工程教育背景下的材料成型專業(yè)實驗教學改革探索*
——以鑄造應力測試實驗為例

王武孝 秦少勇 張忠明 鄒軍濤 葛利玲 張賽飛

(西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710048)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進步和發(fā)展，鑄造技術已廣泛應用在汽車、船舶制造，航空航天、能源開發(fā)等諸多領域[1-3]，通過鑄造成型的零部件被應用在各類機器設備中，然而在鑄件凝固過程中，會經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個階段，若在凝固過程中收縮受到阻礙，就會產(chǎn)生鑄造應力[4-5]。應力的存在嚴重影響鑄件的質量，可以使鑄件產(chǎn)生熱裂、冷裂、撓曲變形，影響鑄件尺寸精度，甚至使鑄件報廢，影響鑄件的成品率[6-7]。通過鑄造應力測試可判斷出應力產(chǎn)生的時間及變化的過程，從而幫助鑄造工程師分析應力產(chǎn)生的原因，最終提出減少或消除應力的方案，提高鑄件成品率，降低生產(chǎn)成本。因此開展該項工作具有十分重要的意義，尤其在高校開展鑄造應力測試實驗的教學，既可以使學生對應力產(chǎn)生的過程有一個定量的認識，同時可以提高學生的動手能力，為培養(yǎng)工程應用型人才奠定良好的基礎。

一、傳統(tǒng)鑄造應力測試實驗教學的反思

鑄造應力測試實驗包括型砂準備、造型、澆注、應力測試等環(huán)節(jié)，其中應力測試的方法主要采用的是傳統(tǒng)的機械測定法[8-9]。該法通常是要先澆注一個應力框，如圖1所示。將澆注好的應力框試樣用一定方法進行分割，此時殘余應力被釋放，鑄件會發(fā)生變形，通過測定變形量，再應用彈性力學相關公式來計算殘余應力，這種方法雖然簡單便捷，但只能測定靜態(tài)情況下的應力狀況，并不知道應力何時產(chǎn)生，無法反映鑄造應力產(chǎn)生的動態(tài)過程，這就使得應力測試實驗存在很大的局限性。

受實驗教學條件的限制，整個實驗過程都是學生在實驗教師的指導和幫助下完成，無法發(fā)揮學生的主觀能動性，導致學生對實驗的積極性不高，實驗結果也是千篇一律，甚至與實際不符，這也就難以滿足當前工程教育專業(yè)認證對學生的要求。因此開展鑄造應力測試實驗教學的改革意義重大。

二、鑄造應力測試實驗教學的改革

為了全面提升實驗教學的質量，激發(fā)學生的學習熱情，充分鍛煉學生的動手實踐能力，在借鑒了一些高校實踐教學改革的經(jīng)驗后[10-11]，按照以學生為中心，以貼近工程應用為前提的思路，對鑄造應力測試實驗進行了一些改革探索。

(一)研制智能鑄造動態(tài)應力儀

性能優(yōu)異的實驗設備是提高實驗教學質量的關鍵，國內目前沒有定型的應力測試儀器，因此在應力框(如圖1(a)所示)的原理基礎上，通過精心構思和反復試驗，成功自制出了智能濕砂型鑄造動態(tài)應力測試儀，其測試結構圖如圖2所示。

圖1 幾種常見的應力框

該設備主要由鑄型、應力框、測力傳感器，數(shù)據(jù)采集記錄儀等組成，橫梁上連接三根測桿測頭，測桿上安裝測力傳感器組成E字形結構，由鑄造模板、專用砂箱造型完成的鑄型組成反E字形，通過測頭螺釘把E字形與反E字型連接起來，鑄型型腔中桿所在位置裝上測溫熱電偶，當液態(tài)金屬充滿鑄型后將構成剛性應力框，應力框中間桿粗，兩側桿細，因此應力框冷卻過程中就會產(chǎn)生熱應力[12-13]，此時三桿上測力傳感器分別會向智能記錄顯示單元輸出電信號，經(jīng)過模數(shù)轉換送入智能單元的微處理器進行分析處理、儲存數(shù)據(jù)、顯示記錄曲線，完成應力測試。利用自制的設備測試了ZL102合金的鑄造應力，測試結果如圖3所示，實驗證明，該設備測試結果與應力產(chǎn)生分析完全吻合，數(shù)據(jù)重復率及精確性達到設計要求。

圖2 合金鑄造動態(tài)應力測試儀結構圖

圖3 ZL102合金凝固冷卻曲線及鑄造應力曲線

智能鑄造應力儀的設計成功，改變了傳統(tǒng)的應力測試方法，可自動測量動態(tài)應力，并具有記錄、存儲功能，可將鑄造應力產(chǎn)生的瞬間，變化趨勢準確地用曲線記錄并存儲下來，數(shù)據(jù)更加具備科學性。既能滿足本科實驗教學，也能為科研及實際生產(chǎn)提供科學的數(shù)據(jù)服務，為培養(yǎng)滿足工程應用的人才創(chuàng)造了條件。

