崔雪鴻 龔冠華 李光豐

摘 要：在新工科建設背景下，焊接技術作為推進工業(yè)發(fā)展的一個重要技術環(huán)節(jié)，也必然需要進行不斷的革新。為了培育大量具備實踐動手能力和勇于創(chuàng)新精神的高級專業(yè)人才，教學上合理優(yōu)化課程內容、豐富教學手段、推廣虛擬仿真模擬實踐、增加實踐環(huán)節(jié)的趣味性，本項目將開放性實踐課程設置與工業(yè)上的案例項目實例、教師的課題研究相結合，加強校企合作、共建校企聯合實踐基地，對課程考核環(huán)節(jié)進行優(yōu)化調整，致力于培養(yǎng)出新一代建設中國特色社會主義接班人。

關鍵詞：焊接；教學實踐；虛擬仿真

中圖分類號：TG4；G642.0? 文獻標識碼：B

1 概述

“新工科”是對傳統(tǒng)工業(yè)的升級改造轉型，為了積極應對新一輪工業(yè)革命，新興產業(yè)需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、自主學習能力強、多樣化和個性化的“新工科”人才［1］。焊接作為一種先進的加工生產技術，已廣泛地應用于機械制造各行業(yè)。焊接技術在推進工業(yè)日益進步和產品技術銳意改革以及推動國民經濟蓬勃繁榮過程中都發(fā)揮著重要作用。伴隨著新興工業(yè)的發(fā)展，它逐漸從單一的加工工藝演變成為一種涵蓋多學科交融綜合的工程技術。

調研結果顯示，企業(yè)要求學生不僅具有焊接操作技能、焊接工藝設計能力、焊接設備的使用和維護等能力，此外還要求其具備金屬材料科學與工程等方面的知識，能在工件材料、工件設計、焊接材料、焊接技術和焊接生產流程及自動智能化領域從事研究開發(fā)、工藝設計、質量檢測分析、設備管理和經營生產等工作?！昂附永碚摶A”課程是金屬材料工程專業(yè)的重要核心課程之一，需要以“材料科學基礎”“機械設計”“材料力學”“物理化學”“熱處理工藝”及“電子電工”課程為前期鋪墊，后期以“焊接結構”“釬焊”“無損檢測”等課程為延伸拓展。為了培育大量具備實踐動手能力和勇于創(chuàng)新精神的高級專業(yè)人才，教學上應該做到既要注重基礎知識的傳授，也要加強對學生創(chuàng)新意識的引導，多增加動手實踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學科內的基本技能。合理優(yōu)化課程內容，豐富教學手段，推廣虛擬仿真模擬實踐，增加實踐環(huán)節(jié)的趣味性，讓教學過程不再枯燥乏味。將開放性實踐課程設置與工業(yè)上的案例項目實例、教師的課題研究相結合，開展科研興趣小組，進行科研創(chuàng)新，把選課、課程實踐、專業(yè)訓練和畢業(yè)設計相統(tǒng)一，形成“理論基礎體系、應用基礎體系、專業(yè)訓練體系、科研創(chuàng)新體系”的有機結合。

2 教學中存在的問題

在“焊接理論基礎”課程教學中，出現了一些非常具有代表性的問題。

2.1 課時不足

培養(yǎng)方案修訂過程中本課程從開設之初的64課時壓縮至54課時，再調整到現今為40+8課時，而且課程內容中理論知識和技術參數較多，學習起來比較枯燥。目前教材選用的是《焊接冶金學——基本原理》（杜則裕編著），教參和輔助教材較少，焊接前沿相關知識更新較慢。

2.2 實驗課時占比不足且實驗種類單一

本課程實驗課時為8個課時，設立的課程實驗均為驗證性實驗，實驗中所用鋼種基本都是低碳鋼，與市場實際需求產生了失配。

2.3 實驗設施不足

可以用于實驗教學的設備和工位較少，實驗環(huán)境比較惡劣，存在強光、噪音、紫外線、煙塵污染，配套的實驗防護用品不足，導致實驗過程中也存在一定的安全隱患，從而導致了焊接人才的流失，達不到原本的培養(yǎng)目的。

