“金屬體積成形工藝及模具”課程實驗教學改革與實踐

楊 柳 顧勇飛

1.燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 河北秦皇島 066004；2.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066004

我國在5G網(wǎng)絡通信、北斗衛(wèi)星導航、量子信息、散裂中子源等高科技領域已走在世界前列。然而，受國內外環(huán)境多重擠壓影響，我國傳統(tǒng)制造業(yè)面臨的問題愈加凸顯，轉型升級刻不容緩[3-5]。在全面推進實施制造強國和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的背景下，作為培養(yǎng)高級專門人才的高等學校為國家輸送具有實踐能力和創(chuàng)新精神的復合型應用人才責無旁貸[6-7]。在這一使命前提下，對傳統(tǒng)教學模式進行改革與創(chuàng)新，深刻踐行理論與實驗教學相結合，將計算機、信息、自控等多維技術融入實驗教學中，可以使實驗教學更加立體，學生的參與度和獲得感將會得到整體提高。

“金屬體積成形工藝及模具”課程是材料成型及控制工程專業(yè)的基礎課，其課程體系中實驗教學環(huán)節(jié)的重要性不言而喻。金屬體積成形主要包括鍛造、擠壓、軋制和拉拔四種工藝，其特點是毛坯經(jīng)特定工藝熱加工后，達到控形控性的目的。本文主要針對鍛造成形工藝進行了相關的研究與探討，結合本門課程總體教學目標要求，以期通過開設4學時的實驗訓練，使學生達到加深對鍛造工藝基礎知識理解、依據(jù)鍛造基本原理設計并實施實驗、采集數(shù)據(jù)并進行分析、熟悉實驗測試設備、了解實驗室管理規(guī)定的目的。為順應時代發(fā)展趨勢，同時讓學生對實驗能夠更加全面掌握，通過透析傳統(tǒng)實驗教學存在的問題，提出增加課程思政、實行小班化分組、數(shù)值模擬輔助以及改革考評等方式對教學內容進行優(yōu)化，最大限度補齊短板，開發(fā)以研究為主的實驗教學體系，最大程度提高學生實踐與創(chuàng)新能力。

1 傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題

與其他金屬體積成形工藝相比，鍛造成形工藝往往更為復雜，實驗過程中的不確定性更高。在傳統(tǒng)鍛造成形的實驗教學過程中因實驗設備、教學時間等因素的限制，學生中普遍存在著思想懈怠、組織無序、望而不前、講而不做等消極現(xiàn)象，對學生創(chuàng)新和實踐能力的鍛煉產(chǎn)生了較大的負面影響，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1.1 思想懈怠，重視程度不夠

專業(yè)課通常是在第五學期開設，與之相對應的課程實驗往往在該學期的中后段進行，此時學生的課業(yè)負擔較重，同時面臨著就業(yè)、考研、考公務員等多重壓力的影響，雖然實驗課的出勤率得以保證，但課上的同學們往往各行其是，實驗室已然轉換成了自習室的功能。另外，實驗課的考核相對輕松，在整門課程中的占比較低，基本不存在掛科的風險，自然而然得不到足夠的重視。

1.2 實驗煩瑣，普遍參與度低

合格鍛件的生產(chǎn)要素包括壓力設備選擇、加熱溫控系統(tǒng)準備、配套成形模具設計、成形工藝方案制定等。煩瑣的實驗準備、縝密的模具設計、成熟的工藝方案各環(huán)節(jié)貫穿始終，交錯冗雜。無論從硬件系統(tǒng)搭建，還是熟練使用操作，在有限的課程時間內，經(jīng)常存在著“教師演示多，學生操作少”的情況。以上諸多因素的限制很難保證實驗的完整訓練，致使學生普遍參與度低，對實驗內容得不到充分的理解。

1.3 經(jīng)驗不足，實驗操作危險

鍛造成形實驗所涉及的硬件設施多為諸如大噸位壓力機、大尺寸模具等大型儀器設備，存在著裝配、拆卸和調整困難等不利因素，加之熱鍛過程的高溫環(huán)境及工藝窗口短等因素疊加，進一步加劇了實驗操作的危險性。對于經(jīng)驗不足的學生而言，尤其是女生更是望而卻步，實驗中突發(fā)的危險難以預測，學生對可能出現(xiàn)的問題難以應對。

1.4 獨立分散，時間跨度較長

實驗項目的安排應與理論課程的教學相互聯(lián)系，無論在教學順序還是認知程度上都不能獨立分散。實驗課程通常安排在非教學時間，增加了協(xié)調組織排課的難度，實驗教師的積極性隨之降低，學生的休息時間難以得到保障。另外，較短的學時不能確保實驗過程的連貫性，較長的時間跨度使得學生容易遺忘前期學習內容，理論指導實踐的最佳時機錯失，與最終學習目標相差甚遠。同時，現(xiàn)有的考核方式?jīng)]有明確的標準，也使得學生不注重過程，只把“寫好”實驗報告一以貫之。

