冶金傳輸原理教學方法改革與探索

岳航宇 李曉曼 李濤濤 李瑞峰

（江蘇科技大學材料學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

材料加工冶金傳輸原理是冶金工程、焊接技術(shù)與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁，起到了承上啟下的作用[1]。然而，冶金傳輸原理課程以高等數(shù)學、大學物理及物理化學為基礎(chǔ)，是一門理論性很強的課程，概念抽象、公式繁多，教師難教，學生難學[2,3]。很多學生通過死記硬背通過考試，對以后在工作中解決實際問題或者繼續(xù)深造形成一定的困難。為了使學生在規(guī)定的學時內(nèi)，掌握該課程的基礎(chǔ)知識，提高學生學習的積極性以及培養(yǎng)學生獨立思考及解決實際問題的能力，筆者結(jié)合該課程的教學工作的經(jīng)驗和體會，對該課程的教學做出以下幾方面的改革嘗試。

1 注重緒論的講解

緒論是學生認識本課程的開始，對學生以后的學習起著至關(guān)重要的作用，良好的緒論介紹可以使學生對課程有清楚的認識，有助于以后的課程學習，因此，應(yīng)當注重緒論的介紹，使學生全面了解本課程，激發(fā)學生的學習興趣。課程緒論通常主要包括課程的性質(zhì)、課程的內(nèi)容、課程的特點、教學的目的、教材與教參、成績評定等。但由于冶金傳輸原理的知識較為抽象，概念較多，公式較為復雜，僅僅講述這些內(nèi)容，學生對這門課程的認識非常有限。為了使學生對這門課有更清楚的認識，如果在緒論中添加本門課程的學習背景及意義進行介紹，將實例與抽象概念相結(jié)合，使學生將知識點串聯(lián)化，有助于學生以后在學習過程中對概念和理論的理解和記憶。對于焊接專業(yè)的學生，在講解緒論的時候，引入與焊接專業(yè)相關(guān)的真實案例，將質(zhì)量傳輸、動量傳輸以及熱量傳輸他們之間的相同點和不同點進行對比，一方面可以增加學習的趣味性，另一方面便于學生將各知識點串聯(lián)起來。例如，在講解緒論的時候，將目前最熱門的金屬3D打印技術(shù)案例引入進來，金屬3D打印技術(shù)相當于堆焊，與焊接技術(shù)密切相關(guān)。由于金屬3D打印過程中于熔池較小，難以直接觀察熔池內(nèi)部熔體流動，以及在逐層堆積過程中，溫度場波動變化及分布情況難以直接測出，對3D打印金屬構(gòu)件的組織演變和力學性能的調(diào)控存在技術(shù)難題，而通過數(shù)值模擬技術(shù)可以解決該問題，數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)就是冶金傳輸原理這門課程，那么學生對于學習這門課的背景及意義就有所了解。

接著將金屬3D打印過程示意圖給學生進行展示，如圖1a所示，通過該圖，學生可以清楚地知道什么是熱量傳輸，以及熱量傳輸主要存在輻射換熱、對流換熱及導熱傳熱主要三種傳熱方式，且從圖1中可以看到三種傳熱方式的不同之處，這就是熱量傳輸要講的主要內(nèi)容。接著對金屬3D打印中的微熔池進行觀察，對熔池內(nèi)部的流體流動進行講解，如圖1b所示，可以看出，熔池內(nèi)部主要存在液態(tài)金屬流動引起剪切力FS、表面張力梯度引起Marangoni剪切力Fσ；金屬蒸汽反沖壓力Pr、彎曲液面表面張力引起的附加壓力Pσ、流體靜壓力Pl，熔池內(nèi)部熔體在這些力的作用下產(chǎn)生流體流動現(xiàn)象，這就是動量傳輸過程，通過研究動量傳輸，可以了解熔池內(nèi)部流體流動情況。由于熔池內(nèi)部熔體存在流動以及濃度梯度，溶質(zhì)原子在熔體流動或者濃度梯度作用下發(fā)生質(zhì)量傳遞現(xiàn)象就是質(zhì)量傳輸，如圖1c所示，并根據(jù)傳遞方式不同，質(zhì)量傳輸存在分子擴散傳質(zhì)和對流流動傳質(zhì)兩種方式。這不需要學生對每個知識點都了解，主要目的是讓同學們對冶金傳輸原理之后要講解的內(nèi)容有一個大概的輪廓，這樣就可以采用一個故事主線，將三塊內(nèi)容串聯(lián)起來。此外，可以看出，三種傳輸現(xiàn)象是同時存在的，這也可以讓學生理解質(zhì)量傳輸、動量傳輸和熱量傳輸三種不同傳輸方法放在一起講解的原因。

