面向新工科的機械類專業流動性實驗教學改革研究
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作者:汪興興 張福豹 朱昱 陳林飛
摘要：文旨在推進材料成形技術基礎課程實驗改革。針對機械類專業材料成形技術基礎課程教學的特點，綜述了材料成形技術基礎流動性實驗教學改革研究現狀；闡述了地方高等院校的材料成形技術基礎課程實驗教學實際情況。通過建設成形實驗室、構建材料成形技術基礎實驗項目體系、修訂材料成形技術基礎實驗指導書、探索材料成形技術基礎實驗考核機制、改革材料成形技術基礎實驗教學法，進一步保障了實驗教學效果和實驗教學質量。
關鍵詞：材料成形技術實驗教學實踐教學改革考核機制
KeyWords：Materialformingtechnology;Experimentalteaching;Practicalteaching;Reform;Assessmentmechanism
“新工科”建設指明了我國高等工程教育的發展方向，提出了實驗教學的新要求。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特點[1，2]?！安牧铣尚渭夹g基礎”是高等院校機械類專業必修的一門綜合性的技術基礎課，著重培養學生兩種能力：一是具有正確選擇材料成形方法和制定工藝及參數的初步能力；二是具有綜合運用工藝知識分析零件結構工藝性的初步能力，并使學生了解有關新材料、新工藝、新技術及其發展趨勢，為進一步學習其他后續課程奠定必要的基礎[3]。流動性實驗是基于“材料成形技術基礎”課程所開設的課程教學實驗。流動性相關知識是“材料成形技術基礎”課程重要知識點，也是各大高校的必開實驗。該文面向新工科理念，首先概述了現有材料成形技術基礎課程實驗教學研究與改革現狀，其次結合南通大學的實際流動性實驗開展情況，詳細論述了材料成形技術基礎課程流動性實驗教學的改革探索。
1材料成形技術基礎實驗教學現實情況
1.1流動性實驗概述
流動性實驗在各大高校開設內容存在不同，主要有兩種形式：一種是應用高溫鋁硅合金開設合金流動性的傳統實驗項目；另一種是基于石蠟基復合材料開設材料流動性實驗，降低了實驗過程材料熔化溫度。
合金的流動性直接影響液態合金的充型能力，是合金的重要鑄造性能之一[4]。流動性越好的合金，充型能力越強，越能澆出輪廓清晰、薄壁而復雜的鑄件，同時也有利于夾雜物和氣體的上浮與排出和凝固^程的縮補[5]；而流動性差的合金難以充滿型腔，充型能力下降，易產生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣等缺陷[6，7]?；瘜W成分和合金的凝固方式是影響合金流動性的最主要因素。純金屬和具有共晶成分的合金具有較好的流動性。鋁硅合金不僅具有良好的鑄造性能和力學性能，還具有比重輕、比強度高、良好的耐大氣腐蝕性、資源豐富等優點[8，9]。
利用有限的課內實驗學時時間，通過流動性實驗教學，讓同學們了解材料流動性的概念、測試方法以及影響因素，同時對材料成型的基本知識有較全面的認識。
1.2傳統流動性實驗教學
傳統流動性實驗教學往往采用高溫合金為實驗材料，開展高溫熔煉和澆筑流動性試樣，來完成流動性實驗內容。傳統流動性實驗教學通常采用鋁硅合金如ZL102、ZL105作為測試流動性實驗材料[3]。南通大學機械工程學院也是采用鋁硅系合金開展流動性實驗教學工作。流動性測試所用試樣有螺旋形、球形、U形、楔形以及真空式樣等。因為螺旋型試樣具有靈敏度高、對比形象、結構緊湊等優點[10，11]。所以，液態合金的流動性通常采用“螺旋性試樣”的方法來衡量，同時，為了便于測量實驗結果，在螺旋槽中從緩沖槽螺旋線起點開始每隔50mm做一個凸臺標記點。
