吳振卿，孫玉福，趙紅亮，潘繼民，趙靖宇

（鄭州大學(xué)材料學(xué)院，河南鄭州 450052）

本人擔(dān)任《材料成型基礎(chǔ)及理論》“鑄造部分”的授課任務(wù)，課時(shí)32學(xué)時(shí)，除去課程實(shí)驗(yàn)及節(jié)假日，實(shí)際授課時(shí)數(shù)更少，為了在有限的課堂教學(xué)中盡量發(fā)揮課堂教學(xué)的作用，在和課程組其他老師共同研討的基礎(chǔ)上，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面進(jìn)行了一些探索，在此進(jìn)行了簡單的總結(jié)，以供各位同行參考。

1 通過介紹中國古代悠久燦爛的鑄造史，提高學(xué)生對鑄造的感性認(rèn)識(shí)和興趣

《材料成型基礎(chǔ)及理論》在大三第一學(xué)期進(jìn)行，學(xué)生此時(shí)只是通過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)對鑄造有了一些簡單的了解，由于認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)條件的限制，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)后，學(xué)生對鑄造生產(chǎn)的印象較差。為了提高學(xué)生對鑄造專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)進(jìn)一步增加學(xué)生對鑄造生產(chǎn)過程的感性認(rèn)識(shí)，特地將首堂課內(nèi)容設(shè)置為中國鑄造史。為此在課前先播放從網(wǎng)上下載的“永樂大鐘”的視頻，該視頻詳細(xì)介紹了永樂大鐘的鑄造工藝和該大鐘的特點(diǎn)，引起學(xué)生對鑄造工藝的興趣。

1）首先講解了中國古代錢幣的代表——“制錢”的鑄造工藝演化過程，從一個(gè)到四個(gè)，再到一次性澆注將近500個(gè)“制錢”的“立式疊鑄”鑄造工藝，最后總結(jié)了“制錢”對中國古代商品經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)也即對中國古代文明發(fā)展的促進(jìn)作用。

2）通過大量的古代的大型鑄件圖片，介紹了中國古代在大型鑄件方面取得的成就，然后介紹了重達(dá)40 t多的“滄州鐵獅子王”的“泥范法造型，明澆法分段鑄接”工藝，并對比介紹了本世紀(jì)初某廠家仿制該產(chǎn)品前兩次失敗，第三次才成功的實(shí)例，說明我們祖先在鑄造工藝方面的創(chuàng)新和嚴(yán)謹(jǐn)精細(xì)的工作作風(fēng)。

3）介紹了中國歷史博物館的鎮(zhèn)館之寶“后母戊大方鼎”鑄造工藝和有關(guān)該文物在抗戰(zhàn)和解放戰(zhàn)中的傳奇故事，又對前面視頻中播放的“永樂大鐘”的鑄造工藝進(jìn)行了簡單的總結(jié)，說明了鑄造在中華文明所占的重要地位。

4）結(jié)合一些旅游景點(diǎn)優(yōu)美的工藝品如“曾侯乙銅尊”和頤和園的“龍鳳鹿鶴”等對古代的失蠟鑄造工藝進(jìn)行了介紹，說明了鑄造工藝在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

5）對中國古代鑄造材料的開發(fā)也進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)介紹了春秋時(shí)期《考工記》中記述的不同配比的銅錫合金用于制造各種工器具和“河南鞏縣鐵生溝西漢鐵?頭”的球墨鑄鐵組織，該球墨鑄鐵的出現(xiàn)比西方早了兩千多年，說明了我國古代在鑄造材料的開發(fā)方面也曾處于世界領(lǐng)先水平。

6）在該堂課的最后也對中國近現(xiàn)代鑄造工藝及科技的落后進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)也說明了當(dāng)代中國鑄造在改革開放春風(fēng)的沐浴下正在迎頭趕上世界先進(jìn)水平，并列舉了目前世界上560 t的最大鑄件就是由學(xué)生下一年將要進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)的洛陽中信重工生產(chǎn)的，同時(shí)在核電站和水輪發(fā)電機(jī)以及航空葉片等鑄件生產(chǎn)方面，我國也基本處在世界領(lǐng)先水平，在鑄造工藝和材料的開發(fā)方面學(xué)生將來大有可為，由此引導(dǎo)學(xué)生對鑄造產(chǎn)生興趣，提高從事鑄造工作的自豪感。

2 采用啟發(fā)誘導(dǎo)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力

由于課時(shí)有限，為了在有限的時(shí)間內(nèi)盡量發(fā)揮課堂教學(xué)的作用，采用了啟發(fā)誘導(dǎo)式教學(xué)，以盡量培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力。