圖1 金屬3D打印過程存在的熱量傳輸、動量傳輸和質(zhì)量傳輸示意圖

2 注重課堂形象教學

對于冶金傳輸原理課程中抽象的概念和晦澀難懂的公式，在課堂教學過程中應(yīng)采用形象教學，來解釋抽象的物理概念，幫助學生理解知識點。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，可以利用多媒體技術(shù)（圖片、動畫等）向?qū)W生形象地展示各種抽象概念和生產(chǎn)工藝，如流體黏度，可以通過一張圖片進行對比，一目了然其物理含義，如圖2所示?？梢詫⒏鞣N動態(tài)形象的3D動畫素材貫穿于理論教學的各個章節(jié)，從而提供寓教于樂的教學氛圍，將抽象概念形象化，以幫助學生理解并掌握基本概念。如“層流和湍流”一章，可以讓學生觀看流體在管道內(nèi)部流動的視頻，使學生直接對這兩種流動在腦海中有一個清楚的認識，這樣就對著兩個概念很容易理解并掌握。此外，可以利用實際生產(chǎn)生活實例，將抽象概念變?yōu)榫唧w。如在講解強制對流和自然對流這兩個概念的區(qū)別時，可以利用夏天自然風和采用電風扇時產(chǎn)生的外力風來進行舉例，從而也使學生理解強制對流和自然對流具有不同的對流換熱系數(shù)的原因。通過一些動畫，把一些抽象的物理過程形象地展現(xiàn)給學生，加深學生對物理過程的理解，提高學生學習興趣及自主學習的積極性，進而提高學習效率。

圖2 三種不同物質(zhì)黏度示意圖

3 仿真模擬與理論知識相結(jié)合

冶金傳輸原理課程中的概念和理論知識抽象復雜，理解難度較大，因此，教師的教學難度較大，學生學習難度也較大，容易使學生學習的積極性降低，從而導致學習效果不佳。針對以上問題，可以將相關(guān)焊接熔池的模擬仿真引入到課堂。例如，在焊接過程中，存在熱量、動量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象，而在焊接過程中，很難直接觀察到熔池內(nèi)部熔體的流動現(xiàn)象。而通過焊接熔池模擬仿真技術(shù)，可以向?qū)W生清楚地展示熔池內(nèi)部流體的流動方向、溫度場及熱量傳輸方向，如圖3所示。此外，通過仿真模擬，還可以直接觀察焊接冶金過程中，冶金缺陷的形成原因，進而正確設(shè)置焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)無缺陷的產(chǎn)品的制造。通過模擬仿真，可以使二維的理論內(nèi)容轉(zhuǎn)化為三維立體的工程實踐問題，便于學生理解抽象的專業(yè)知識，調(diào)動學生積極性，進而提高課堂的教學質(zhì)量。

圖3 焊接熔池熔體流動仿真模擬

此外，模擬仿真技術(shù)的基本理論基礎(chǔ)就是采用冶金傳輸原理課程中的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動量守恒方程，進而可以使學生對質(zhì)量傳輸、動量傳輸和能量傳輸?shù)闹R進一步升華。反過來就為他們以后繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)，因此更深入地了解熔池熔體流體流動，加深理解動量傳輸?shù)母拍钆c公式。

4 加強科研創(chuàng)新培養(yǎng)

