“凝固技术”专业基础课程建设与教学改革实践

摘 要：“凝固技术”是西北工业大学材料学院为研究生开设的一门专业基础课程，该课程面向全校硕士生和博士生开放，是以凝固理论为基础进行凝固过程控制的工程技术全面讲述，是让学生学会并掌握如何以尽可能简单、节约、高效的方法获得具有预期组织和性能零件的凝固技术课程。该课程在教学过程中加强思政教育，构建全新的教学内容体系和方法，坚持“教师为核心，学生为主体”的教育理念，不断进行教学策略、实践活动和教学方法的改革创新，有效运用信息技术手段，正确引导学生开展探索学习和自主学习，重视塑造学生的创新意识和综合能力，同时提高教师教学水平和学生实践能力。

关键词：凝固技术;课程建设;教育改革;教学策略

西北工业大学凝固技术国家重点实验室是在国际凝固及相关领域具有重要影响的科学研究基地、人才培养基地、技术创新基地、学术交流基地和国家公共研究平台，掌握金属材料凝固原理及其相应的凝固技术，是当今科学研究和众多工业领域工程技术人员的迫切需求。因此，开展凝固技术方面的相关知识教学，培养凝固技术和材料成型方面的专业人才对国家高端装备的制造非常有必要。“凝固技术”课程作为高等院校传统材料成型及控制工程专业凝固领域一门专业基础课程，重点探讨金属材料零件在液—固相变中的一些本质规律、物理规律以及凝固过程中分析问题的方法，使学生深入了解先进材料液态成型的本质，掌握金属材料等先进结构材料的关键制备技术，为后期零件的成型、加工及相关设备原理的学习奠定基础。近年来，该课程在教学策略、综合实践课、信息化教学和网络教学等方面进行改革创新，取得了显著成效。

1 重组课程体系，加强课程思政

“凝固技术”是一门专业性较强的技术基础和应用课程，是在“材料科学基础”和“凝固理论”课程基础上发展起来的。课程应用性强，教学内容与零件制造过程紧密相连。教学的目的是让学生掌握金属材料凝固原理及其零件制备相应的凝固技术手段，为相关学生开展后续课程学习和研究生论文研究奠定基础。由于零件种类多样，凝固成型所采用的技术手段多变，各种技术字面上理解往往抽象复杂，学生感到枯燥乏味，从而产生厌学和恐惧心理。如何根据本课程的特点和学生的具体情况开展课程教学，是本课程的一个重点研究课题。

西北工业大学材料成型及控制工程专业依托“材料科学与工程”和“机械工程”两个国家双一流重点建设学科，面向国家、国防和地区建设的主战场，以航空航天等高端装备制造领域的材料成形技术为特色，培养具有坚实的自然科学基础和工程专业知识与技能，富有家国情怀和创新精神的复合型高素质人才。根据该领域对专业人才的具体要求和基础知识的相关性，为材料成型及控制工程专业设置了铸造、锻造及焊接三大核心课程教学模块，本课程隶属于铸造领域模块专业课程。新的教学方案基于材料科学基础知识，针对一些特定的铸造零件，将凝固基本理论、规律和原理与零件生产过程全面结合在一起，对金属凝固成型理论基础课程进行了全新的升级管理。

在课程教学过程中，教师始终将课程思政覆盖全课程，秉承西北工业大学“公诚勇毅”校训和“三实一新”校风，将“航空报国”思想和“家国情怀”意识融入课程、融进学生头脑，厚植学生的爱国主义情怀，并始终将最新国际和国内科研动态融入课程讲解过程中。如课程在第一章绪论开始部分就引入“一代材料、一代装备”概念，以“西工大现象”中J-20总师杨伟院士、运-20总师唐长红院士、我国探月工程总设计师吴伟仁院士为例，激发同学们学习航空航天先进材料及其零件制备技术的热情及家国情怀。在对金属材料凝固成型讲述过程中，使学生了解到各种先进的凝固技术制备工艺，包括定向凝固、单晶生长、快速凝固、连续铸造、压铸、永久铸模等;进一步了解凝固技术在先进材料研发中重要作用，尤其凝固组织控制调控铸件最终的力学性能;随时掌握并跟踪目前国际上凝固技术研究的前沿领域和热点问题，注重培养在凝固技术和材料成型领域的国际化人才。

2 多样化教学方法

本课程除了凝固基础理论较为枯燥、抽象外，多数学生们还没有深入接触到很多前沿性的凝固技术手段，在理解上存在一定困难。课程教师坚持“以教师为核心，以学生为主体”，选择研讨式、互动式、参与式的教学策略，激发学生的自主学习能力，启发思维，正确引导他们进行探究式学习，提高教学的效率。在教学方式上采用动画教学，教学力求技巧，吸引学生;基于材料科学基础知识，教师在课堂教学过程中采用多种凝固技术动画模拟演示方法，引入国际上前沿凝固原理及技术手段，全方位展示铸造零件完整成型过程。

