基于创新能力培养的金属工艺学教学与改革

马帅 陈克飞 黄春辉 杨岁虎

摘 要：为了培养机械专业学生的创新能力，解决金属工艺学课程内容多、概念多，学生学习效果不理想这一问题。本文提出了将金属工艺学课程与培养学生创新能力目标结合，将大学生创新创业大赛项目、工程训练竞赛、开展学术讲座与课程学习有机结合，利用金属工艺学知识解决实际问题，用创新创业项目带动学生学习的积极性，做到教材理论与实际应用相结合的教学改革，明显提高了课程学习的效果，并增加了学生对金属工艺学的学习兴趣。

关键词：金属工艺学；创新能力；教学改革；创新人才培养

中图分类号：TG 11；G 642.0  文献标识码：A

Teaching and Reform of Metal Technology Based on the

Cultivation of Innovative Ability

Ma Shuai Chen Kefei Huang Chunhui Yang Suihu

Hunan university of arts and sciences furong college HunanChangde 415000

Abstract：In order to cultivate the innovation ability of the students majoring in machinery，the problem that there are many contents and concepts in the course of metal technology，and the students' learning effect is not ideal is solved.This paper proposes to combine the metal technology course with the goal of cultivating students' innovation ability，organically combine college students' innovation and entrepreneurship competition projects，engineering training competitions，academic lectures and course learning，use metal technology knowledge to solve practical problems，use innovation and entrepreneurship projects to drive students' enthusiasm for learning，achieve the teaching reform of combining teaching material theory with practical application，and significantly improve the effect of course learning，It also increases students' interest in metal technology.

Keywords：Metal Technology；Innovation Ability；Reform in Education；talents cultivation

國家“十三五”规划强调提高学生的创新基础能力，以国家目标和战略需求为导向，明确指出了高等学校科教创新体系建立的重要性，基础理论的学习是其中很重要的一个环节。

金属工艺学是高等学校工科机械类和近机械类专业必修的基础专业课，课程特点是实践性、应用性和综合性很强［13］。通过本课程的学习，学生可以了解和掌握金属材料、热处理、压力加工、铸造、焊接、金属切削加工等加工成型工艺。使学生掌握金属材料的性能、化学成分、内部组织结构之间的关系及其变化规律［4］，为其学习其他相关专业课程及以后的工程实践奠定必要的基础。结合应用型本科独立学院的人才培养定位和金属工艺学课程特点，采用线上线下混合式教学，把湖南省工程训练大赛、创新创业大赛、挑战杯竞赛等内容结合起来，建立智慧树翻转课堂，建立答疑群，修改课程教学大纲。基于此，本文提出了基于创新能力培养的金属工艺学教学改革与实践。

一、金属工艺学教学现状

金属工艺学的学习对象是机械专业大一的学生，进入大学第一年，没有一定的机械专业知识做基础，学生普遍反映学起来比较费劲，这是学生的专业背景缺少造成的。金属工艺学是材料类的一门专业基础课，金属工艺学具有专业概念多、理论多、学习内容多、理论性与实践性都很强的特点，并且很多专业概念都是微观层面的，学生想象不出来，自然也理解不了。目前，该课程的授课学时进一步压缩，教师为了完成授课内容，课堂上以讲授为主，课程理论性和实践性强，学生缺乏相应工程实践经历，仅仅通过课堂讲授和课下复习很难把知识点理解透彻，造成部分学生学习积极性不高。

二、创新能力培养金属工艺学课程教学改革

（一）课程资源建设

选用武汉理工大学出版社出版，罗继相、王志海主编的国家级精品教材，而同步上线的金属工艺学慕课MOOC课程是国家精品在线课程，经过近几年的持续上线，学习对象反映评价好。所以，好的教材、优秀的学习视频是学生课程学习的基础。在金属工艺学内容编排中，传统的加工方法介绍了很多，在现代社会中，有的加工成型方法已经很难再找到踪迹，学生在课堂上学到的工艺方法，离开课堂以后也找不到它的用武之地［5］。所以强调金属工艺学的课堂讲授内容要与时俱进，把最新的材料成形技术激光加工、电火花加工、柔性增材制造技术等引入教材，在备课时，要认真精选金属材料成型中的铸造、焊接、锻造、压力加工的讲解视频，使学生能