針對許多學(xué)生在解決一個(gè)問題時(shí)經(jīng)常感覺無從下手這一現(xiàn)象，在每一節(jié)內(nèi)容開始講解前，首先向?qū)W生提出一個(gè)問題，即從那一個(gè)方面開始對問題進(jìn)行研究，也即在研究問題之前，怎樣找到研究分析的切入點(diǎn)，然后給學(xué)生短暫的思考時(shí)間，再開始講解，以此提高學(xué)生分析解決問題的能力。

如在講解晶體的生長時(shí)，首先假設(shè)如果是學(xué)生自己研究晶體的生長，學(xué)生應(yīng)該怎樣開始研究？經(jīng)過短暫的停頓，再提示學(xué)生晶體生長的實(shí)質(zhì)是什么？結(jié)論為原子從液體中向固體的遷移，這樣學(xué)生很容易就聯(lián)想到可以從研究原子如何從液態(tài)向固體中遷移來研究晶體的生長。再提問從何入手研究原子的遷移？引導(dǎo)學(xué)生設(shè)想原子在啥樣的條件下才會(huì)遷移？以此引出金屬凝固結(jié)晶的熱力學(xué)條件，即在低于熔點(diǎn)的條件下，可實(shí)現(xiàn)個(gè)體原子從液體向固體中的轉(zhuǎn)移，即開始結(jié)晶。

在前面分析講解的基礎(chǔ)上，再提示學(xué)生研究完一個(gè)原子后應(yīng)該繼續(xù)做什么？結(jié)論肯定是多個(gè)原子。研究多個(gè)原子怎么入手？提示學(xué)生多個(gè)原子在液固之間肯定要有一個(gè)什么東西將兩者隔開？界面！由此引出通過研究液固界面來對晶體結(jié)晶過程進(jìn)行研究。

在研究界面的時(shí)候首先問界面一般有什么特性：結(jié)論為平整和粗糙！還有？由此引出從原子尺度區(qū)分研究平整界面和粗糙界面的生長，并由此引出二維形核生長和螺型位錯(cuò)、旋轉(zhuǎn)孿晶、反射孿晶生長。再提問學(xué)生界面除了平整和粗糙之外，一般還有什么特性？松散和密實(shí)！由此引出晶體的生長以密排面為生長界面的結(jié)論。

在前面講解的基礎(chǔ)上，再啟發(fā)學(xué)生除了從原子角度研究晶體生長之外，還能夠從哪些方面對晶體生長進(jìn)行研究？提示學(xué)生前面的研究是以單獨(dú)的一個(gè)界面進(jìn)行研究的，實(shí)際上在結(jié)晶過程中，一般情況下結(jié)晶會(huì)僅僅是一個(gè)界面嗎？結(jié)合學(xué)生在金屬學(xué)中所學(xué)知識(shí)提示學(xué)生金屬的晶體結(jié)構(gòu)一般是多晶結(jié)構(gòu)，由此引出從晶粒長大的角度研究分析晶體的生長，最后總結(jié)出晶粒的四種生長方式：平面生長、胞狀生長、樹枝晶狀生長和內(nèi)生生長。

這一章的最后，再將前面的分析介紹和鑄造工藝聯(lián)系起來，提問學(xué)生前面是從微觀的角度研究了晶體的生長過程，那么鑄件的凝固過程有什么特點(diǎn)？由此引出鑄件的宏觀凝固過程和組織特點(diǎn)，分析介紹典型的鑄件宏觀凝固組織：表面細(xì)晶區(qū)+中間柱狀晶區(qū)+內(nèi)部等軸晶區(qū)。

通過該章節(jié)的講解分析，可以使學(xué)生了解在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)如何開闊研究思路，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。在本人的講課實(shí)踐中，始終將這一方法貫穿在自己的授課中，得到了學(xué)生的好評(píng)！

3 結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，介紹科學(xué)研究的常用思路和方法

根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容，將部分章節(jié)轉(zhuǎn)化成某個(gè)研究課題，再結(jié)合該課題，向?qū)W生介紹進(jìn)行科學(xué)研究常用的一些方法和思路。如在接手一個(gè)研究課題后，研究工作一般分為以下幾個(gè)階段：調(diào)研、試驗(yàn)方案確定、試驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析、研究報(bào)告的撰寫等。