合金流動性實驗主要步驟如下所述：第一，課前由實驗教師提前準備鋁硅系合金和熔煉好，爐膛合金溫度通常超過800℃，然后保溫以備上課使用；第二，組織學生上課，講解安全注意事項和實驗內容；第三，學生按實驗要求，利用流動性測試模具開展流動性測試用砂箱造型工作，完成流動性測試所需砂箱；第四，采用石墨坩堝將高溫合金溶液從爐膛中轉運出來，采用手持式熱電偶分別測出溫度為780℃和710℃時，分別進行澆鑄，澆鑄時應注意防止噴濺，應盡量保證動壓頭有相同的高度，并保持澆口杯充滿；第五，冷卻至凝固溫度后過一段時間打開砂箱清理，統計和測量螺旋試樣的長度，觀察實驗表面形狀特征，將數據記錄在表中，根據澆出試樣的螺線長度來比較不同合金在不同條件下的流動性能。即：澆出的長度越長則表示該合金的流動性越好，反之越差。在遵循單一變量原則的前提下，進行兩組對比實驗觀察實驗結果分別得出澆注溫度，以及材料對合金流動性的影響。
由于該傳統的實驗教學內容不僅存在材料熔煉溫度高、易燙傷、易爆炸（國內發生過多起鋁合金熔煉生產企業爆炸事故）等危險，同時存在課前材料熔煉耗時長現狀；實驗過程中需要完成翻砂造型工作和實驗后清理型砂工作，又是一項耗時長的工作，所以實驗前期準備以及實驗后續清理工作量都很大，需要花費較長的實驗學時，不能滿足普通本科院校短學時的實驗要求。為了更好地促進流動性實驗教學，開展流動性實驗的教學改革勢在必行。
1.3新型流動性實驗教學
近幾年來許多學校也為改進這一實驗做出了許多努力。首先，從材料方面：比如在鋁合金材料中添加混合稀土，稀土能明顯細化初晶相，且能使共晶硅改變形態，使改良合金宏觀粗糙面變得光滑，從而提高合金的流動性便于實驗教學[12]。其次，從模具方面：以現有橡膠模具為基礎開發石膏模具來進行流動性實驗，實施了實驗教學改革，同時促進了石膏型精密鑄造技術的發展[13]。
其中以某大學機械學院為代表，研發了液態成型綜合實驗設備（見圖1），采用低熔點的石蠟基復合材料替代高熔點合金材料，將澆注溫度降低至100℃以下，開展流動性實驗教學工作，大大降低了實驗過程中高溫燙傷危險，革除了高溫合金爆炸的危險源。它的工作原理是：利用空氣壓縮機或材料自身重力將液態蠟料注入模具中冷卻形成固態蠟料，從而觀察其流動長度及形貌。相比于傳統的實驗材料鋁合金來說，石蠟作為一種由不同分子量的正鏈飽和烷烴的混合物具有價格低廉、來源廣泛、無色無味、理化性能穩定、較大的相變潛熱能等諸多優點。這一新型實驗方法不但能很好地解決危險問題而且使學生完整正確的模擬了鑄造的全過程并對鑄造技術工藝知識有了一個完整的概念。因此越來越多的高校都開始采用這一新型的實驗教學方法如華中科技大學、安徽工程大學、青島大學、蘭州理工大學等。
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2本校材料成形實驗教學現狀
2.1多層次化教學需求
南通大學機械類專業包括機械設計制造及其自動化、機械工程、機械電子工程、智能制造工程這4個機械類專業。近年來主要依托南通大學機械工程學院招生一本層次學生，其中機械工程專業依托南通大學杏林學院招生二本層次學生，存在逐年動態調整招生專業和層次的現實，智能制造工程屬于近年新建專業。材料成形技術基礎作為一門專業技術基礎課，是面向多個機械類專業不同層次學生同時開設的課程，現行招生計劃對材料成形技術基礎課程實驗提出了具體要求，即同時面向多專業和適應多層次化教學需求。
2.2課時少與教材內容多的矛盾
目前主要選用何紅媛和周一丹主編的《材料成形技術基礎》作為授課教材[3]；教材內容包括鑄造、鍛壓、焊接、粉末冶金、非金屬材料及其成形技術、材料成形方法等6章，內容豐富；而材料成形技術基礎課程理論教學時間僅為28學時，存在著教材內容多與課時少的矛盾。由于規定學時有限，專任教師無法詳細講授《材料成形技術基礎》全部內容細節，往往是詳細講述鑄造、鍛壓、焊接等前三章內容，重點闡述第六章材料成形方法的選擇，培養學生學習基本材料成形技術知識，重點掌握材料成形方法的選擇；理論環節授課學時短同樣會帶來實驗教學環節學時少的實際情況，而傳統的材料成形系列實驗項目均存在耗時長的問題，由于課程學時又不允許，在有限的4學時內，僅安排了流動性、焊接接頭組織觀察和模具拆裝三個具體實驗。
