基于网络教学平台和数值模拟技术的《焊接结构》教学改革

胥国祥，胡庆贤，刘 川，刘 彬，朱 杰，王俭辛

(江苏科技大学 材料科学与工程学院,江苏 镇江 212003)

作为一项极其重要的材料加工技术，焊接被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、军工、压力容器、家电等工业制造领域，其中涉及大量焊接结构件。而研究焊接构件力学行为并以此评价其安全性能是保证及提高其设计、制造水平的关键前提[1-2]，直接影响到产品的最终质量。因此，《焊接结构》课程成为焊接技术专业学生必须学习的核心专业基础课，其教学目标是要求学生掌握焊接应力变形、接头强度及断裂等基础理论知识及相关检测手段和评定方法，能够依据工程要求及相关理论知识进行典型焊接结构的设计，并提出相应的焊接施工解决方案；该课程同时具备很强的理论性、实践性和应用性，对学生专业知识及实践技能的培养具有重要作用。但《焊接结构》课程涵盖内容较多，且涉及多学科理论；同时，焊接应力变形等课程核心概念和机理抽象性很强，采用传统教学方法难于讲授清楚，从而使得部分学生无法全面、准确地对其理解，继而难以真正将所学焊接理论用于生产实践，导致理论知识与实践技能的严重失衡，阻碍了学生的再学习能力和创新能力。此外，目前工科院校普遍开始压缩专业课程学时，江苏科技大学材料学院(简称我院)已将《焊接结构》课程学时由40学时减少至32学时，进一步增加了教学难度。因此，《焊接结构》课程教学理念和方法的改革迫在眉睫。本文依据我院焊接技术专业课程体系、学生毕业能力培养目标及本人教学经验，借助网络平台和数值模拟技术，在《焊接结构》课程教学改革方面作积极探索。

1 《焊接结构》课程教学现状

《焊接结构》课程内容繁杂、覆盖面广，包括焊接热场、焊接应力及变形、接头性能、脆性和疲劳断裂、安全评价及结构设计等，且涉及多学科知识；其中，焊接应力变形是整个课程的理论支撑点，其他章节的学习都以此为理论基础。尽管《焊接结构》基础理论知识点相对较少，但要求必须对其理解全面、深入、准确。《焊接结构》课程理论认知要求高、实践应用性强，目前虽已开展一些教学改革研究，但仍存在如下问题：

1.1 理论教学枯燥难懂

焊接应力变形、接头强度和断裂等基础理论抽象性强，且对学生理论力学、材料力学等方面的知识储备要求较高，而力学恰恰是很多学生的短板。当仅依靠教材内容或仅借助少量示意性图片、动画及实物，采用传统的抽象推理方式授课时，相当部分学生感到理解吃力，缺乏兴趣，学习主动性很低，只能死记硬背基本结论，考试结束后又迅速遗忘，无法真正达到教学目的。

1.2 教学内容多而不精

《焊接结构》课程授课学时相对较短，但知识点较多。按目前教学理念，授课过程中仍以教师为主体，过于强调传授专业知识的完整系，而忽略了学生的接受能力；对所有教学内容几乎平均用力，重点不够突出；同时受课时限制的影响，对于很多现代教学方法和手段(如启发法、有限元模拟等)也是浅尝辄止、蜻蜓点水，最终导致学生学习《焊接结构》课程时无法抓住核心重点，学习过程如同走马观花，对理论及实践内容都理解不深、掌握不牢。此外，教材中的部分教学内容较为陈旧，缺乏前沿技术的介绍；例如热过程章节中对于温度场解析计算的介绍较多，且多为数理方程的公式推导，晦涩难懂；而对于目前应用更为广泛的有限元分析法及温度场分布实例涉及不多，不利于学生对焊接瞬态热场特征的理解，继而影响学生对焊接应力变形等核心基础的掌握。