2.1 重点内容，启发引导，学术报告，交流互动

培养计划是人才培养的总体规划，人才的培养要根据领域的要求，课程内容也是体现培养计划教育理念的关键媒介。工科专业人才培养要坚持以学生为导向，兼顾领域要求，主要是提高学生运用知识的能力，塑造学生的创新能力。教学的课程内容也应逐步转变教学方式，并根据个人情况坚持下去，与时俱进。教学策略将传统策略与当代教学方法紧密结合，激发学生在学习中的主动性和自觉性，激发学生的自主学习能力，逐步适应不断发展所要求的教学方法，通过凝固领域研究团队实践活动的立体教学法，增加课程重点内容实践活动比重，让学生有机会将凝固技术教学理论应用到实际零件铸造成型过程中，多面培养学生发现问题、独立思考、解决困难工作的能力。

在传统课程设计中，教师的“教”往往是主导因素，而学生的“学”却被忽略了。学生对知识的掌握通常仅限于课本。当遇到具体的进度问题时，他们不知道如何下手，对当前行业的发展趋势也略知一二。课程教师经历了长期讨论，探索新的教学方法，如讓学生针对一个特定的问题进行分类、核对材料、对行业发展进行调查，撰写科研报告。经过一段时间提前准备，让学生做一些与自身科研方向相关的凝固技术领域主题式学术报告，任课教师对其报告内容进行适当的评价和打分。这种方式可以让学生及时紧跟行业发展趋势，减少学习和自身科研方向的差异，改变传统的教师讲课和学生听课的教学方式，改善师生、学生之间的关系，互动交流，让枯燥的教学越来越生动有趣。

2.2 难点内容，变化手段，突出技巧，化难为易

针对学生缺乏工程社会经验的现状，在教学中，学生对某些教学内容理解较难。教师根据课程内容、课程内容和教学目标，灵活运用当代互联网资源和多媒体系统，在教授凝固基本技术概念和最新进展时，课程教师将现场采集的实验室照片、工业生产照片及世界各国制作的视频制作计算机辅助教育教学课件，以视觉形象呈现给学生，再结合具体工程案例，化难为易，解读凝固技术理论要点，塑造学生对凝固技术工程的基本概念，让学生掌握知识与工业生产之间的关系，激发学生的好奇心，增强自学能力。在这个过程中，学生不仅会在视觉上理解零件的凝固成型过程，而且在教學讨论的基础上，发现当前我国凝固技术手段的不足及世界其他国家新技术创新之处，激发学生学习兴趣、好奇心和自学能力，极大开阔了学生视野。学生愿意接受这种教学方式，学习效果极佳。

2.3 典型案例，引进课堂，鼓励自主，学以致用

课程内容一般广泛而复杂，体现在教科书上的内容往往标题多，分析少，定义抽象，表达简单。弥补这一不足的合理方法是在教学过程中适当地交叉一些生产制造的案例。例如，学生在学习定向凝固技术时，以社会上和学生们均关注度非常高的“航空发动机用单晶叶片”和“半导体芯片用单晶硅”为课程重点讲述对象，既可以成功吸引学生们的学习热情，更为形象地阐述定向凝固技术和原理，还能让学生们深刻认识到我国和西方发达国家之间的差距，奋发图强。类似案例的应用往往会给学生留下深刻的印象，起到事半功倍的教学效果。

此外，我们在教学中还发现，在讲述“铸件热裂”这一节内容时，由于热应力和收缩应力很难量化，学生一时通常会感到难以理解。这时，教师要求学生根据自己材料科学基础和凝固原理的相关基础知识，启发学生，鼓励学生自主，提出自己的看法，通过什么样的措施，才能有效消除铸件热裂现象。如需要分别从合金本身性质、铸型结构、冒口布置、浇注工艺考虑，并能从了零件实际生产过程出发，让学生大胆提出自己的见解，学以致用。

3 多渠道强化实践教学

为更好地提高学生的实践能力，将本课程内容的教学实验及相关内容纳入材料学院工程素质教育平台，包括专业实践平台和项目实践活动平台等。

3.1 利用专业实践平台，开设设计性实验和综合性实验

本课程内容的实验教学多为动画演示性实验，学生没有设计和自主创新的空间，实践动手能力相对有限。在综合性实验中，在专业实践平台上设置与本课程及其他专业学科内容密切相关的实验内容。实验以工程为情境，产品为对象。根据综合实验方法，培养学生的设计能力、自学能力、实验操作能力、应用基础知识分析和解决问题的能力，实验论证金属材料凝固成型理论对其零件成型过程的指导意义。

