《材料成型計算機應(yīng)用》課程教學(xué)方法研究與實踐

康 麗，王 芳，王榮峰

（太原科技大學(xué) 材料學(xué)院，山西 太原 030024）

太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)目的是培養(yǎng)適應(yīng)國家建設(shè)需要，掌握材料成型及控制工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，了解和掌握材料成型領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備和工藝裝備的設(shè)計制造方法，具備解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力和一定的科學(xué)研究能力，能在鑄造、塑性成形、模具技術(shù)、軋制工程等材料成型領(lǐng)域從事設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、問題分析、生產(chǎn)組織和經(jīng)營管理等工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。

《材料成型計算機應(yīng)用》課程是材料成型與控制工程的學(xué)科基礎(chǔ)課，不僅要求學(xué)習(xí)好本課程的理論知識，而且要求學(xué)生能靈活應(yīng)用本課程所學(xué)的實體造型思想、方法，結(jié)合生產(chǎn)實際進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)[1-3]。近年來，隨著計算機輔助設(shè)計和制造在工程領(lǐng)域的不斷普及，熟練掌握、應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具也成為大部分畢業(yè)后繼續(xù)在材料成型相關(guān)領(lǐng)域工作的學(xué)生的必備技能。

1 目前存在的問題

從日常的教學(xué)實踐來看，《材料成型計算機應(yīng)用》現(xiàn)有的教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)跟不上社會發(fā)展的要求。首先，現(xiàn)有的教學(xué)模式中，授課教師負(fù)責(zé)講解操作命令以及當(dāng)前知識點的相關(guān)案例，很少涉及工程應(yīng)用，學(xué)生被動地接收到的都是一些割裂的脫離實際的內(nèi)容，在這種模式下學(xué)生興趣缺乏，主觀能動性差，很難有效地掌握新知識新技能。其次，舊的教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容都是具體的命令和操作方法，授課時，教師即使采用多媒體設(shè)備一步一步演示，也只是針對特定軟件的操作，一旦換了一個軟件換了一種界面，學(xué)生就感覺無從下手。而且，哪怕學(xué)生把所有的命令和操作都學(xué)會，還不足以達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)提出的要求。

在太原科技大學(xué)2017 年《材料成型計算機應(yīng)用》教學(xué)大綱中明確規(guī)定，通過本課程的課堂教學(xué)和上機練習(xí)學(xué)生應(yīng)具備下列能力：

1）能夠應(yīng)用計算機CAD/CAM 理論知識和技能對于材料成型與控制工程專業(yè)方向相關(guān)模型的正確性進(jìn)行論證并求解（對應(yīng)課程目標(biāo)1）；

2）能夠應(yīng)用計算機CAD/CAM 理論知識和技能設(shè)計滿足成型與控制工程專業(yè)方向需求的工藝裝備、部件和過程，并能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識（對應(yīng)課程目標(biāo)2）；

3）了解材料成型與控制工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，能夠在實踐中初步掌握并使用計算機CAD/CAM 理論知識和技術(shù)；能夠初步運用計算機CAD/CAM 理論知識和技能對材料成型與控制工程問題進(jìn)行預(yù)測與模擬，并了解其局限性（對應(yīng)課程目標(biāo)3）.

表1 畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

課程教學(xué)目標(biāo)是要服務(wù)于畢業(yè)要求的，仔細(xì)分析畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系（見表1），可以發(fā)現(xiàn)，《材料成型計算機應(yīng)用》課程對學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力提出了較高的要求，僅僅依靠課本上的固有的、孤立的知識和單一的、片面的練習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。只有在系統(tǒng)地對復(fù)雜多樣的實際生產(chǎn)過程進(jìn)行分析、提煉、解決和總結(jié)的鍛煉中才能滿足培養(yǎng)目標(biāo)對畢業(yè)生提出的要求。

2 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程教學(xué)方法研究

為了提高教學(xué)質(zhì)量，迎接新時代的挑戰(zhàn)，將工作過程教學(xué)方法融入到《材料成型計算機應(yīng)用》的教學(xué)中。何為工作過程呢？“在組織里為完成一件工作任務(wù)并獲得工作成果而進(jìn)行的一個完整的工作程序”這就是德國不萊梅大學(xué)Rauner 教授給出的定義。落實到這門《材料成型計算機應(yīng)用》課程上，就是通過工程實例的解決過程，把知識點融入實際問題中，以工程實踐中具有代表性的鑄件的工藝設(shè)計為背景進(jìn)行實訓(xùn)，包括實際生產(chǎn)中工藝設(shè)計的相關(guān)流程、設(shè)計內(nèi)容、工藝習(xí)慣等?？梢哉f，每一次學(xué)習(xí)都是計算機應(yīng)用和專業(yè)知識融會貫通，綜合應(yīng)用的過程[4-5]。