調(diào)研一般分為實(shí)地和文獻(xiàn)查閱，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容舉了相當(dāng)?shù)睦诱f明文獻(xiàn)查閱在科學(xué)研究中的重要作用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合教科書中有關(guān)內(nèi)容介紹了如何制定試驗(yàn)方案，預(yù)測可能的試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，如何對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到有用的結(jié)論，剔除不合理數(shù)據(jù)，特殊數(shù)據(jù)的分析處理。最后結(jié)合課堂教學(xué)的有關(guān)章節(jié)內(nèi)容，介紹分析了研究報(bào)告撰寫的一些基本方法和技巧。

如在介紹試驗(yàn)結(jié)果整理分析時(shí)，說明圖、表或數(shù)學(xué)公式三種表現(xiàn)方式各自的特點(diǎn)、適用范圍和分析方法。當(dāng)分析用圖表示的試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，一方面要重點(diǎn)分析圖線所顯示的變化趨勢，另一方面要重點(diǎn)分析一些關(guān)鍵的點(diǎn)和區(qū)域，對于一些反常的數(shù)據(jù)或是不合常理的現(xiàn)象要給與特別的重視。如在講解晶體的臨界形核半徑、原子集團(tuán)平均半徑和溫度間的關(guān)系時(shí)，首先分析兩者與溫度間的關(guān)系，然后將兩者合并到一個(gè)圖上，這樣就產(chǎn)生了一些交點(diǎn)，并將圖分成了幾個(gè)區(qū)域，分別交叉點(diǎn)和交點(diǎn)所分割的區(qū)域進(jìn)行分析，最終得到了三者清晰明了的關(guān)系。

在講到晶核半徑與自由能變化的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：晶核在形成過程中其自由能是增加的，這明顯的違反了熱力學(xué)定律，但在晶體降溫的過程中晶核確實(shí)是形成了。如何解釋這一現(xiàn)象？讓學(xué)生思考這一問題，并對學(xué)生進(jìn)行提問，加深學(xué)生的印象。最后提示學(xué)生前面講解液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一章中的內(nèi)容：在液體中不是一個(gè)晶核，而是由多個(gè)原子集團(tuán)組成，一個(gè)原子集團(tuán)如長大其自由能是增加的，但如果相鄰原子集團(tuán)的尺寸是減小的，其自由能是降低的，這部分降低的自由能就可能貢獻(xiàn)給了前面的原子集團(tuán)，使其能夠順利形成臨界晶核，這部分臨界晶核形成后再繼續(xù)長大，自由能大幅度降低，這部分降低的自由能，又可以貢獻(xiàn)給原來尺寸縮小的原子集團(tuán)，使他們也能夠迅速的達(dá)到臨界形核半徑，從而保證結(jié)晶過程的順利進(jìn)行。

4 讓學(xué)生部分成為課堂教學(xué)的主角，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性

為了改變課堂上老師照本宣科，課后學(xué)生死記硬背的教學(xué)模式，本人通過各種方法提高學(xué)生對課堂教學(xué)的參與度。前面介紹的啟發(fā)式教學(xué)即是一個(gè)十分有效的手段。另一個(gè)常用的方法即是將部分章節(jié)的課堂教學(xué)設(shè)想成學(xué)生的研究課題，讓學(xué)生從思想上參與到課堂教學(xué)中來，以此來提高學(xué)生課堂教學(xué)注意力的集中和課堂教學(xué)效果的提高。

如針對目前相當(dāng)一部分學(xué)生本科畢業(yè)后要進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)這一特點(diǎn)，假設(shè)“鑄件熱裂的研究”為學(xué)生上研究生后的研究論文題目，以此為主線來講授該部分內(nèi)容。

第一步是提示學(xué)生要進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，在此基礎(chǔ)上，提問學(xué)生如何切入該課題？提示學(xué)生從“熱裂”這個(gè)詞出發(fā)，可以從兩方面入手：熱和裂?！盁帷闭f明熱裂的產(chǎn)生是在較高的溫度下產(chǎn)生的。那么熱裂具體是在什么溫度下形成的？引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相圖進(jìn)行分析，將可能出現(xiàn)的熱烈溫度劃分為：固相線附近，低于固相線到共析線，共析線一下三個(gè)溫度范圍，讓學(xué)生考慮采用什么辦法來確定具體的溫度區(qū)間？

告訴學(xué)生在對一個(gè)問題進(jìn)行研究時(shí)，常用的三種方法：查資料；理論分析；試驗(yàn)。具體研究時(shí)可對這三種研究方法進(jìn)行對比，并確定最優(yōu)研究方法。在研究熱裂時(shí)，假設(shè)前人還沒有對鑄件的熱裂進(jìn)行過研究，此時(shí)可行的僅是采用試驗(yàn)的方法確定熱裂產(chǎn)生的溫度區(qū)間。