2.4 學科相關宣傳和引導工作不到位

學生自身觀念存在誤區(qū)，在傳統(tǒng)觀念上焊接技術人員經常會與體力勞動或“臟苦累”畫上等號，導致很多學生在動手實踐過程中存在抵觸情緒。

3 教學改革措施研究與探索

進行教學改革應該從教師自身開始轉變，優(yōu)化教學思路、引進新的教學理念和教學方法。按照傳統(tǒng)的教學方式，備課—講課—復習—批改作業(yè)—考試看起來貌似完成了教學任務，但是在教學過程中如果照搬課本內容進行講授就會很枯燥，學生注意力無法集中，會失去學習主觀能動性。如果增加拓展焊接知識，就會使課時延長，無法如期完成教學計劃。因此在優(yōu)化教學內容的過程中，教師不光要有“反思”更要有“行動”，只有二者相互結合才能更好地完成真正意義上的教學內容優(yōu)化。教師在備課和教學中應該認真思考教學目標的目的，有意識地圍繞教學目標來改善教學途徑，豐富教學質量檢測手段，對教學全程做出精細化管理，從而提高課堂教學效果。本項目遵循了以下五個原則：把握學科重點、緊跟時代發(fā)展、化枯燥為生動、注重結合實踐、加強引導激勵，分別對應了教學內容優(yōu)化、教學手段改革、實踐環(huán)節(jié)改革、考核環(huán)節(jié)改革以及融入課程思政教育。

3.1 教學內容優(yōu)化

3.1.1 制訂優(yōu)化教學方案

在優(yōu)化教學方案的過程中，首先熟悉和貫徹執(zhí)行教學大綱，其次深入研究教材，根據教材內容的內部邏輯聯系來制定教學重點。但是不能忽略學生在作為教學對象的同時也是教學的主體，作為教師，我們必須全面了解學生的情況。教材中的一些基礎知識（如熔池凝固、固態(tài)相變、熔渣化學冶金反應和焊接溫度場等），這一類教材中的基本概念、基本原理、基本定律和公式等內容是必須要求全員掌握的知識，在教學過程中必須將其作為重點，并采用“由淺入深、循序漸進”的教學方式進行講授。而對于一些學科內的基本技能（如焊接缺欠與焊接缺陷的評級方法、超標缺欠的返修工藝、形成氣孔的影響因素及防止措施等），也就是應用基礎知識去完成某些實驗或實踐操作的能力，對于不同基礎的學生來說是不能同步達到理想教學效果的，但恰好這類基本技能是在我們學科學習中最需要重視和掌握的。因此，在教學過程中，我們應該結合學生的實際情況，有針對性地增加部分學生的參與練習、實踐的機會或調整部分學生參與練習、實踐的方法方式，以達到更好的教學效果。

3.1.2 教學內容更新和補充

現代焊接技術最早出現在19世紀末，是一種以加熱、加壓或者二者并用的方式形成永久性接頭的連接技術。焊接技術的發(fā)展史基本上也是焊接新型熱源的開發(fā)研究發(fā)展史，從最早的弧焊、氧炔焊、電阻焊到20世紀早中期的手弧焊、埋弧焊、電渣焊，再到20世紀下半葉新型的超聲波焊、摩擦焊、爆炸焊、激光焊、太陽能焊和電子束焊接。“新工科”背景下，焊接技術走向高精度、高智能化、高自動化和高速高效節(jié)能化。比如，微型焊接在微電子工業(yè)的應用；水下特種焊接在石油化工、鉆井平臺、船舶業(yè)的應用；空間特種焊接技術在航空、航天行業(yè)的應用；焊接機器人在汽車制造業(yè)自動生產流水線上的應用；焊接工件從傳統(tǒng)黑色金屬、有色金屬拓展到陶瓷材料和復合材料。焊接知識的學習也應該相應的更新迭代，在教學內容中補充最新研究成果，增加工程實例講解，引導學生關注焊接新工藝、新設備，保證教學內容的新穎性和先進性，這樣不僅能夠提升學生的學習興趣，還能挖掘學生自主學習的動力［2］。如本課程選取的案例：遼寧艦上國產的飛機攔阻索，增進了民族技術自信和自豪感；為火箭焊接“心臟”的航天特種熔融焊接大國工匠高鳳林，體現了為國奉獻的大無畏精神；港珠澳大橋獲得了國際焊接學會“Ugo Guerrera Prize”獎，這是國際焊接的最高獎項。焊接技術采納了機器人焊接、免涂裝特種鋼焊接等，體現了我國先進自動化焊接水平，為我們焊接領域起到了示范引領作用?；钌陌咐詡魃斫瘫日毡拘菩聘苷鸷承撵`，由講知識到樹立、實現理想，于細微處見大道，養(yǎng)成正確的愛黨愛國愛民的人生觀、價值觀、世界觀［3］。

