弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

摘 "要：弧焊工藝與設(shè)備是一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對(duì)提高焊接專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)工程能力發(fā)揮重要作用。該文對(duì)弧焊工藝與設(shè)備課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法及工程應(yīng)用三方面，對(duì)如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、拓展學(xué)生思維、激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣、提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：弧焊工藝與設(shè)備;實(shí)驗(yàn)教學(xué);改革；教學(xué)效果；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2096-000X（2025）08-0041-04

Abstract： Arc Welding Process and Equipment is a comprehensive and practical professional course. The quality of the experimental teaching plays an important role in improving the basic engineering ability of students majoring in welding. This paper analyzes the experimental teaching content， experimental method and engineering application of the course， and discusses how to improve the effect of experimental teaching， expand students' thinking， stimulate students' professional interest， and improve their practical ability and innovation ability.

Keywords： Arc Welding Process and Equipment; experimental teaching; reformation; teaching effectiveness; innovation ability

弧焊工藝與設(shè)備作為材料成型及控制工程專業(yè)焊接方向的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）、氬弧焊（TiG）、埋弧焊（SAW）等焊接方法、原理及應(yīng)用，是工程應(yīng)用很強(qiáng)的專業(yè)課程。弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程主要包括細(xì)絲MAG、SAW和TiG焊工藝特性，以及不同焊接材料（如鋁合金、鋼等）的典型特征，為了強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，須通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)焊接方法、原理及應(yīng)用的深入理解。

弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，是實(shí)踐性教學(xué)。掌握熔化極氣體保護(hù)焊、氬弧焊、埋弧焊實(shí)驗(yàn)原理，搞清典型焊機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解常用焊機(jī)的使用功能，并初步具備工程實(shí)踐能力。利用不同的焊機(jī)，在不同控制條件下，引起典型焊接現(xiàn)象和焊接數(shù)據(jù)的變化，通過(guò)觀察和分析，獲得專業(yè)能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅驗(yàn)證典型焊接方法和原理，更著重于培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生正確使用焊機(jī)設(shè)備，最終具備綜合和設(shè)計(jì)焊接方案、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等能力。

一 "弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成型及控制工程系為國(guó)家特色專業(yè)，2021年獲批國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，致力于培養(yǎng)在材料、機(jī)械等行業(yè)的科學(xué)研究與工程應(yīng)用專業(yè)人才。弧焊工藝與設(shè)備是材料成型及控制工程系焊接方向的主要專業(yè)課程，實(shí)驗(yàn)課程作為理論課程的重要組成部分，對(duì)人才的培養(yǎng)起著不可或缺的作用。

弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)課主要是比較氬弧焊、氣體保護(hù)焊以及埋弧焊配對(duì)不同焊接材料的特征。分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)過(guò)程為主線，很多情況下采用實(shí)驗(yàn)室先講解后示范教學(xué)模式。往往針對(duì)焊接工藝的某個(gè)概念（熔池）進(jìn)行簡(jiǎn)單演示，即對(duì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略關(guān)鍵工藝參數(shù)、氣體保護(hù)和應(yīng)用范圍等重要過(guò)程講解。普遍存在著一種現(xiàn)象：學(xué)生起初能聽懂，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程繼續(xù)，往往無(wú)法捕捉典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。另一方面，在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中沒(méi)有貫穿工程應(yīng)用的思想，但卻把重點(diǎn)放在講解焊接工藝的方法和原理上，具體的例子很少。學(xué)生容易產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)基本沒(méi)什么意義的錯(cuò)覺(jué)，達(dá)不到預(yù)期效果。究其原因：主要是理論與當(dāng)前的工程應(yīng)用脫節(jié)，很多學(xué)生無(wú)法通過(guò)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證經(jīng)典的專業(yè)理論產(chǎn)生共鳴。

上述問(wèn)題的原因在于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法沒(méi)能跟上先進(jìn)技術(shù)變革。為改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，有必要對(duì)弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容和模式進(jìn)行改革和探討。針對(duì)當(dāng)前授課方法的不足，國(guó)內(nèi)眾多高校已開展探索專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，有基于項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐進(jìn)行專業(yè)課教學(xué)[1-2]，即教學(xué)內(nèi)容圍繞具體的項(xiàng)目開發(fā)，以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為核心進(jìn)行專業(yè)課程教學(xué)；有面向工程完整案例的專業(yè)課教學(xué)，為企業(yè)深度參與教學(xué)搭建平臺(tái)[3-5]；有在教學(xué)中引入虛擬仿真模擬實(shí)際系統(tǒng)的工作過(guò)程[6-7]，學(xué)生通過(guò)完成模擬工藝過(guò)程完成對(duì)專業(yè)課知識(shí)的學(xué)習(xí)；有的利用雨課程進(jìn)行線上線下混合模式開展焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[8]。

目前，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為弧焊工藝與設(shè)備課程安排了4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為總學(xué)時(shí)（32學(xué)時(shí)）的12.5%。為了滿足國(guó)家一流專業(yè)培養(yǎng)水平的要求，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容必須進(jìn)行改革。面向工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是實(shí)驗(yàn)思想把典型的工程項(xiàng)目展開并貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中了解所學(xué)知識(shí)在工程中的應(yīng)用，這樣就使學(xué)生明白使用所學(xué)知識(shí)“可以解決什么問(wèn)題”和“如何解決這些問(wèn)題”。