1.3 理论与实践脱节严重

首先，由于部分学生未能真正掌握焊接应力变形等核心基础理论，无法将其用于实践指导；其次，教师在授课过程中，没能将理论知识与实践有机统一，两者内容相对割裂；同时，在案例分析时没有结合企业的实际生产背景(如生产成本要求、质量要求及企业的技术限制等)，导致学生毕业后发现部分企业所用焊接工艺与教材完全相反，从而产生疑惑和思维混乱。最后，为了便于学生理解和适应课堂教学，《焊接结构》教材涉及焊接应力变形等机理内容时是往往选用极为简化的焊件结构(如杆状结构或平板单到熔透对接件等)作为实例；而实际生产中焊接构件相对复杂，无法通过抽象推理直接将简单构件的应力变形特征直接应用于复杂构件；而教材中又仅给出案例构件的最终应力和变形状态，极少涉及加工过程的讲解。对于结构设计、实例分析等实践性内容，尽管学生学习积极性相对较高，但更多是获得经验性结论，难于从理论角度对学习内容进行理解，易造成学生在实际工作中生搬硬套书本知识或仅能对学习过的案例进行处理，影响再学习及创新能力。

2 基于网络化平台及数值模拟技术的教学改革

2.1 网络化平台及数值模拟技术的特点

目前我院已大力开展网络教学平台建设，借助“互联网+”技术，弥补课堂教学不足，努力提高教学水平。而基于网络教学平台后的《焊接结构》课程教学具有如下特点：

2.1.1 增强交互行为

网络化平台进一步强化和便利了老师与学生、学生与资源以及学生与学生之间互动行为。教师可以方便、及时地安排教学计划、检查学生作业、获取教学效果反馈等[3]，学生在课下自主学习时则可以及时获得教师的指导、丰富的教学资源，且易于实现同学之间的协作和探讨；网络化学教学平台为教师和学生创造了一个交流方便、反馈及时、形象生动的学习环境。将学生网上的自主、协作学习与课堂教学有机地结合，有助于优化教学效果。

2.1.2 拓展教学时间

网络平台拓展了教学的空间和时间，可有效解决《焊接结构》知识点繁多而学时不足的问题；而且时间的掌握相对自由，通过视频、在线讲解、互动等方式，进一步强化学生对课堂教学重点的理解，同时还可对课堂无法涉及的内容进行补充讲解，在突出重点的同时，兼顾教学内容的完整性、前沿性。

2.1.3 整合教学资源

基于教材编制、出版周期的限制，《焊接结构》课程教学内容更新相对滞后，部分内容相对陈旧，已不适应焊接专业及企业需求的发展；例如我院《焊接结构》课程实验题目仍为《线能量对焊接堆焊应力变形及热影响硬度影响》，接头形式及应力检测方法在实际生产过程中应用较少，且线能量等术语也不再符合最新焊接专业术语标准。相较于教材内容，网上教学资源实时性较好、丰富生动，能够同时满足基础理论知识讲解和专业前沿知识普及的要求。目前关于《焊接结构》课程网络教学资源的获取渠道相对较多，如精品课程网、微课视频网、小木虫及其它相关教学和课程资源论坛、学术期刊网、技术标准网等；充分利用基于"互联网+"技术的网络化教学平台，有机整合网上教学资源，及时更新教学内容；在解决《焊接结构》教学难点的同时，拓展学生思路和视野，促进学生自主学习与创新能力的培养。

而对于数值模拟技术，其计算结果与普通示意性图片、动画不同，其结果可接近真实地描述构件焊接热场、流场、应力及变形的三维瞬态演变过程[4]，其优势如下：

2.1.3.1 抽象理论及案例的可视化、形象化

如上所述，作为《焊接结构》课程的核心理论基础，焊接应力变形概念和理论抽象强，学生理解吃力；同时，典型案例焊接结构相对复杂，难于直接利用理论知识准确、全面分析其焊接过程中的应力和变形分布。而焊接数值模拟技术则将这一抽象过程可视化，通过彩色云图、分布曲线、视频等方式可形象展示焊接时整体构件及任意截面和任一点的应力变形动态行为特征，有助于学生对抽象理论知识的感性认识。依据以往教学经验，本人认为案例分析的可视化对于学生实践技能的培养、理论知识的再理解极其关键，非常有利于促进培养学生利用理论知识指导实践生产的能力。针对《焊接结构》课程，可基于SYSWELD软件(或ANSYS软件)，建立典型接头和典型结构(如对接接头、T型接头等)温度场、应力变形及断裂过程的三维有限元数值分析模型，在课堂或网络授课时协助机理讲解和案例分析。