3.2 教學手段改革

在大眾認知中，焊接行業(yè)一直都貼著“臟苦累”的標簽。在進入實驗環(huán)節(jié)后，比較惡劣的實驗環(huán)境就阻止了學生深入學習的熱情。為了達成提升學生的學習興趣、改善實驗教學成效目標，教師引入虛擬仿真焊接教學手段，部分取代實際焊接操作，利用互聯網軟件模擬和設備模擬焊接過程中的熱循環(huán)曲線、焊縫成形效果、應力分布圖，各種材料在不同焊接過程中獲得的金相組織和構成、不同焊接參數對焊后質量評估。通過采用仿真模擬教學，可以達到如下效果：（1）緩解設備使用壓力，改善教師人員與學生配備比例。傳統(tǒng)的實驗操作中，基本上要采用一對一的講解模式，從而設備和師生比壓力都非常大。引入仿真虛擬實驗，實現了師生間點對面的指導與考核，提高了教學效率，同時削減了焊接材料的消耗和對環(huán)境的污染。此外，仿真實驗中可以彌補一些高成本先進設備的空缺，如自動焊、激化焊、電子束焊和焊接機器人等，使學生能在虛擬環(huán)境下學習新型焊接技術。（2）改善學生焊接操作體驗。由于焊接過程中存在強烈弧光，需要操作者全程佩戴面罩，操作者難以觀察熔池狀態(tài)，如熔池大小，液態(tài)金屬流動攪拌狀態(tài)、熔池位置是否出現偏移；同時給掌握操作要領帶來難度，如平焊中的引弧、運條、收弧操作。采用虛擬仿真實驗，排除了強光干擾，有利于教師講授分析焊接原理和學生反復熟練操作，提高了教學效果。（3）提高安全性。焊接過程中難以避免高溫飛濺、強烈弧光、煙塵和紫外線污染，學生在進入實驗室后，盡管指導教師屢次強調安全問題，仍有可能發(fā)生實驗事故。在經過仿真虛擬實驗預先培訓后，降低了一些操作事故的發(fā)生；引入互聯網網上教學，解決無法進行線下教學的特殊情況。如運用國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺資源，本課程就利用了其中的浙江師范大學的大型鋼結構多機器人協同焊接控制虛擬仿真實驗線上課程和哈爾濱理工大學的典型壓力容器的焊接生產制造過程虛擬仿真實驗線上課程。

3.3 實踐環(huán)節(jié)改革

3.3.1 縮減原有驗證性實驗比例，增加創(chuàng)新性和設計性實驗

實驗內容可結合工程實踐，基于工程實際案例，著重培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識［4］。實驗內容也可以是教師科研成果或科研項目向實踐教學的轉化，引導學生參與指導教師的科研項目和課題，融合各項交叉實驗內容，綜合體現在學生的畢業(yè)論文工作中。增補多種材料焊接方法和焊接技能培訓，如焊接機器人的編程操作，不銹鋼同種或異種焊接、鋁銅合金焊接，材料不再局限于低碳鋼，焊接方法也更多樣化。同時繼續(xù)推進開放式實驗，鼓勵學生根據市場需求自行選擇實驗課題，開展設計性實驗，大大提高了開放實驗室的設備利用率。同時為了緩解開放性實驗帶來的經費壓力，鼓勵組織學生參加各項大賽［5］。本項目實踐實施中就獲得了兩項國家級和一項區(qū)級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，以賽促學，以賽促教，讓學生參與焊接技術創(chuàng)新，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、團隊協作、焊接操作與工程能力，提高科研素養(yǎng)。