夠理解复杂的工艺流程。材料微观层面的结构要借助仪器进行观察分析，授课老师要带领学生认识先进的材料分析与检测设备，为以后进行大学生创新创业项目打基础。材料微观组织分析与成分检测的仪器有金相显微镜、扫描电镜、投射电镜、能谱仪、傅里叶红外光谱分析仪、DSC差热分析仪等，这些仪器要有简单的讲解视频。将介绍先进的材料检测仪器与分析科研期刊论文统一起来，比如马帅［5］镦粗变形对100Cr6钢组织和硬度的影响，发表在学术期刊上的论文有用到金相显微镜获取100Cr6钢的显微组织，用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析试样的组织淬火马氏体与少量的黑色组织，重点给学生讲解扫描电镜的结构与成像原理。把授课老师做科研项目的经历与课堂教学紧密结合起来，让学生明白以后如何来操作金相显微镜、扫描电镜，为以后的大学生创新创业项目打下坚实的基础。

（二）引入虚拟现实教学

金工实习是机械专业学生的必修课，每个学生都要参加，并且还要亲自动手去操作实践。通过为期4周的实习，理解钳工、焊接、铸造、金属切削加工等方面的成型工艺，不仅要了解工艺原理，还有掌握常见的机床、磨床、铣床的操作流程，养成严谨与安全的工作作风，为以后的理论教学奠定基础。但是金属工艺学与金工实习间隔一段时间，学生会忘记以前实习接触的内容，理论学习仍然比较费力。多媒体教学通过把与金属工艺学相关的动画、视频和生产录像带入课堂，使复杂的金属加工变得直观。虚拟现实可以模拟出逼真的实际环境，学生可以与这种虚拟环境交互，实现学习和技能培训，交互性和沉浸感都很强，能够提高学习的灵活性［6］。因此，将传统教学模式与虚拟现实结合起来，可实现金属工艺学教学模式的突破。铸造工艺在实际工业生产中，因为铁水的温度大约有1500℃，并且还有热辐射，去现场给学生讲解铸造工艺肯定不符合实际情况。那么，虚拟仿真教学就能很好地解决这一问题。在学生完全理解铸造工艺基础上，有针对性地进行线上视频课程讲解，要在有限的时间内串联起充型、凝固、收缩、变形、裂纹等概念，方法就是针对具体零件进行案例剖析，用虚拟仿真的动画和图片结果直观展示课程重点知识及其关联性，学习效果好。学生学习铸造工艺就像看电影一样，印象深刻，学习效率高，能结合画面、声音、颜色与环境，实现知识的理解与掌握，从而较好地完成教学目标。

（三）开展讨论式教学，为师生交流提供渠道

金属工艺学课堂教学中，基本概念、基本理论、常见的实验方法要认真细致地讲解，培养学生的想象与理解能力，做到理论与实践相统一、知识原理与工业运用相统一。材料的结构决定材料性能，性能决定使用用途。比如讲授锻造工艺时，先介绍自由锻的概念，具有操作设备简单、通用性大、成本低等特点，分为锻造前坯料的准备、坯料的加热、锻造温度。自由锻工序分为基本工序、辅助工序、辅助工序和修整工序。讲解完自由锻后，对比讲解模锻，模锻对工人技术要求高，锻件尺寸精确，模锻价格高，需要专门设备，这样学生很容易就能理解自由锻与模锻的区别。在课堂讨论中，结合大国工匠的视频，与学生讨论航空工业上的专用轴承，首先要把大型坯料加热保温，然后取出锻造，采用自由锻，一边锻造，一边转动轴承坯料，其目的是破碎组织的碳化物，使材料组织分布均匀，锻造能明显提高材料的力学性能，提升坯料加工制造成轴承的使用寿命。长期以来，知识对分讲解能训练学生的理论联系实际的能力，提高学生对于教材知识的理解。课堂讨论问题能够训练学生的语言组织能力，为以后做工程训练竞赛做准备。