(二)優(yōu)化實驗流程

隨著智能鑄造應力儀在實驗教學中被學生使用，同時配合工程認證的要求，實驗室環(huán)境和配套設施得到了極大的改善，為了發(fā)揮“以學生為中心”的工程認證理念，我們將實驗流程進行了改進和優(yōu)化，圖4所示為改進優(yōu)化后的實驗流程，改變了以前先澆注應力框，再進行切割、測量計算的實驗流程，實現(xiàn)了人工濕砂型造型、數(shù)據(jù)自動采集、計算機軟件數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡結果傳輸為一體的作業(yè)方式，使得傳統(tǒng)工藝向數(shù)字化、網(wǎng)絡化方向升級，從而極大程度上激發(fā)了學生的實驗興趣。在整個實驗過程中，從型砂準備、造型協(xié)調合作，到澆注以及數(shù)據(jù)處理和傳輸，學生都是自主動手完成，老師輔助指導并對學生的疑難問題進行啟發(fā)和解答。避免了以前只有個別學生動手，其余學生觀望的現(xiàn)象，發(fā)揮了學生的主觀能動性，可培養(yǎng)學生的實驗設計能力、實驗協(xié)作能力、數(shù)據(jù)處理能力等，滿足了工程教育對學生的部分畢業(yè)要求。

圖4 優(yōu)化后的實驗流程圖

(三)改革教學方式

通過對實驗室硬件設施全面升級改造后，改善了基本的實驗條件，在應力測試實驗的教學內容和方式上也做了進一步的探索，改進后的整個實驗教學過程如下圖5。

圖5 改進后的實驗教學過程

實驗指導教師對鑄造應力測試實驗的原理，實驗步驟以及實驗設備、造型工具的用途、操作方法、注意事項等進行詳細講解。之后，按照學時數(shù)要求對學生進行分組，分組后組長負責一起討論老師預留實驗前的思考題，每組學生進行實驗時，可對實驗過程中各個環(huán)節(jié)進行合理分工，指導教師為學生提供不同類型的合金(鋁合金、鎂合金等)，每組可任選一種合金，學生結合所學專業(yè)知識自行設計工藝流程并造型，指導教師對造型結果審核，審核通過后開始進行實驗，并在現(xiàn)場對每位學生的實驗操作情況進行評估打分，實驗結束后得到實驗數(shù)據(jù)并處理，撰寫并提交實驗報告，同時在實驗報告中反饋對本次實驗的建議和心得體會，以便不斷完善實驗流程，達到學生滿意。

本次教學手段的改革，始終以學生為主體，從實驗方案的設計，實驗過程的各項操作及實驗數(shù)據(jù)處理都是學生自主完成，充分鍛煉了學生的動手實踐能力。同時也避免了千篇一律的實驗結果，達到了實驗的預期效果，增強了學生對專業(yè)知識的認知度。

(四)完善考核方式

實驗課不同于理論課，實驗教學更加注重培養(yǎng)學生的實踐動手能力，因此僅通過實驗報告去評估學生的實驗成績是不科學的，通過改革，將實驗的考勤、造型工藝的設計、實驗過程的操作、實驗報告都納入考核范圍。其中，造型工藝的設計關系著實驗能否順利進行，比較關鍵，實驗過程中各個環(huán)節(jié)的操作能反映出學生的動手實踐能力，也是關系到實驗能否成功的重要因素，因此把這兩項作為考核實驗成績的重要依據(jù)，所占比重也最大。同時實驗報告反映的是學生的數(shù)據(jù)處理與表述能力，對實驗報告制定一套合理的評分標準，從實驗預習，原理闡述，實驗過程，數(shù)據(jù)處理，心得體會等全面評判實驗報告，尤其是在實驗報告中讓學生反饋對本次實驗的建議和心得體會，以便不斷完善實驗流程，達到學生滿意。改革后的考核方式更加注重考核學生的動手能力，有利于激發(fā)學生的實驗熱情和創(chuàng)新意識。

三、結語

對鑄造應力測試實驗從硬件、軟件方面進行全面的改革探索，改革后的應力測試實驗實現(xiàn)了向數(shù)字化、網(wǎng)絡化及綠色化的方向轉變，激發(fā)了學生的學習熱情，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，提高了學生的動手實踐能力，加強了他們理論聯(lián)系實際的學習方法，達到了實驗的預期效果，為工程教育專業(yè)認證奠定了良好的基礎。由于本次實驗的改革只是針對鑄造方向的本科生，具有局限性，實驗改革難免有不完善之處，希望有經(jīng)驗的專家學者提出更多寶貴意見，使鑄造應力測試實驗的教學質量得到進一步提高。