3.3.2 加強校企合作

從企業(yè)中吸納專業(yè)熟練的技術操作人員來校授課講解，高校教師深入企業(yè)內部調研，扎進生產第一線［6］，進行輪崗掛職，全面提升師資力量，建設“雙師型”專業(yè)教師隊伍。利用企業(yè)的設備和技術優(yōu)勢、改善實踐教學條件，共建校企聯合實踐基地，聯合企業(yè)開展項目式教學，一方面提升學生實踐綜合能力，另一方面可以將產業(yè)鏈中存在的實際問題作為教學研究內容，能切實解決企業(yè)技術開發(fā)關卡和生產難題。

3.4 考核環(huán)節(jié)改革

為適應配合焊接教學改革，考核環(huán)節(jié)也進行了相應的調整。對于教學改革而言，作業(yè)既是一次教學全流程的最終環(huán)節(jié)，也是考核教學質量的重要指標。相對比一堂課中教與學的案例分析研究，一份作業(yè)完成情況的案例分析更能夠體現教師的教育觀念、教育過程以及教育成果。因此，在考核環(huán)節(jié)中加大了平時成績的比重，通過學生每次作業(yè)完成情況，來檢驗學生知識掌握程度，同時也檢驗教師的教學質量情況。本課程在實踐考核環(huán)節(jié)增加了焊接結構設計，集中進行載人承重展示，極大地增強了挑戰(zhàn)性和趣味性。增加階段性考核環(huán)節(jié)，按照焊接知識脈絡構成分版塊考核學生掌握理論知識和實踐的能力，如在焊接結構缺陷分析時，綜合理論和樣品實際測試分析對比。如右圖所示，焊接缺陷少的樣品即使經過長時間錘擊測試，樣品彎曲變形，但是焊縫處并未脫焊，而有些樣品卻直接發(fā)生了脫焊。在期末考試中，壓縮甚至取消了客觀題型，以綜合應用的主觀題型為主，加入融合性試題或實際案例分析設計，檢驗學生綜合運用能力。

焊接樣品錘擊測試圖

結語

經過近三年的改革探索實踐，學生的主觀能動性、團隊合作意識有所改善，焊接設備利用率提升，焊接課程教學效果良好，學生從事焊接行業(yè)的認同感和意愿增強。同時教學相長，教師能不斷地提升自身綜合教學能力，新的教學模式展現出優(yōu)秀的應用前景。

參考文獻：

［1］徐震霖，方俊飛，楊磊，等.新工科背景下焊接技術與工程專業(yè)實驗實訓教學改革［J］.科技視界，2021（05）.3536.

［2］許惠斌，伍光風，楊棟華.課程焊接冶金學教學內容改革探索［J］.山東化工，2017（20）：152153.

［3］費蘭蘭.“大思政”格局下高校實踐育人模式的探索與實踐［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2023（05）：8285.

［4］岳麗杰，曹梅青，夏鵬成，等.金屬材料專業(yè)的焊接實踐課程教學改革［J］.中國現代教育裝備，2020（01）：6164.

［5］高黨尋，姚啟明，彭世廣，等.焊接實踐教學改革的實施路徑探析［J］.湖北理工學院學報，2021（04）：6568.

［6］潘婷婷.“1+X”制度下計算機應用技術專業(yè)（大數據方向）協同育人培養(yǎng)模式［J］.科技風，2023（12）：5052.

基金項目：2019年廣西民族大學教改項目（2019 XJGY41）；2022年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2022KY0150）

作者簡介：崔雪鴻（1984— ），女，湖北黃岡人，博士，廣西民族大學材料與環(huán)境學院副教授，主要從事金屬材料加工工程研究。