教師應(yīng)結(jié)合自身的科研經(jīng)歷，向?qū)W生介紹科學研究方法和目前的相關(guān)科學技術(shù)前沿，從而培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力[4,5]。例如，本人一直從事TiAl合金的3D打印技術(shù)研究，通過模擬仿真技術(shù)，可以向?qū)W生們直觀地展示CFD流體模擬軟件在金屬3D打印技術(shù)方向的實際應(yīng)用，以及可以向?qū)W生介紹金屬3D打印技術(shù)方向存在的科學難題，從而不僅能夠使學生了解材料科學與工程的技術(shù)前沿，深化理論知識的理解，還可以增加其學習興趣，提高學習效率和教學質(zhì)量。另外，緊密結(jié)合焊接前沿技術(shù)，補充有關(guān)內(nèi)容，將最新研究成果融入課堂教學，以進一步充實和豐富教學內(nèi)容。例如，可以向?qū)W生展示國內(nèi)在金屬3D打印領(lǐng)域取得的偉大成就，如北航王華明教授解決大型整體鈦合金飛機主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力控制、質(zhì)量控制和裝備標準技術(shù)難題，使3D打印鈦合金成功應(yīng)用到戰(zhàn)斗機上；西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授采用3D打印技術(shù)制備的翼肋鈦合金上、下緣條，成功應(yīng)用到國產(chǎn)C919大飛機上。通過這些內(nèi)容的講解，進一步提升學生們的民族自豪感，培養(yǎng)學生的愛國主義情懷。

在動量傳輸、質(zhì)量傳輸和熱量傳輸課程講述結(jié)束后，讓學生自愿分組參與科研訓練，讓他們了解目前焊接和金屬3D打印技術(shù)遇到的實際工程技術(shù)問題和科研項目，并利用目前快速發(fā)展的計算機技術(shù)和商用CFD軟件以及他們學過的質(zhì)量傳輸，動量傳輸和熱量傳輸?shù)幕纠碚摚屗麄內(nèi)ソ鉀Q目前焊接熔池流體流動狀態(tài)的模擬及冶金缺陷的形成機制，金屬3D打印溫度場波動及變化情況等實際問題。這樣，可以根據(jù)實際問題，建立相關(guān)的數(shù)學模型或者從CFD軟件中選擇合理的數(shù)學模型，建立并劃分網(wǎng)格，根據(jù)工藝情況確定合理的邊界條件，然后進行求解計算。或者當CFD軟件不能滿足求解需要時，學生可以根據(jù)自己的基本理論知識，通過編程進行簡單的二次開發(fā)，向CFD軟件中添加子程序，從而解決實際及科研問題，這樣可以讓他們更加深入地了解傳輸原理在實際工業(yè)中的應(yīng)用，且進一步深化理論知識的理解。采用CFD軟件進行模擬計算也是理論聯(lián)系實際的具體體現(xiàn)，為學生將來進入企業(yè)解決實際問題，或者其在進一步深造學習時，培養(yǎng)良好的科研素養(yǎng)及創(chuàng)新能力。因而，理論、科研及實踐之間的相互關(guān)聯(lián)即為專業(yè)知識學以致用的過程，以此過程促使學生體會專業(yè)課程趣味性、實用性的同時激發(fā)其創(chuàng)新思維。

5 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在高等教育人才培養(yǎng)過程中，及時更新和改革教學方法，將先進的教學理論與方法密切結(jié)合，將抽象的知識形象化、具體化，增加課程的趣味性，從而可以提高學生學習的積極性和主動性，提高課堂的教學質(zhì)量。因此，可以解決冶金傳輸原理課程知識存在的“教師難教、學生難學”的現(xiàn)象。此外，通過教學方法的改革，可以培養(yǎng)學生的解決工程問題能力并能夠提高學生的創(chuàng)新能力，促使學生學以致用、學有所用，提高了教學質(zhì)量，顯著地激發(fā)了學生的積極性和創(chuàng)新思維。此外，通過改革教學方法，可以將企業(yè)需求與高校教育相結(jié)合，培養(yǎng)出滿足現(xiàn)代社會需求的應(yīng)用型、創(chuàng)新型技術(shù)人才。