基于工程案例的焊接結構教學實踐與探討

郭彥兵 陳云霞 張旺 陸斌鋒

[摘 要] 在“新工科”教育理念和人才培養(yǎng)模式下，傳統(tǒng)的焊接結構教學模式和實際焊接產業(yè)結合與實際工程需求存在一定的差距。從工程案例出發(fā)，對已有的課程體系進行相應的模塊劃分，針對每一個模塊選取相應的典型工程案例，以工程小組的形式，通過線上與線下的混合教學模式展開教學實踐。充分利用數(shù)值模擬的優(yōu)點，對基于工程案例的焊接結構教學進行探索，為適應“新工科”背景下的焊接專業(yè)技術工程人才培養(yǎng)積累了一定的經驗。

[關鍵詞] 焊接結構;教學實踐;工程案例

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0237-02? ? [收稿日期] 2019-10-22

焊接結構是將焊接技術應用于工業(yè)產品的手段與表現(xiàn)形式，其廣泛應用于汽車、機械、海洋裝備、航空航天、能源等工業(yè)領域[1]。焊接結構學作為應用型本科專業(yè)焊接技術與工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，對學生后期學習其他焊接專業(yè)知識及專業(yè)技能具有重要意義[2，3]。本門課程內容涉及傳熱學、金屬材料學、材料力學、理論力學及機械結構設計等，是多個學科的綜合與交叉，理論性和實踐性都非常強[4]。傳統(tǒng)教學模式中，因其各個章節(jié)內容相對獨立，知識點分散且理論性較強，特別是焊接應力與變形及結構設計模塊，很多教師迫于教學任務的壓力，被迫采用填鴨式教學，學生學習意愿不強烈，達不到理想的育人效果[5]。本文從課程工程實踐性強這一特點出發(fā)，將焊接結構學的主要知識點模塊化;結合工程案例與項目實踐，將理論知識聯(lián)系實際工程問題，從而對焊接結構課程的教學模式和方法進行有益的探索和討論。

一、工程案例在焊接結構課程教學中的運用

工程案例教學方法目前在工科為主的課程教學中廣泛被應用，其主要特點是針對實際的工程問題，將解決工程問題所需要的理論知識與實踐相結合，老師布置、學生主動參與項目案例或模型，最終讓學生掌握理論知識的同時，培養(yǎng)其解決工程問題的能力，達到教學目的。學生以小組形式選擇教師，基于焊接結構的幾個主要模塊所設置的工程任務作業(yè)，在課前一到兩周分配給每個小組，引導學生課前查閱資料，積極討論，并利用校內已有的焊接數(shù)值模擬軟件ABUQUS開展案例的計算與仿真分析，解決相應的工程案例作業(yè)問題，最后形成案例研究報告，納入期末考核體系。

二、教學模塊劃分與工程案例設計

為了實現(xiàn)焊接結構課程的工程案例化的教學模式，必須在明確焊接結構課程體系的基礎上進行相應的知識點模塊劃分，針對每一模塊設置能夠充分反映相應模塊知識點并貼近工程應用的教學工程案例。

（一）教學模塊劃分

1.焊接熱過程與溫度場。該模塊是焊接結構學的基礎，焊接的熱過程決定了焊接結構的質量和生產效率，因此本文設置該模塊作為獨立模塊。

2.焊接過程中的應力應變場。焊接應力應變場的數(shù)值計算推導與理論基礎。

3.焊接結構的設計。設置工字梁、桁架結構、簡單壓力容器幾個典型的焊接結構。

4.焊接結構的數(shù)值模擬。典型焊接結構的焊接熱過程和應力應變場的數(shù)值模擬分析。

（二）工程案例設計

1.焊接熱源模型與模擬計算。以焊接傳熱學為基礎，將典型的“高斯熱源”等作為獨立模塊。

2.焊接過程中的實際應力與變形。設置剛性工作臺中連接鋼棒結構進行模擬焊接加熱，分析焊接應力和變形。

3.板殼式換熱器的接頭和結構設計。設置桁架結構、壓力容器等典型的焊接結構的工藝設計。

4.管板焊接數(shù)值模擬計算與實驗驗證。采用ABAQUS有限元分析軟件構件管板焊接過程中的溫度場和應力應變場。

三、基于工程任務的教學實踐

（一）課程體系的改革

作為應用型本科課程的焊接結構主要研究如何將焊接傳熱學、焊接應力應變以及焊接結構設計三個教學模塊有機結合起來。在理論授課前將相應教學模塊的工程案例項目以項目小組的形式開展前期調研，讓學生在課堂上充分抓住理論知識的重難點，激發(fā)學生的興趣。授課完成后，以實踐課的形式安排相應的教學模塊實驗，讓學生實際動手操作。例如讓學生利用焊接實驗室的熱電偶測量，并繪制不同材料和不同焊接接頭在焊接過程中的熱循環(huán)曲線，并思考曲線形成的原因，從而加深對焊接傳熱學的理解，形成“工程案例—理論學習—工程實踐—學習反思—實際工程問題”閉環(huán)的課程體系和“新工科”人才培養(yǎng)模式。

（二）工程案例的實踐教學

傳統(tǒng)的焊接技術與工程專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)課程，如生產實習開設比較晚，與相關理論課程時間跨度較大，相關專業(yè)理論知識與工程實踐連貫度不夠。而通過基于工程實踐的教學模式，就是在焊接結構課程剛開始就在教學班級形成工程案例小組，在課程學習過程中，以小組的形式解決老師在每一個教學模塊布置的工程案例任務。

任務布置在上課前一周左右，學生自覺調研案例的知識背景，形成小組內部的討論和學習機制，激發(fā)學生在理論課中的興趣和專注力。每個教學模塊完成后，小組相應的工程案例作業(yè)以PPT形式進行項目任務匯報。鼓勵學生參與“全國焊接創(chuàng)新大賽”，充分利用國賽平臺，檢驗學生的所學工程知識，提升學生實際工程問題的解決能力和創(chuàng)新能力。

四、結語

近幾年來，通過在“新工科”建設背景下開展焊接結構課程的工程案例的教學實踐，可以調動學生的學習積極性和主動性。在來源于生產實踐的工程案例中抽取與理論結合度較高的模塊，形成過程任務，激發(fā)了學生的學習熱情和濃厚興趣，以任務小組形式完成工程案例作業(yè)。在這一過程中，不但充分理解了課程中的理論知識，而且充分發(fā)揮了主觀能動性和創(chuàng)新活力;工程案例小組分工明確，充分調動了學生最大的學習潛能;理論課模塊與實踐模塊相結合、線下課程模塊和線上課程模塊相結合，實現(xiàn)了混合式教學，使課堂的理論課程與實踐環(huán)節(jié)密切結合，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工匠精神的新型高層次應用型工程人才提供了一種新思路。

參考文獻

[1]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]盧慶華.焊接結構教學模式改革探討[J].中國冶金教育，2012（5）：32-34.

[3]蔡淑娟，李涌泉.“新工科”建設背景下的高等教育《焊接工程學》教學模式改革探索[J].山東化工，2019，48（5）：178-179.

[4]祝文沙.校企深度融合探索PBGS教學模式的應用型課堂——以《焊接結構生產》為例[J].課程教育研究，2019（27）：245-246.

[5]辛立軍，陳明華，周岐，劉偉東.案例教學法在焊接結構課程教學中的應用[J].遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2019，21（01）：121-123.