2.3實驗教學時段高度集中
根據本科生教學計劃安排，材料成形技術基礎課程通常安排在第四學期第1周至第13周，每周授課一次（3個學時），通常理論授課時間有嚴格秩序。材料成形技術基礎課內教學實驗通常需要安排在相關理論知識講授之后，通常要第8周之后開始安排，結束又要盡量與課程同步，造成材料成形技術基礎實驗時間相對集中。此外，南通大學通常每年招生機械類專業教學班級數量為10個左右，理論知識由多人同時承擔授課任務，分班授課，工作相對分散；但僅安排一位實驗教師，要求在3～5周內完成30個批次40學時的材料成形技術基礎的實驗教學工作，同時第一個實驗項目“流動性實驗”需要投入大量的課前準備時間，實驗指導任務高度集中，工作強度較大。
2.4流動性實驗教學設備及器材老舊
實驗教學改革前，材料成形技術基礎實驗室硬件條件一般，實驗室使用面積約100m2，但僅有1套中頻感應電爐作為熔煉鋁合金材料的共用設備，配置了一定數量的合計流動性測量模具，開展傳統鋁硅合金流動性實驗項目教學工作.該傳統流動性實驗項目存在課前準備時間長、翻砂造型勞動強度大、熔煉合金溫度高、澆鑄操作風險大等缺點。此外，該套中頻感應電爐設備使用時間已經超過15年，接近報廢狀態。
3材料成形技術基礎課程實驗改革研究
實驗教學相對于理論教學具有直觀性、實踐性、綜合性、設計性與創新性等特點，有利于培養學生創新能力和實際應用能力。該文通過以下5個方面改革，推進了實驗教學改革工作[14]，同時取得了一定的效果。
3.1建設材料成形實驗室
近幾年，經過上級組織資助建設，南通大學“材料成形技術基礎實驗室”實現了主體設備的更新與換代。改革中期，參照其他高校經驗，陸續引進了4套HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備用于流動性實驗教學，該設備大大減輕了實驗勞動強度，同時降低了實驗安全風險，但在使用過程中發現該實驗設備仍然存在一些設計不合理之處，如實驗臺高度設計不太合理、采用明火電爐加熱蠟料存在火災隱患、澆注流道清蠟困難、注射成形氣缸易銹蝕和卡頓等。改革后期，筆者團隊自主開發了基于低熔點材料的流動性實驗設備[15]（見圖2），解決了上述問題，實現了高效開展流動性實驗。
3.2修材料成形實驗指導書
本科生人次培養方案限制了材料成形技術基礎課程的理論學時和實驗學時。而材料成形技術基礎課程教學大綱決定了材料成形技術基礎的授課內容和實驗內容安排。通過材料成形技術基礎實驗室建設，實驗教學設備得到了更新換代，同時實驗設備及其操作方法等也發生了巨大變化。原有的材料成形技術基礎實驗指導書無法匹配全新的HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備等實驗設備，因此，根據新引進HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備和研發基于低熔點材料的流動性實驗設備的特性及教學大綱要求，綜合考慮了教學實際需求，重新編寫材料成形技術基礎課程的實驗指導書，主要內容仍由流動性、焊接接頭組織觀察、模具拆裝這3個實驗組成。結合新添置的流動性實驗設備，重點更新了流動性實驗內容，增加了前言“實驗操作基本注意事項”，以及附錄“實驗設備及操作方法簡介”，解決目前材料成形技術基礎課程實驗指導書不合時宜的問題，進一步適應了本科教學需要。
3.3構建材料成形實驗項目體系
