可以直接將其打印出來，同時生成影像評價記錄版實驗報告，來完成焊接實訓的記錄和可追溯數據。

在傳統實訓中通常采用教師操作、學生拿著焊帽圍觀、學員自行操作幾個環節的講授方式。焊接時，學生是無法仔細觀察到教師的每個操作細節以及對應的焊接效果的，只能靠學生自己在實際操作時認真體會和摸索。學生多半都是跟著老師的節拍，模仿老師的樣子進行車間焊接。其結果往往是模仿性的，實際教學畢竟無法展示其實際的理論根據，實際操作步驟得不到貫穿，容易將步驟混淆，無法精益求精。最終可能會導致培訓時間增加，材料使用量增加，導致教學效果有一定的折扣。

通過焊接實訓全過程可視化焊接評價系統的記錄，學生在整個焊接實訓過程中全員參與進來。由于可視化的優點，將焊接抽象的電弧理論和實際操作有機結合起來，使學生更加感性地認識焊接電弧，了解焊接電弧特點掌握焊接電弧操作要領。通過自評和同學互評環節，將實驗課堂進行有效翻轉，彌補在傳統的電弧焊方面操作實訓中的不足和缺點。學生作為實驗的主導者和計劃者，教師只起到指導者的作用，將所學的知識和具體的實踐結合起來，發揮主觀能動性，完成實驗的全過程，提升教學的質量和效果。圖2為評價記錄版實驗報告截圖。

三、手工TIG焊接實訓項目設計

項目針對2.5 mm鋁板進行手工TIG焊接實訓，確定鎢極直徑、電流種類及大小、保護氣流量、脈沖頻率、基值峰值電流、制定平板表面堆焊工藝。

（一）實訓實驗講授階段

教師講授回顧TIG基礎理論知識和實驗安全注意事項，讓學生熟悉焊接設備和焊接參數設置。針對手工TIG焊接工藝要點，進行起弧、行弧、收弧、焊縫外觀各工藝點的實際焊接示范，通過實時大屏幕視頻對抽象概念進行逐項量化講解，此階段通過視頻中操作講解提升學生對工藝要點的感性認識，加深對焊接操作的認識和了解，體現出可視化教學比傳統教學方法的優勢，過程如下：

1. 起弧操作規范：鎢極距離工件2～3 mm，鎢極中心線與母材表面夾角20°～30°為最佳角度。角度調整好后按下啟動按鈕，就會在焊槍電極尖端產生電弧，不能讓電極工件表面接觸起弧。然后提起焊槍調整電弧長度和焊槍角度。如圖3所示。

工藝點：角度不能過大或過小，不能接觸起弧，提起焊槍后弧長保持在6～10 mm。調整后焊槍角度60°～80°。調整時間2～3 s。圖3為起弧操作規范視頻截圖。

2. 行弧操作規范：在進行直焊道的焊接時，通常采用左焊法，保證焊接電弧和氣流的穩定。焊接全程鎢極尖端距離工件表面6～10 mm，焊槍與工件表面成70°～85°。保持焊槍勻速行弧，速度為10 cm/min。圖4為行弧操作規范視頻截圖。

工藝點：鎢極尖端距工件表面距離嚴格把控，焊槍不得上下大幅度跳躍。焊槍與工件表面夾角不能偏大或偏小。行弧過程要求速度均勻平穩，不得跳躍式行進。行弧過程中要求平穩，焊槍不得大幅度抖動。

3. 收弧操作規范：在焊接終止時，焊槍移動速度稍加快。直到焊接終止點。

工藝點：收弧講究干凈利落，在焊接終止點及時關閉焊槍收弧，長時間停留會導致母材燒穿，停留時間：1～2 s。圖5為收弧操作規范視頻截圖。

4. 焊縫外觀：焊縫應該平整，無未融合，未焊透、燒穿等。

工藝點：焊縫宏觀缺陷。

（二）學生實際焊接訓練教師講評、學生自評、學生互評階段

學生根據對實驗講授階段的理解，動手實際焊接，通過對自己的焊接視頻進行教師講評、學生自評、學生互評進行課堂翻轉，由學生身份轉為講解評價身份，加深對焊接工藝要點的理解，通過講評提高焊接技能掌握效率和質量。學生依照評價指標表可以系統、全面、精確到每一個工藝點對操作人員做出評價。評價指標表見表1。

（三）針對性練習考核階段

學生通過可追溯視頻和互動評價，針對薄弱環節進行練習。對比標準焊接操作完成訓練，進行最終考核并生成實驗報告。通過焊接可視化實驗教學平臺進行的實訓，使得焊工對于焊接質量有了更加直觀地理解，而這是目前虛擬焊工培訓器無法提供的。因為，熔池狀態隨著姿態等參數的變化也是在動態變化的，普通軟件無法模擬到熔池那么精細的變化。焊接可視化實驗教學平臺能夠起到事半功倍的效果，同時系統的錄像功能還能夠對焊工的操作過程進行實時記錄和追溯。

四、結束語

將焊接可視化教學手段引入到焊接實訓課程中，其意義重大，使學生掌握理論知識和實際操作的效率和質量大大提高，增加學生的感性認識，將所學的知識和具體的實踐結合起來，發揮主觀能動性，完成實驗的全過程。相對減少教師抽象講解時間，提高學生的理解程度，增加學生動手操作的時間，減少材料的使用量，培養工程畢業生“復雜問題解決”能力，實現專業知識、專業技能和經驗基礎的有機結與和綜合運用。

參考文獻：

[1]張友權，周云芳.從世界技能大賽看國內外焊接技能競賽與培訓的差異及發展趨勢[C]//工程焊：2011年第3期（總第15期），2011：21-25+29.

[2]尹立孟，周進，王剛，等.談材料成型及控制工程專業焊接實踐教學[J].重慶科技學院學報，2010（12）：170-171.

[3]常維亞，邢鵬，趙莉.探索建立研究型大學本科實踐教學模式[J].中國高等教育，2014（9）：26-27.

[4]薛勇.焊接實習教學與工廠實際生產有機結合[J].智庫時代，2017（13）：129.

[5]李嘉寧，劉鵬，袁興棟.應用創新型焊接專業教學改革與實踐[J].電焊機，2016，46（8）：119-121.

[6]徐義庫，王紅波，陳永楠，等.材料成型及控制工程專業實驗教學工作的改革與探索[J].教育教學論壇，2017（4）：271-272.

[7]楊林豐.焊接實踐教學模式探討[J].焊接技術，2010，39（1）：71-72.

[8]申文竹，王斌，易鋒，等.材料成型數字化虛擬實驗教學探索[J].實驗科學與技術，2017，15（6）：155-158.

[9]郭吉剛.焊接專業整體化教學中的問題和解決措施[J].焊接技術，2007，36（3）：79-80.

[10]宋聯美.焊接專業人才培養模式改革的研究與實踐[J].機械，2011（12）：32-35.

[11]甄舒，劉偉紅.虛擬現實焊接培訓模擬系統在焊工培訓中的應用[J].焊接，2015（1）：64-67.