根据本课程的讲述内容和学生对未来工作岗位的需求，让学生明确该用什么，该学什么，教师该教什么，做到教、学、用统一，以教学目标驱动完成教学工作任务。本课程教师具有凝固领域丰富的科研项目和工程研究背景，经常以服务企业实际生产过程中零件设计及加工工艺为例，根据具体工作内容，从零件设计图纸的分析入手，根据角色规定和技术标准零件，整合课程内容，明确零件种类和成型方法，制定零件的凝固成型工艺路线，明确凝固成型工艺的主要参数，讲述零件成型工艺图设计及有限元仿真模拟结果等。该过程以工程特定铸造零件的生产过程为主导，以典型零件和加工工艺为媒介，以项目推动教学，缩短了教学与实际生产的距离，促进课程内容的学习效果。

3.2 利用项目实践平台，打造“双师型”师资队伍

教师将课程内容中的基础知识与社会实践内容紧密结合，并根据问题进行多方面的拓展和强化。实践活动表明，在这项工作中，提高了学生的实践能力和教师课堂教学水平，同时塑造了学生的综合能力和创新能力，扩大了学生的就业面。

金属凝固技术课程内容理论性和技术性很强，课程开发、改革和创新需要结合区域经济发展特点。本课程内容除了教师向学生传授凝固技术基础理论和专业知识，还积极与区域相关企业进行交流合作，开展普遍协作，相互依托，提高产业基地的基础建设。优秀课堂教学产业基地的基础建设，不仅可以合理解决学生学习难、就业难的问题，也为教师参与企业科技创新项目、新产品开发、课题研究提供了极好的机会，有利于打造高素质的“双师型”师资队伍。

4 合理运用信息技术手段

针对金属凝固成型基本原理内容难懂，利用多媒体系统和视听产品辅助课堂教学，提升学习效果非常有效。现阶段，一些基础原理课的内容大多都是教师讲授，讲授过于详细。这种教学方式导致学生只能被动上课，缺乏创新能力，是一种单边填鸭式的教学方式。这种死板的填鸭式课堂教学要转变为教师教学与学生分析科研紧密结合，利用视听产品、信息化教学、在线学习平台、试题库等优秀教学手段来完成互动课堂教学，让学生由被动变为主动，提高学习效果，提升教学水平。

信息化教学融合语言表达、文字、声音、图形、形象、动画等多种新闻媒体信息内容，图文结合，形象生动。化繁为简，化静为动，实现抽象化和精细化，让学生受益匪浅，对其创新能力的塑造和提升发挥了积极作用。例如，在“定向凝固”一章的解释中，定义较多，整个凝固过程复杂。传统课堂教学中仅仅使用图片和示意图，往往耗费大量教学精力和时间，学生解读起来也难以理解，很难达到优秀的学习效果。信息化教学以声音、动画、视频等多种形式的教学课件，进行栩栩如生的课堂教学，激发学生的学习热情，充分发挥学生的想象力，减少了传统课堂习题教学带来的麻烦，提高了学生的学习效果，促进了师生之间的交流。此外，灵活地利用现代信息技术的优势和互联网在课堂教学中的客观性、及时性和便捷性，利用所有的数据可视化手段，如文字、动画、视频、声音等多媒体系统，进行适当的引导学生，帮助学生理解和把握课程内容的重点难点问题，激发学生学习的主动性和兴趣爱好，同时实现优质教学资源的网络共享。

5 结语

西北工业大学“凝固技术”专业基础课程教学，在多年的基础建设和改革创新中，课程教师多渠道强化综合实践课程，将课程内容与学校专业实践平台与项目实践平台结合，强调学生工程实践能力的提高，塑造学生的创新意识和综合素质，提高教学策略多元化。围绕“教师为核心，学生为主体”的教育理念，选择研讨式、互动式、参与式等多种教学策略，正确引导学生进行探索性学习和自主学习。在教学过程中，有效地应用信息技术手段，提高课堂教学效率和学习效果。总而言之，在多年的“凝固技术”基础课程建设和教育改革的基础上，本课程学生取得了优异的成绩，任课教师提高了教学水平。

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基金项目：2019年西北工业大学研究生教育教学改革专项（06040-19GZ210101）;2021年西北工业大学材料学院材料成型及控制工程专业研究生培养质量提升项目（21 GZ220101）

作者简介：杨文超（1985— ），男，汉族，陕西宝鸡人，工学博士，西北工业大学材料学院副教授，研究方向：金属材料成型及控制。