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    面向新工科的机械类专业流动性实验教学改革研究

    时间：2023-02-23 10:35:08来源：百花范文网本文已影响人

    汪兴兴 张福豹 朱昱 陈林飞

    (南通大学机械工程学院 江苏南通 226019)

    “新工科”建设指明了我国高等工程教育的发展方向，提出了实验教学的新要求。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特点[1-2]。“材料成形技术基础”是高等院校机械类专业必修的一门综合性的技术基础课，着重培养学生两种能力：一是具有正确选择材料成形方法和制定工艺及参数的初步能力；
    二是具有综合运用工艺知识分析零件结构工艺性的初步能力，并使学生了解有关新材料、新工艺、新技术及其发展趋势，为进一步学习其他后续课程奠定必要的基础[3]。流动性实验是基于“材料成形技术基础”课程所开设的课程教学实验。流动性相关知识是“材料成形技术基础”课程重要知识点，也是各大高校的必开实验。该文面向新工科理念，首先概述了现有材料成形技术基础课程实验教学研究与改革现状，其次结合南通大学的实际流动性实验开展情况，详细论述了材料成形技术基础课程流动性实验教学的改革探索。

    1.1 流动性实验概述

    流动性实验在各大高校开设内容存在不同，主要有两种形式：一种是应用高温铝硅合金开设合金流动性的传统实验项目；
    另一种是基于石蜡基复合材料开设材料流动性实验，降低了实验过程材料熔化温度。

    合金的流动性直接影响液态合金的充型能力，是合金的重要铸造性能之一[4]。流动性越好的合金，充型能力越强，越能浇出轮廓清晰、薄壁而复杂的铸件，同时也有利于夹杂物和气体的上浮与排出和凝固过程的缩补[5]；
    而流动性差的合金难以充满型腔，充型能力下降，易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷[6-7]。化学成分和合金的凝固方式是影响合金流动性的最主要因素。纯金属和具有共晶成分的合金具有较好的流动性。铝硅合金不仅具有良好的铸造性能和力学性能，还具有比重轻、比强度高、良好的耐大气腐蚀性、资源丰富等优点[8-9]。

    利用有限的课内实验学时，通过流动性实验教学，让同学们了解材料流动性的概念、测试方法以及影响因素，同时对材料成型的基本知识有较全面的认识。

    1.2 传统流动性实验教学

    传统流动性实验教学往往采用高温合金为实验材料，开展高温熔炼和浇筑流动性试样，来完成流动性实验内容。传统流动性实验教学通常采用铝硅合金如ZL102、ZL105 作为测试流动性实验材料[3]。南通大学机械工程学院也是采用铝硅系合金开展流动性实验教学工作。流动性测试所用试样有螺旋形、球形、U 形、楔形以及真空式样等。因为螺旋形试样具有灵敏度高、对比形象、结构紧凑等优点[10-11]，所以液态合金的流动性通常采用“螺旋性试样”的方法来衡量；
    同时，为了便于测量实验结果，在螺旋槽中从缓冲槽螺旋线起点开始每隔50 mm做一个凸台标记点。

    合金流动性实验主要步骤如下所述：第一，课前由实验教师提前准备铝硅系合金和熔炼好，炉膛合金温度通常超过800 ℃，然后保温以备上课使用；
    第二，组织学生上课，讲解安全注意事项和实验内容；
    第三，学生按实验要求，利用流动性测试模具开展流动性测试用砂箱造型工作，完成流动性测试所需砂箱；
    第四，采用石墨坩埚将高温合金溶液从炉膛中转运出来，采用手持式热电偶分别测出温度为780 ℃和710 ℃时，分别进行浇铸，浇铸时应注意防止喷溅，应尽量保证动压头有相同的高度，并保持浇口杯充满；
    第五，冷却至凝固温度后过一段时间打开砂箱清理，统计和测量螺旋试样的长度，观察实验表面形状特征，将数据记录在表中，根据浇出试样的螺线长度来比较不同合金在不同条件下的流动性能。即：浇出的长度越长则表示该合金的流动性越好，反之越差。在遵循单一变量原则的前提下，进行两组对比实验观察实验结果，分别得出浇注温度以及材料对合金流动性的影响。