試驗(yàn)方法的確定也需要花費(fèi)相當(dāng)?shù)木Γ嬖V學(xué)生可以通過上網(wǎng)、向老師或師兄請教，或是到圖書館查資料等方法來確定試驗(yàn)手段，最后通過同學(xué)們的辛勤工作，找到并確認(rèn)了測量熱裂產(chǎn)生溫度區(qū)間的試驗(yàn)方法——X射線衍射照相方法。

試驗(yàn)方法確定后，進(jìn)行大量試驗(yàn)，并總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，將相關(guān)數(shù)據(jù)整理到到鐵碳相圖上，觀察后可以發(fā)現(xiàn)：“熱裂”出現(xiàn)在固相線上下。對于這個(gè)現(xiàn)象，具體分析時(shí)可能出現(xiàn)三個(gè)結(jié)論：熔點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下以及熔點(diǎn)上下均可出現(xiàn)。對于該結(jié)論應(yīng)該如何再進(jìn)一步深入的分析？

提示相圖中的固相線是在什么條件下得到的？平衡條件！鑄件的實(shí)際凝固條件是什么樣的？非平衡，結(jié)果是金屬的實(shí)際熔點(diǎn)有可能下移。在提示學(xué)生除了冷卻速度，還有什么會(huì)對熔點(diǎn)造成影響？結(jié)論是化學(xué)成份。如果在金屬中存在低熔點(diǎn)元素，會(huì)出現(xiàn)什么情況？金屬熔點(diǎn)被大大壓低。這樣就可以通過重點(diǎn)研究在遠(yuǎn)低于固相線溫度出現(xiàn)熱裂的鑄件的化學(xué)成分來確定熱裂產(chǎn)生的結(jié)晶區(qū)間。通過測量化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)在這些鑄件中，大量存在可形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素：硫磷等，結(jié)果導(dǎo)致熱裂產(chǎn)生溫度大大降低，但熱裂的出現(xiàn)溫度還在完全凝固之前。

最終可以得到如下的結(jié)論：“熱裂在固相線溫度以上出現(xiàn)，即凝固沒有完全結(jié)束的時(shí)候產(chǎn)生！”

試驗(yàn)結(jié)果出來后，說明研究取得了階段性的成果，可以慶祝一下，或許還能得到導(dǎo)師的表揚(yáng)，并有可能完成一篇學(xué)術(shù)論文發(fā)表。但科學(xué)研究是無止境的，對熱裂的研究馬上就面臨下一個(gè)問題：熱裂為什么會(huì)“在凝固沒有完全結(jié)束的時(shí)候產(chǎn)生”？對這個(gè)問題怎么著手進(jìn)行研究？

讓學(xué)生簡單思考后，提示學(xué)生裂紋是怎么產(chǎn)生的？前面從“熱”進(jìn)行了分析，另一個(gè)特點(diǎn)是：“裂”。之所以出現(xiàn)裂，是因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度極限低于所受的應(yīng)力，因此完全可以以此入手對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究--應(yīng)力和強(qiáng)度。

應(yīng)力方面，由于靠近固相線，所以在鑄件中已經(jīng)形成金屬骨架，因此有可能產(chǎn)生應(yīng)力，但由于金屬處于塑性狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)該非常小，此時(shí)要出現(xiàn)裂紋，金屬的塑性和強(qiáng)度也應(yīng)該非常低。具體情況是不是這樣的？

首先以鋁銅合金為例，采用試驗(yàn)方法確定金屬材料的高溫塑性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在固相線附近，合金的塑性和強(qiáng)度均非常低，接近于零，說明只要有應(yīng)力就可能出現(xiàn)裂紋。此時(shí)距離研究的成功又近了一步！

在此基礎(chǔ)上，又向?qū)W生介紹了鑄造作為一門應(yīng)用型的學(xué)科，可以借鑒其他學(xué)科的研究程果，提示學(xué)生除了進(jìn)行試驗(yàn)，查資料也是一個(gè)十分有效地研究手段：通過查資料，也可以得到與前面試驗(yàn)結(jié)果相近的結(jié)論，并將這兩種方法進(jìn)行對比，說明查閱文獻(xiàn)事半功倍的作用，是一個(gè)站在巨人肩膀上的方法。

將整個(gè)研究總結(jié)一下：在金屬形成晶體骨架后，繼續(xù)冷卻金屬骨架收縮，出現(xiàn)應(yīng)力，由于此時(shí)的高溫強(qiáng)度非常低，塑性非常差，相當(dāng)于一碰就碎，因此采用強(qiáng)度理論可以很好的解釋熱裂的產(chǎn)生。