2.1.3.2 授课内容趣味化、生动化

《焊接结构》课程涉及力学知识较多，内容枯燥无味。数值模拟结果则使抽象内容变得形象化、具体化，并可提高学生对教学过程的参与度。在课堂或网络平台学生与老师或学生之间讨论过程中，学生利用远程控制技术调用焊接实验室高性能工作站计算程序直接对感兴趣的或有争议的焊接方案进行快速模拟演示；基于丰富生动的模拟结果，学生可直观检测、分析不同工艺对焊件应力、变形及接头性能影响，使得教学过程生动、有趣，进而增强了学生学习的兴趣和主动性。

2.2 教学改革措施

充分发挥网络平台及数值模拟技术的优势，并结合工程教育专业认证要求，在教学理念及内容、教学方法、评价机制等方面对《焊接结构》课程进行改革。

2.2.1 教学理念及内容

(1) 教学过程中要突出学生主体作用，紧扣学生毕业能力培养这一核心任务，利用多种教学手段，努力激发学生学习热情，提高其学习主动性；成绩评定注重对培养学生关键毕业能力所需知识掌握深度和广度的考核，而非一味追求专业知识体系的完整系。

(2) 在有限学时内，课堂授课要进一步"突出重点、强化核心"，加强关键理论和案例的深入讲解和讨论；基于网络平台，通过老师引导及学生的自主学习，横向拓宽学生知识体系。

(3) 基础理论及案例分析内容在保证认知深度的同时，更加注重其实际应用背景及范围，同时兼顾专业发展前沿，及时更新教学内容，增强学生毕业后的适应性及自学和创新能力。如对于应力检测章节，在讲解小孔法测量应力机理的同时，还应对其技术局限、目前企业应用情况进行说明；此外，该章节应加强对X射线等企业应用越来越普遍的先进无损检测方法的介绍。

2.2.2 教学方法

结合网络平台和数值模拟技术特点，在授课过程中灵活采用多种现代教学方法，本文重点阐述启发式和案例交互式教学方法，转变传统以老师为中心的教学思路，突出学生中心地位，紧紧围绕学生毕业能力培养这一中心任务开展教学活动。

2.2.2．1 启发式教学方法

启发式教学主要通过演示、讲解、诱导、对比、问答讨论等方式增强学生对所学知识的兴趣，充分调动其学习的主动性。在讲解新知识时，首先通过数值模拟结果演示，以激发学生的好奇心；焊接构件丰富多彩、生动形象的可视化加工过程，可极大调动学生学习的热情；然后在对知识进行讲解，并诱导学生联系过去所学内容，增加学习的连贯性，便于学生对新知识的接受；同时通过对比的方式启发学生，加深学生对所学知识的认知，使所学内容具有强烈的层次感；同时在课堂授课时，通过提问、讨论等方式，诱导并启发学生的独立思。例如在讲解预拉伸法对焊接应力变形影响规律和机理过程中，通过预拉伸前后结构件应力变形数值模拟结果进行对比展示，强化对所学内容的差异、感性化认识；进而从应力变形产生机理角度，对其过程进行讲解，并通过直接引导或提问的方式加速学生对前期所学知识的联想；再通过老师与学生、学生与学生之间的提问讨论，加深对所学知识理解和认识。而这种教学过程，可通过网络化平台延伸到课下，弥补课时不足的问题，学生还可通过网络平台获得更多预拉伸工程应用实例或者通过远程控制利用模拟软件直接对自己感兴趣拉伸规范进行模拟演示，使学生全面、准确掌握预拉伸措施的机理、优点、适用条件等。

3.2.2．2 案例式教学方法

对于案例法教学，案例选择要同时兼顾真实性、典型性、合理性[5-6]；教学过程中所采用的工程案例或结构必须是生产实践中真实存在的，且能够重点体现所学理论知识的实际应用，有力支撑课程目标的完成；同时案例应充分考虑学生的知识储备及接受能力，不能过于复杂，要难度适中，避免打击学生学习的积极性。此外，案例选择时也要突出一定的行业性、前沿性，从而利用学生毕业后能够更快地参与实际生产和科研工作。鉴于江苏科技大学的船舶行业背景，较大部分焊接专业学生毕业后将进入船舶制造领域，故在选择案例时体现船舶结构，如船板平焊、船舶箱体焊接等，同时其它案例选择要紧贴汽车、压力容器、钢结构、航空航天等焊接专业人才需求量大且焊接质量要求较高的行业。