    由于该传统的实验教学内容不仅存在材料熔炼温度高、易烫伤、易爆炸（国内发生过多起铝合金熔炼生产企业爆炸事故）等危险，同时存在课前材料熔炼耗时长现状，实验过程中需要完成翻砂造型工作和实验后清理型砂工作，又是一项耗时长的工作，所以实验前期准备以及实验后续清理工作量都很大，需要花费较长的实验学时，不能满足普通本科院校短学时的实验要求。为了更好地促进流动性实验教学，开展流动性实验的教学改革势在必行。

    1.3 新型流动性实验教学

    近年来，许多学校也为改进这一实验做出了许多努力。首先，从材料方面来看，比如在铝合金材料中添加混合稀土，稀土能明显细化初晶相，且能使共晶硅改变形态，使改良合金宏观粗糙面变得光滑，从而提高合金的流动性，以便于实验教学[12]。其次，从模具方面来看，以现有橡胶模具为基础开发石膏模具来进行流动性实验，实施了实验教学改革，同时促进了石膏型精密铸造技术的发展[13]。

    其中以某大学机械学院为代表，研发了液态成型综合实验设备（见图1），采用低熔点的石蜡基复合材料替代高熔点合金材料，将浇注温度降低至100 ℃以下，开展流动性实验教学工作，大大降低了实验过程中高温烫伤危险，革除了高温合金爆炸的危险源。它的工作原理是：利用空气压缩机或材料自身重力将液态蜡料注入模具中冷却形成固态蜡料，从而观察其流动长度及形貌。相比于传统的实验材料铝合金来说，石蜡作为一种由不同分子量的正链饱和烷烃的混合物，具有价格低廉、来源广泛、无色无味、理化性能稳定、较大的相变潜热能等诸多优点。这一新型实验方法不但能很好地解决危险问题，而且使学生完整正确地模拟了铸造的全过程，并对铸造技术工艺知识有了一个完整的概念。因此越来越多的高校都开始采用这一新型的实验教学方法，如华中科技大学、安徽工程大学、青岛大学、兰州理工大学等。

    图1 HJD-CK2型液态成型综合实验设备

    2.1 多层次化教学需求

    南通大学机械类专业包括机械设计制造及其自动化、机械工程、机械电子工程、智能制造工程这4 个机械类专业。近年来主要依托南通大学机械工程学院招生一本层次学生，其中机械工程专业依托南通大学杏林学院招生二本层次学生，存在逐年动态调整招生专业和层次的现实，智能制造工程属于近年新建专业。材料成形技术基础作为一门专业技术基础课，是面向多个机械类专业不同层次学生同时开设的课程，现行招生计划对材料成形技术基础课程实验提出了具体要求，即同时面向多专业和适应多层次化教学需求。

    2.2 课时少与教材内容多的矛盾

    目前主要选用何红媛和周一丹主编的《材料成形技术基础》作为授课教材[3]；
    教材内容包括铸造、锻压、焊接、粉末冶金、非金属材料及其成形技术、材料成形方法这6章，内容丰富；
    而材料成形技术基础课程理论教学时间仅为28学时，存在着教材内容多与课时少的矛盾。由于规定学时有限，专任教师无法详细讲授《材料成形技术基础》全部内容细节，往往是详细讲述铸造、锻压、焊接等前三章内容，重点阐述第六章材料成形方法的选择，培养学生学习基本材料成形技术知识，重点掌握材料成形方法的选择；
    理论环节授课学时短同样会带来实验教学环节学时少的实际情况，而传统的材料成形系列实验项目均存在耗时长的问题，由于课程学时又不允许，在有限的4学时内，仅安排了流动性、焊接接头组织观察和模具拆装这3个具体实验。