根據材料成形流動性實驗教學經驗及HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備等特性，更新了材料成形流動性實驗項目內容。首先基于采購添置的HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備開發了實驗教學項目內容更新，采用低熔點的石蠟基復合材料替代鋁硅合金，模擬開展合金二元相圖知識實驗教學；隨后又在此基礎上，研究和開發了基于低熔點材料的流動性實驗設備，進一步豐富了實驗教學內容，拓展了學生開展綜合實驗的條件，可開展不同配方和不同澆注溫度條件的影響材料流動性分析實驗。通過流動性實驗的改革和實踐，最終達到了培養學生掌握鑄造材料流動性知識及測量方法的目標，從而培養學生具有正確選擇材料鑄造成形方法和制定鑄造工藝及參數的初步能力。
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3.4探索材料成形實驗考核機制
積極探索了材料成形技術基礎實驗考核機制改革工作，摒棄了以往“粗線條”式材料成形實驗考核方法。從實驗全流程全過程角度出發，應用了“分類細化”式的材料成形實驗考核方法，進一步減小了不公平不公正現象。通過該次材料成形技術基礎實教學改革，形成了材料成形技術基礎實驗全過程系統評價體系，綜合上課考勤評價、隨堂操作過程評價、實驗報告系統評價三方面內容，同時強化實驗報告中的思考題設置和綜合評價，具體構成比例見圖3。
3.5改革材料成形實驗教學法
首先，立足工程教育實踐，巧用“材料成形技術基礎”領域工程項目開發實例，采用啟發式、探究式教學方法指導實驗教學，把材料成形技術基礎實驗項目的“主動權”交給學生；其次，倡導學生主動參與、熱愛思考、勤于動手、勇于創新、樂于探索，進一步培養學生發現、分析和解決問題的能力。注重科研反哺教學，依托材料成形實驗室，結合流動性實驗改革迫切需求，促使學生深刻體會傳統流動性實驗的優缺點，激發學生參與流動性實驗設備改良的工作，指導大學生完成創新創業訓練項目4項，其中國家級1項，省級1項；指導大學生參加學科競賽獲獎7項，其中省級獎3項。達到了以項目帶動教學，以競賽促進教學的效果，同時又培養了學生創新意識和能力。
3.6流動性實驗教學改革效果
通過近年來持續建設材料成形實驗室，先后添置了HJD-CK2型液態成型綜合實驗設備和面向新型低熔點材料的流動性實驗教學設備，徹底更新了材料成形實驗室系列實驗設備，從而建立了良好的材料成形技術基礎實驗教學平臺。通過修訂材料成形技術基礎實驗指導書，吸納新設備知識，緊跟設備更新換代的步伐，并主動研發面向新型低熔點材料的流動性實驗教學設備，為材料成形技術基礎實驗教學提供了切實可行的指導素材。通過實驗項目體系的改革探索，優化了材料成形技術基礎流動性實驗內容，減輕了實驗過程勞動強度，為學生在規定的課時內完成實驗項目提高了必要的條件，為滿足材料成形技術基礎實驗教學質量要求提供了可靠的保障。
4結論與展望
4.1結論
綜述了材料成形技術基礎課程實驗教學改革研究進展，分析了地方本科高等學校的材料成形技術基礎課程實驗教學現狀。通過建設成形實驗室、構建材料成形技術基礎實驗項目體系、修訂材料成形技術基礎實驗指導書等5個方面的探索和改革，獲得了有益的實驗改革效果，進一步激發了學生的實驗積極性，進一步保障了實驗教學質量，滿足了現階段材料成形技術基礎課程實驗教學要求。
4.2展望
新材料領域技術發展日新月異，材料成形技術隨之也是飛速發展，同時為接軌國際工程教育，響應智能制造新專業建設。材料成形技術基礎課程改革要綜合考慮機械類本科生人才培養方案，圍繞工程教育專業認證和智能制造新專業建設要求，結合理論授課知識，積極推進跟進式和持續實驗教學改革和探索，不斷加強機械類專業實驗室的投入和建設，構建與時俱進的本科教學體系，確保培養高質量人才，同時促進教師進一步發展。
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