到了這一步，可以進(jìn)行研究生論文的寫作了！以幽默的口氣告訴學(xué)生，寫出來的論文肯定可以得到優(yōu)秀論文的榮譽(yù)！將整個(gè)論文整理一下，可以在高質(zhì)量的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表幾篇高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文。最后，通過一些實(shí)例說明如何妙筆生花，使論文上升層次。如前面提到：“鑄件熱裂是在固相線以上即凝固完全結(jié)束前產(chǎn)生的”，這句話在論文寫作中非常拗口，同時(shí)也不十分準(zhǔn)確，怎么辦？可以引入一個(gè)新的名詞：“有效結(jié)晶溫度區(qū)間”，其定義為：“在溶液中形成晶體骨架的溫度區(qū)間，上限為線收縮開始的溫度，其下限為凝固結(jié)束的固相線溫度”。引入該名詞后，即可將試驗(yàn)結(jié)果表述為：“熱裂是在有效結(jié)晶溫度區(qū)間”產(chǎn)生的，既清晰簡練，同時(shí)也提高了論文寫作的檔次。

為了進(jìn)一步開闊學(xué)生的思路，在本章的教學(xué)中，又向?qū)W生提出了這樣一個(gè)問題：根據(jù)強(qiáng)度理論，由于金屬材料的高溫強(qiáng)度非常低，塑性非常差，在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄件應(yīng)該大量出現(xiàn)熱裂，但現(xiàn)實(shí)是鑄件只有在一些特殊的情況下才會(huì)出現(xiàn)熱裂，理論和實(shí)踐之間為什么會(huì)出現(xiàn)這一問題，說明強(qiáng)度理論本身存在一定的缺陷。在此基礎(chǔ)上引出了分析熱裂的另外兩種理論：“液膜理論”和“裂紋形成功”理論，這兩種理論較好的克服了前述強(qiáng)度理論的不足，讓學(xué)生理解學(xué)術(shù)研究的百家爭鳴和百花齊放的特點(diǎn)。

5 結(jié)合課堂教學(xué)，適當(dāng)類比介紹相關(guān)社會(huì)現(xiàn)象，提高課堂教學(xué)的趣味性

在課堂教學(xué)中，適當(dāng)類比介紹一些社會(huì)現(xiàn)象，可以有效地提高課堂教學(xué)的趣味性。如在講解晶體凝固這一部分基礎(chǔ)理論時(shí)，與諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)時(shí)間基本一致，在諾貝爾獎(jiǎng)公布的時(shí)間介紹由于研究晶體而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家，并提示學(xué)生諾貝爾獎(jiǎng)距離我們并不遙遠(yuǎn)，希望在他們之中也能出現(xiàn)中國的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。再者如講到柱狀晶的生長時(shí)，提出“物競天擇，適者生存”這一自然界的法則，在自然科學(xué)的研究中也是適用的，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生好好學(xué)習(xí)，以免被社會(huì)所淘汰。另外在講解前面提到的形核過程中自由能的變化違反熱力學(xué)定律時(shí)，最后將該理論與鄧小平的“讓一部分人先富起來，然后共同致富”的理論進(jìn)行對比，說明鄧小平理論在現(xiàn)實(shí)中的可行性以及社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)之間的聯(lián)系。在講課的過程中還插入了中國古代科技著作如《天工開物》，《演繁露》、《齊民要術(shù)》、《夢溪筆談》的內(nèi)容，將現(xiàn)代科學(xué)與古代文明結(jié)合起來。這些都調(diào)動(dòng)了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性。

6 結(jié)論

在課堂教學(xué)過程中，通過上述一些教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)鑄造課程的積極性，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問題的能力，達(dá)到了提高課堂教學(xué)效果的目的，得到了學(xué)生的歡迎和好評(píng)。

［1］張琳.對于提高《鑄造設(shè)備》課程教學(xué)質(zhì)量的思考［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2013（3）：50-52.

［2］王再友，柳秉毅.應(yīng)用型本科院校鑄造技術(shù)人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐［J］.鑄造技術(shù) ，2014，35（2）：366-368.

［3］陳忠孝.鑄造教學(xué)中的“思維教學(xué)法”［J］.機(jī)械職業(yè)教育，1995，112（5）：24.

［4］張文達(dá)，楊晶.案例教學(xué)法在鑄造工藝學(xué)課程中的應(yīng)用［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007，23（1）：184-186.