    2.3 实验教学时段高度集中

    根据本科生教学计划安排，材料成形技术基础课程通常安排在第四学期第1 周至第13 周，每周授课一次（3 个学时），通常理论授课时间有严格秩序。材料成形技术基础课内教学实验通常需要安排在相关理论知识讲授之后，通常要第8周之后开始安排，结束又要尽量与课程同步，造成材料成形技术基础实验时间相对集中。此外，南通大学通常每年招生机械类专业教学班级数量为10个左右，理论知识由多人同时承担授课任务，分班授课，工作相对分散；
    但仅安排一位实验教师，要求在3～5周内完成30个批次40学时的材料成形技术基础的实验教学工作，同时，第一个实验项目“流动性实验”需要投入大量的课前准备时间，实验指导任务高度集中，工作强度较大。

    2.4 流动性实验教学设备及器材老旧

    实验教学改革前，材料成形技术基础实验室硬件条件一般，实验室使用面积约100 m2，但仅有1套中频感应电炉作为熔炼铝合金材料的共用设备，配置了一定数量的合计流动性测量模具，开展传统铝硅合金流动性实验项目教学工作。该传统流动性实验项目存在课前准备时间长、翻砂造型劳动强度大、熔炼合金温度高、浇铸操作风险大等缺点。此外，该套中频感应电炉设备使用时间已经超过15年，接近报废状态。

    实验教学相对于理论教学具有直观性、实践性、综合性、设计性与创新性等特点，有利于培养学生创新能力和实际应用能力。该文通过以下5 个方面改革，推进了实验教学改革工作[14]，同时取得了一定的效果。

    3.1 建设材料成形实验室

    近几年，经过上级组织资助建设，南通大学“材料成形技术基础实验室”实现了主体设备的更新与换代。改革中期，参照其他高校经验，陆续引进了4 套HJDCK2 型液态成型综合实验设备用于流动性实验教学，该设备大大减轻了实验劳动强度，同时降低了实验安全风险，但在使用过程中发现该实验设备仍然存在一些设计不合理之处，如实验台高度设计不太合理、采用明火电炉加热蜡料存在火灾隐患、浇注流道清蜡困难、注射成形气缸易锈蚀和卡顿等。改革后期，笔者团队自主开发了基于低熔点材料的流动性实验设备[15]（如图2 所示），解决了上述问题，实现了高效开展流动性实验。

    图2 自制的流动性实验设备

    3.2 修订材料成形实验指导书

    本科生人次培养方案限制了材料成形技术基础课程的理论学时和实验学时。而材料成形技术基础课程教学大纲决定了材料成形技术基础的授课内容和实验内容安排。通过材料成形技术基础实验室建设，实验教学设备得到了更新换代，同时实验设备及其操作方法等也发生了巨大变化。原有的材料成形技术基础实验指导书无法匹配全新的HJD-CK2 型液态成型综合实验设备等实验设备，因此，根据新引进HJD-CK2 型液态成型综合实验设备和研发基于低熔点材料的流动性实验设备的特性及教学大纲要求，综合考虑了教学实际需求，重新编写材料成形技术基础课程的实验指导书，主要内容仍由流动性、焊接接头组织观察、模具拆装这3 个实验组成。结合新添置的流动性实验设备，重点更新了流动性实验内容，增加了前言“实验操作基本注意事项”，以及附录“实验设备及操作方法简介”，解决目前材料成形技术基础课程实验指导书不合时宜的问题，进一步适应了本科教学需要。