2.1 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程教學(xué)資源的收集和整理

通過對成型方向的用人單位，畢業(yè)校友，在讀學(xué)生及代課教師問卷調(diào)查和座談，對學(xué)生在《材料成型計算機應(yīng)用》學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，感興趣的內(nèi)容，社會的需求，對項目意見和建議等等進(jìn)行收集整理和分析，以便于制定合理的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)計劃和教學(xué)方案。

教師在選擇工藝案例時，一般要做到：務(wù)必進(jìn)行充分的工程實踐調(diào)研，要緊跟鑄造行業(yè)的發(fā)展，制定合理的、有代表性的培訓(xùn)實例；考慮到學(xué)生一開始對工作過程并不熟悉，務(wù)必注意工藝案例的選取應(yīng)由簡到繁，由易到難，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情；應(yīng)確保在解決工程實例的過程中，涵蓋教學(xué)大綱規(guī)定的全部教學(xué)內(nèi)容，對一些重點難點問題，教師要著重講解，避免本末倒置，偏離教學(xué)計劃。

2.2 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程教學(xué)方法和手段的制定

工作過程教學(xué)法的載體是具體的工程實例，學(xué)生以工程實例為研究對象，組成項目小組，每個項目組，即要分工明確，又要團隊配合。有人負(fù)責(zé)收集資料，有人負(fù)責(zé)造型和動畫，有人負(fù)責(zé)模擬和分析，有人負(fù)責(zé)匯總，有人負(fù)責(zé)進(jìn)行文字報告。而且每個項目組中學(xué)生個體的角色不是固定不變的，要隨項目變化而變化，保證每個學(xué)生的能力都可以得到全方面的鍛煉和提升?？紤]到學(xué)生一開始對工作過程并不熟悉，務(wù)必注意工藝案例的選取應(yīng)由簡到繁，由易到難。學(xué)生通過解決一個項目一般要經(jīng)過以下步驟：1）分析零件結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)要求，例如生產(chǎn)方式、鑄件材質(zhì)、化學(xué)成分等；2）進(jìn)行零件和澆注系統(tǒng)的三維造型并實現(xiàn)CAD 模型數(shù)據(jù)向CAE 系統(tǒng)的合理準(zhǔn)確傳遞；3）使用CAE 軟件進(jìn)行計算機輔助工藝設(shè)計，能實現(xiàn)砂型、金屬型、壓鑄過程的充型流動、冷卻凝固、充型換熱仿真模擬；4）根據(jù)模擬結(jié)果，比如填充速度、凝固液相順序、溫度場分布等預(yù)測缺陷出現(xiàn)位置，判斷工藝設(shè)計的合理性，改進(jìn)和優(yōu)化工藝。

表2 分別給出了兩種教學(xué)模式下制定的《材料成型計算機應(yīng)用》課程的教學(xué)進(jìn)程計劃（總授課時數(shù)32 小時，其中課堂教學(xué)學(xué)時24，上機學(xué)時8）.從表中可以看出，有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式，基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程伊始，教師主要演示如何完成一個完整的工作過程，學(xué)生以學(xué)習(xí)模仿為主。后期學(xué)生和老師的角色發(fā)生變化，學(xué)生占據(jù)主體地位，成為項目的完成者和管理者。教師起輔助作用，主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)、答疑和評價。在這個過程中，教師的角色不再僅僅是向?qū)W生機械傳授課本知識，而是要根據(jù)學(xué)生的發(fā)展實際及教育目標(biāo)、要求，制定出符合成型專業(yè)鑄造方向畢業(yè)生需求的教學(xué)計劃，合理安排教學(xué)進(jìn)程，整合編制工藝實例，保障項目的順利實施。使學(xué)生在掌握基本知識點的同時，分析問題和解決問題的能力得到有效提高，成為真正幫助學(xué)生成長的人。

2.3 基于工程實例教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程教學(xué)效果評價體系的建立