上述多種因素的疊加，在不同程度上給實驗課程的有效開展帶來了一定的不利影響。目前，大多課程的實驗教學環(huán)節(jié)仍以指導老師的講解、演示為主，學生全流程參與程度普遍較低，對于實踐出真知的理解只停留在紙面，學生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)更是無從談起。

2 優(yōu)化教學內容，改進教學方式

隨著科技的進步，教學內容的不斷深入，傳統(tǒng)實驗教學的弊端也逐漸顯露，為更好地適應大力提倡創(chuàng)新的時代背景，需要補足傳統(tǒng)實驗教學中的短板，將新興數(shù)字科技與實驗教學相結合，從而使學生在實驗課堂中有更高地參與度，對實驗整體有更加深入理解，做到高效自主學習。鑒于此，在實驗教學中，應當充分挖掘學生興趣所在，結合實驗課程固有特點，遵循高等教育規(guī)律，改進傳統(tǒng)教學的方式方法，充分發(fā)揮學習的主觀能動性。針對現(xiàn)有不足，具體的優(yōu)化實驗教學內容和改進教學方式主要分為以下幾個方面：

2.1 課程思政，引領正確價值觀

“師者，傳道授業(yè)解惑也”，高等學校教師在教學過程中通過有力的思想政治教育能指引大學生不斷更新知識、轉變觀念、改正行為。通過提煉和豐富專業(yè)課實驗環(huán)節(jié)中蘊含的價值理念，結合課程培養(yǎng)目標，設置具體的項目實施方案，介紹近年來我國在飛機、汽車、能源等領域鍛件制造技術上取得的非凡成就，講述專業(yè)歷史沿革、校友創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的典型案例，能充分激發(fā)學生的家國情懷和拼搏進取精神，提升對專業(yè)的認同感和歸屬感。

2.2 小組化研討，提高普遍參與度

在擴招的基礎上，受限于專業(yè)特點，實驗用設備多為單臺套，實驗室的物理空間有限，考慮到安全性，教學過程中存在學生參與度低的情況。針對這種情況，將學生進行分組，實行小組化研討的方式，每組為3～5人，教學與實驗現(xiàn)場如圖1所示。讓學生能夠依據(jù)自身特點，自行結對，自行分工，協(xié)同完成。在確保安全的前提下，教師扮演“旁觀者”“點評者”的角色，提高學生參與度，加深對實驗的理解。

圖1 教學與實驗現(xiàn)場

2.3 引入數(shù)值模擬，與實驗有機結合

計算機、信息等技術的飛快發(fā)展，給復雜工程問題的有限元數(shù)值模擬分析提供了更加便捷、高效的現(xiàn)代技術解決方案。將數(shù)值模擬技術貫穿到實驗教學中，與理論、實驗有機結合將起到“1+1+1>3”的效果。本課程實驗項目之一是研究“飛邊尺寸對金屬充滿型槽及變形力的影響”，選用軟件DEFORM-3D對實驗過程進行有限元建模、處理和分析，涉及的零件模型與實驗試件如圖2所示。在有限元理論和體積成形理論的基礎上，利用先進成形模擬軟件對鍛件的熱鍛過程進行相關物理場的分析計算，對實驗實操過程能起到先驗認知，做到二者優(yōu)勢互補，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

2.4 改革考核方式，多措并舉

傳統(tǒng)實驗教學的考核方式往往以實驗報告為主，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)單一、抄襲等現(xiàn)象，對實驗的重視程度自然不高。為避免學生“輕過程、抄結果”敷衍了事，除上交實驗報告之外，增加考核環(huán)節(jié)，對課程出勤、實驗操作、小組分工、結果分析和擴展討論等多環(huán)節(jié)進行跟蹤監(jiān)控，按照一定比例折算評定最終成績。同時，鼓勵發(fā)問、發(fā)散、發(fā)揮，并予以相應的獎勵，如延長實驗室開放時間、優(yōu)先使用實驗儀器、幫助職業(yè)規(guī)劃等。

通過課程思政、小組化研討、引入數(shù)值模擬和改革考核等方式可以讓每個學生都參與到實驗中，避免因為設備不足、人數(shù)過多、實驗周期長而導致學生參與度低、對實驗興致不高等問題，有利于激發(fā)實踐和創(chuàng)新能力。

結語

加快實現(xiàn)我國由工業(yè)大國向工業(yè)強國的轉變，如期完成“中國制造2025”的發(fā)展任務，工科類高校更應起到支撐作用，培養(yǎng)出符合新時代發(fā)展要求的復合型應用人才。對傳統(tǒng)實驗教學進行改革，融合課程思政、專業(yè)理論和數(shù)字信息等多維手段，使學生加深了對鍛造工藝基礎知識的理解，能夠依據(jù)鍛造基本原理獨立設計并實施實驗。基于上述的改革和實踐舉措，打破了“講—聽—仿”的固化模式，重構了“認知—實踐—應用”的過程，營造了“肯學—好學—樂學”的氛圍，學生的家國情懷和求真務實的科學精神得到進一步提升，有效夯實了高校成為原始創(chuàng)新高地的基礎。