    3.3 构建材料成形实验项目体系

    根据材料成形流动性实验教学经验及HJD-CK2型液态成型综合实验设备等特性，更新了材料成形流动性实验项目内容。首先基于采购添置的HJD-CK2型液态成型综合实验设备开发了实验教学项目内容更新，采用低熔点的石蜡基复合材料替代铝硅合金，模拟开展合金二元相图知识实验教学；
    随后又在此基础上，研究和开发了基于低熔点材料的流动性实验设备，进一步丰富了实验教学内容，拓展了学生开展综合实验的条件，可开展不同配方和不同浇注温度条件的影响材料流动性分析实验。通过流动性实验的改革和实践，最终达到了培养学生掌握铸造材料流动性知识及测量方法的目标，从而培养学生具有正确选择材料铸造成形方法和制定铸造工艺及参数的初步能力。

    3.4 探索材料成形实验考核机制

    积极探索了材料成形技术基础实验考核机制改革工作，摒弃了以往“粗线条”式材料成形实验考核方法。从实验全流程全过程角度出发，应用了“分类细化”式的材料成形实验考核方法，进一步减小了不公平、不公正现象。通过该次材料成形技术基础实验教学改革，形成了材料成形技术基础实验全过程系统评价体系，综合上课考勤评价、随堂操作过程评价、实验报告系统评价这3 个方面内容，同时强化实验报告中的思考题设置和综合评价，具体构成比例见图3。

    图3 实验考核体系示意图

    3.5 改革材料成形实验教学法

    首先，立足工程教育实践，巧用“材料成形技术基础”领域工程项目开发实例，采用启发式、探究式教学方法指导实验教学，把材料成形技术基础实验项目的“主动权”交给学生；
    其次，倡导学生主动参与、热爱思考、勤于动手、勇于创新、乐于探索，进一步培养学生发现、分析和解决问题的能力。注重科研反哺教学，依托材料成形实验室，结合流动性实验改革迫切需求，促使学生深刻体会传统流动性实验的优缺点，激发学生参与流动性实验设备改良的工作，指导大学生完成创新创业训练项目4项，其中国家级1项，省级1项；
    指导大学生参加学科竞赛获奖7项，其中省级奖3项。达到了以项目带动教学，以竞赛促进教学的效果，同时又培养了学生创新意识和能力。

    3.6 流动性实验教学改革效果

    通过近年来持续建设材料成形实验室，先后添置了HJD-CK2 型液态成型综合实验设备和面向新型低熔点材料的流动性实验教学设备，彻底更新了材料成形实验室系列实验设备，从而建立了良好的材料成形技术基础实验教学平台。通过修订材料成形技术基础实验指导书，吸纳新设备知识，紧跟设备更新换代的步伐，并主动研发面向新型低熔点材料的流动性实验教学设备，为材料成形技术基础实验教学提供了切实可行的指导素材。通过实验项目体系的改革探索，优化了材料成形技术基础流动性实验内容，减轻了实验过程劳动强度，为学生在规定的课时内完成实验项目提高了必要的条件，为满足材料成形技术基础实验教学质量要求提供了可靠的保障。

    4.1 结论

    综述了材料成形技术基础课程实验教学改革研究进展，分析了地方本科高等学校的材料成形技术基础课程实验教学现状。通过建设成形实验室、构建材料成形技术基础实验项目体系、修订材料成形技术基础实验指导书等5 个方面的探索和改革，获得了有益的实验改革效果，进一步激发了学生的实验积极性，进一步保障了实验教学质量，满足了现阶段材料成形技术基础课程实验教学要求。

    4.2 展望

    新材料领域技术发展日新月异，材料成形技术随之也是飞速发展，同时为接轨国际工程教育，响应智能制造新专业建设。材料成形技术基础课程改革要综合考虑机械类本科生人才培养方案，围绕工程教育专业认证和智能制造新专业建设要求，结合理论授课知识，积极推进跟进式和持续实验教学改革和探索，不断加强机械类专业实验室的投入和建设，构建与时俱进的本科教学体系，确保培养高质量人才，同时促进教师进一步发展。

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