在实际案例教学过程中，充分利用数值模拟技术可视化和网络平台便利化的优势，借助理论与实践结合案例教学、典型结构案例教学、任务驱动案例教学等方法提高学生的学习主动性，实现理论和实践教学的有机融合。例如，通过T型接头焊接热应力和残余应力及变形模拟结果，重点讲解热应力和残余应力的相关性及分布特征的区别以及不同焊接参数对应力、变形的影响，帮助学生理解应力及变形的概念及产生机理；利用框架等典型焊接结构，则重点增强学生的实践认知。此外，对于任务驱动案例教学，则由老师提前布置案例题目(如通过优化焊接和装配顺序、接头形式等方式控制船舶矩形箱体结构或甲板GMAW焊接变形等)，学生课前通过查阅文献资料以及小组讨论，依据相关焊接理论提出工程解决方案；在授课时，以学生为中心，老师做适当引导及讲解；基于模拟计算结果，通过视频、图片、动画等方式对学生提出的不同方案进行形象、直观、真实地比较、论证；从学生认知及兴趣角度出发，探讨不同焊接方案的优劣，使学生感性认识抽象理论知识在实践中的应用。

2.2.3 成绩评定

基于“以学生为中心”的教学理念，课程考核综合考虑学生对理论知识的认知能力、应用所学知识分析和解决问题的能力、自学及创新能力、交流表达能力等方面，突出对学生毕业能力和课程目标完成度评价。《焊接结构》综合成绩由平时成绩(30%)、实验成绩(20%)和考试成绩(50%)等三部分按照相关权重构成，三者满分均为100分。平时成绩主要考核学生的出勤、课堂或网络平台表现情况、作业完成情况等方面；其中，课堂或网络平台表现主要针对学生课前预习、课后复习的主动性、课堂或网络平台回答问题、参与讨论的积极性以及创新思维和语言表达能力等情况进行评定；网络教学平台使得教师有机会对所有学生进行直接考核。实验成绩主要从预习报告，实践操作过程、实验报告、汇报答辩过等四个方面对学生进行评价；其中，增强对方案制定、技能操作及答辩过程的考核，四者的成绩权重分别为20%、30%、30%和20%，以加强理论知识应用、实践技能及表述交流能力的培养。此外，要求学生在平时自学、课下讨论及实验过程中尽量通过网络教学平台完成相关资料的查询及实验方案的制定，并网络提交小组讨论纪要，便于老师与学生的互动以及对学生学习痕迹的查询、验证。而考试为闭卷形式，时间为120分钟，内容包含主要基础理论概念、基于理论知识的案例分析及结构设计和焊接方案的制定等三部分，其权重分别为30%、40%和30%。案例分析考察学生运用知识的能力，主要分为两部分：一是给出典型接头或结构的最终应力、变形或断裂结果，依据机理分析产生原因，并提出改进措施；二是给出焊接方案，依据理论知识预测典型接头或结构的应力、变形分布特征；在结构设计考核同样分为两部分，一是给出企业实际条件，如机器设备、成本承受能力、质量要求等，要求学生综合技术、质量、成本等因素，给出设计方案，侧重突出真实的工程应用背景；二是要求学生仅从质量角度，提出最佳解决方案，注重创新能力培养。

通过上述改革后的《焊接结构》成绩评定体系，可以突出学生能力的考核，不仅达到理论认知、专业技能及实践应用的有机统一，也同时兼顾自学、创新、表达协作能力的培养；此外，进一步倒逼老师在教学活动必须围绕培养学生毕业能力展开，转变思维和方法，充分发挥网络教学平台和数值模拟技术优势。

4 结束语

针对目前《焊接结构》课程教学中存在的问题，将网络化教学平台和数值模拟技术引入整个教学过程，在教学理念、教学内容和方法、成绩评定等方面对《焊接结构》教学改革进行探索，强化学生在课程学习中的中心地位，注重学生能力的培养，激发学生的学习热情，切实提高《焊接结构》课程的教学效果和教学质量；同时《焊接结构》教学改革的实施可进一步推动网络化教学平台的建设和模拟仿真教学资源储备，使两者真正融于教学过程，也为其它课程的教学改革提供借鉴。