二 "弧焊實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一） "豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在原有的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上增加先進(jìn)設(shè)備的使用比例，盡可能重現(xiàn)經(jīng)典理論的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如何鋁合金在氬弧焊中陰極霧化現(xiàn)象）。通過(guò)先進(jìn)設(shè)備重現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象細(xì)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。目前所開的實(shí)驗(yàn)課程可使用附件主要有高速相機(jī)（觀察熔池形貌）、熱成像儀（圖1）及示波器（觀察直流脈沖和交流波形）等，可以讓學(xué)生在焊機(jī)基礎(chǔ)上加以上述輔助設(shè)備，可以更加直觀地觀察熔池、交流和直流電源變化等。圖1為45鋼在不同預(yù)熱溫度下焊接時(shí)母材和熔池邊緣的熱成像圖，直接展示焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)變化。在平常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法直觀觀察母材預(yù)熱溫度，通過(guò)熱成像儀獲取的數(shù)據(jù)，可以展現(xiàn)更多的工藝細(xì)節(jié)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)理論的理解，強(qiáng)化學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)于專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也要規(guī)劃增加新的焊接方法，例如，冷金屬過(guò)渡焊機(jī)，使學(xué)生能夠接觸和了解最新的熔焊技術(shù)。這樣既能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解，又能鍛煉其科研和工程能力，達(dá)到國(guó)家一流專業(yè)要求。

（二） "改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法

利用模擬軟件來(lái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)和幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的工具，有效提高教學(xué)效果。例如在講授直流交流脈沖TiG焊接工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋁合金和不銹鋼板材可能會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，如鋁合金需要用交流電流電壓設(shè)置焊接參數(shù)，而不銹鋼板需要用直流脈沖設(shè)置焊接參數(shù)，但對(duì)氬弧焊規(guī)律的掌握，簡(jiǎn)單一次演示實(shí)驗(yàn)可能無(wú)法達(dá)到理想的教學(xué)效果，因此，可以充分利用模擬軟件來(lái)回顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高教學(xué)效果。

在細(xì)絲MAG、SAW焊接工藝及設(shè)備教學(xué)中可使用的仿真軟件Abaqus展現(xiàn)焊接參數(shù)，提供氣體保護(hù)焊（MAG）熔池溫度場(chǎng)和母材的等效應(yīng)力場(chǎng)等結(jié)果（圖2、圖3）。通過(guò)此仿真工具，對(duì)所做熔焊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，可以得到不同預(yù)熱溫度條件下異種材料連接的熔池溫度場(chǎng)和母材等效應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)據(jù)，最終可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解及分析設(shè)計(jì)能力。通過(guò)將仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，精細(xì)重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，深入解讀關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)原理的理解。

（三） "增開綜合實(shí)驗(yàn)

為了緩解學(xué)校對(duì)提高學(xué)生實(shí)踐能力要求和實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊張之間的矛盾，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在大四第一學(xué)期增加綜合實(shí)驗(yàn)48學(xué)時(shí)。在學(xué)生完成主要的專業(yè)課學(xué)習(xí)后，開展材料成型及控制工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容之一是結(jié)合焊接領(lǐng)域的主流連接技術(shù)以及新材料（如含碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和高強(qiáng)鋼等），進(jìn)行系統(tǒng)的焊接試驗(yàn)。在綜合試驗(yàn)中，堅(jiān)持以學(xué)生為主體。首先，讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)鋁合金和高強(qiáng)鋼焊接方法，選用不同的鋁合金和合金鋼焊絲。其次，通過(guò)超聲波探傷、組織和性能表征綜合評(píng)價(jià)調(diào)整焊接工藝方案。最后，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)流程著重培養(yǎng)學(xué)生掌握鋁合金和鋼板焊接方法。圖4為未開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果餅狀圖，主要是對(duì)氬弧焊、氣體保護(hù)焊及埋弧焊基本原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)樣本來(lái)源于合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)本科生（樣本數(shù)76人），其中弧焊工藝與設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程在2020—2021年第二學(xué)期開設(shè)，綜合實(shí)驗(yàn)在2021—2022年第一學(xué)期開設(shè)。圖5為開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果餅狀圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，2018級(jí)本科生對(duì)焊接方法和原理的掌握程度得到極大改善。

三 "結(jié)束語(yǔ)

隨著材料成型及控制工程國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)的開展，對(duì)弧焊工藝與設(shè)備課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提出更高要求。并對(duì)提高弧焊工藝與設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提出以下看法：首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，引進(jìn)一流的專業(yè)設(shè)備，拓展學(xué)生的視野，著重培養(yǎng)學(xué)生掌握典型焊接方法及原理；其次增加綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比重，建構(gòu)“兩階段”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即課程實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段，將當(dāng)前科學(xué)研究和工程項(xiàng)目中一些焊接方法和工藝引入綜合實(shí)驗(yàn)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)教學(xué)與工程項(xiàng)目緊密結(jié)合、提高學(xué)生專業(yè)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

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