原有課程考核方法采用上機操作成績和平時綜合成績對學(xué)生進(jìn)行考核，學(xué)生的最終成績評定：上機操作（4 次上機綜合）考核按60%，平時綜合（出勤20%、課內(nèi)提問10%、作業(yè)10%）按40%。按五級記分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）進(jìn)行評定。其中：優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)是：上課積極回答問題、課后作業(yè)質(zhì)量高、出勤為全勤、四次上機綜合為優(yōu)；良好標(biāo)準(zhǔn)是上課能回答問題、課后作業(yè)質(zhì)量較高、出勤為缺課不超過兩次、四次上機綜合為良；中等標(biāo)準(zhǔn)是......這種考核方式看似公平，但實際上只要有一次缺勤就無法取得優(yōu)異成績，這無形中打擊了學(xué)生的積極性。而且上機實驗局限于對片面知識點的考查，無法真實地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機應(yīng)用》課程考核方法采用更加靈活、有效的方式，根據(jù)每個項目組對工程實例的解決過程，以及最終提交的結(jié)果給出評定等級。首先，將被考核題目的工作內(nèi)容劃分為相互獨立的五個模塊（零件的工藝分析、澆注系統(tǒng)設(shè)計、CAD 模型的建立、數(shù)學(xué)仿真和數(shù)據(jù)處理、缺陷預(yù)測和工藝改進(jìn)），在每個模塊中用明確的語言描述完成該模塊任務(wù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。同時，將標(biāo)準(zhǔn)分為五個等級選項“優(yōu)、良、中、合格、不合格”，教師根據(jù)被考核同學(xué)的實際表現(xiàn)，對每個模塊的完成情況進(jìn)行評估，總成績便為該同學(xué)的考核成績。

除了采用期末考試的方式來評價學(xué)生的短期學(xué)習(xí)效果，還可對教學(xué)效果持續(xù)考核論證：一方面對比分析采用與否教學(xué)方案的兩類學(xué)生（《材料成型計算應(yīng)用》也是成型專業(yè)鍛壓、模具方向?qū)W生的必修課）在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中的完成情況，畢業(yè)用人單位的后續(xù)隨訪，對教學(xué)效果進(jìn)行考核檢驗；另外還可依托本科大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，全國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽等實踐項目，在接受社會檢驗的同時，激發(fā)學(xué)生的競爭意識和挑戰(zhàn)意識。

表2 《材料成型計算機應(yīng)用》課程的教學(xué)進(jìn)程表

3 實施過程中發(fā)現(xiàn)的問題

學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件時，有學(xué)會軟件操作就實現(xiàn)課程目標(biāo)的想法，要注意引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變這種思想。使學(xué)生明白每一次設(shè)計都要以鑄造方向?qū)I(yè)課基本理論、基礎(chǔ)知識為依據(jù)進(jìn)行工藝分析和設(shè)計，另外教師在授課時要對案例涉及的知識點（基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識）講解透徹，明了。

不可否認(rèn)的是，目前的本科教學(xué)以及鑄造專業(yè)課的講解主要還是以課堂教學(xué)為主，學(xué)生是被動的，而且接觸到的主要是書本、文字、圖表，給知識的掌握帶來很大的難度。因此學(xué)校和教師要盡力創(chuàng)造更多的現(xiàn)場實踐教學(xué)機會，使學(xué)生更多了解零部件的實際工藝過程。比如，可以在《特種鑄造》、《鑄造工藝與設(shè)備》、《傳輸原理》等課程教學(xué)過程中，有意穿插計算機輔助設(shè)計內(nèi)容，通過哪怕一次機房上機實驗或者課后作業(yè)的形式，這樣既能讓學(xué)生更好得掌握計算機輔助設(shè)計的技能，也是對當(dāng)前課程的一次有益深化探討，何樂而不為呢？

4 結(jié)論

當(dāng)前，計算機輔助設(shè)計技術(shù)迅速發(fā)展，使得企業(yè)對掌握和了解相關(guān)知識的鑄造成型專業(yè)人才需求迫切，教師如何在專業(yè)課學(xué)時不斷壓縮的前提下，充實教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，是高校教師面臨的一個重要課題[6-7]。教學(xué)實踐表明，將工作過程教學(xué)法應(yīng)用于鑄造專業(yè)的課程教學(xué)中，本著課堂教學(xué)為輔，實踐教學(xué)為主的思路，對計算機應(yīng)用技能結(jié)合鑄造成型理論、工藝等難點和重點內(nèi)容進(jìn)行講解，可以取得良好的教學(xué)效果。表現(xiàn)在學(xué)生對課本知識有了更全面的認(rèn)識和把握，增加了知識的系統(tǒng)性；學(xué)生對鑄造工藝設(shè)計、鑄造缺陷分析、鑄造工藝優(yōu)化均加深了理解；激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，使其專注聽講、主動積極提問，互相協(xié)作，對教師也起到了激勵作用。