（四）授课老师自己做科研的经历，引导学生关注学科学术前沿

授课老师每年都会写各类科研项目申报书、教学改革的申报书，而大学生创新创业项目也需要学生自己写项目申报书，而每次与学生交流时，有的学生感觉无从下手，或者说写了创新创业申报书，但是对于要研究什么问题，怎么来进行研究，如何准备实验方案，都没有在申报书中说清楚，申报书报到学院后，评审结果公布，最后没能成功立项。针对这种情况，老师每次在授课时，都会有针对性地对学生进行讲解，要想把自己的想法转变成科研的价值问题。那么，首先要阅读大量的学术期刊论文，学院的图书馆都可以免费下载，看别人做了哪些方面的研究，解决的哪些问题。结合教材，查找哪些科学研究问题还没有解决，从而找到科学研究问题。其次，研究内容要细致，要找一个比较具体的点深入下去，比如你要研究轴承钢的热处理工艺，这个选题就比较宽泛，要具体表明研究轴承钢的热处理工艺中的淬火、回火、正火、退火中的哪一种，要进一步细化热处理工艺。学生可以选淬火对轴承钢的硬度与力学性能的影响，那么这就是一个比较好的选题。最后，就是准备实验材料与实验方案了，实验数据如何来获取，用哪些仪器获取，如何分析数据。最后，就是把这个研究过程用语言表述清楚，就完成了大学生创新创业项目申报书。

去年在长沙学院举办的湖南省工程训练大赛，就是无碳小车来完成规定的运动，竞赛前期，需要团队成员在老师的指导下完成无碳小车材料的选取，既要考虑材料的价格，又要考虑材料的重量与加工制造的难易程度，综合考虑后确定材料，用UG进行无碳小车的三维模型结构设计，结构设计可行后，还要把无碳小车实物做出来，安装调试。通过工程训练竞赛，锻炼了学生的材料选取、机械制图、三维建模、写设计说明书和汇报展示的能力。参加工程训练竞赛，可以全方面地培养学生的创新能力，做到材料理论与实际应用的完美结合。

（五）创新课程学生考核与评价体系

金属工艺学考试成绩占70%，平时成绩占30%。平时成绩由3部分组成，建立智慧树翻转课堂，每次上课内容提前发布预习任务，需要在智慧樹上完成视频学习任务，在规定的时间内完成，平台后台能清楚地记录每个学生的学习时长、学习互动情况。完成在线学习打卡这一环，占平时成绩的10%。建立课后答疑群，针对学生上课时不懂的知识点，学生可以提问，老师有空的话，可以及时解决学生疑问。每次的作业完成情况占平时成绩的10%，上课考勤占平时成绩的10%。借助线上线下的混合式教学，有效补充了课程学时短的问题，在线视频学习能帮助学生理解一些简单的概念，对于比较难的知识，在课上进行有针对性的讲解，极大地提高了课堂授课的效果。

（六）开展科技报告讲座，增加机械专业学生就业竞争力

常德市机械制造产业是千亿产业链，常德高新区与经开区聚集了包括三一重工、中联重科、中国烟草机械、三特机械、响箭重工等一批大型机械企业，为学院开展校企合作提供了平台，每年学院都会组织机械专业大二的学生在暑假期间集中去企业进行参观实习，了解机械制造的各个生产流程。通过实地参观，了解机械产品的加工制造过程，参观回来后，要求每个学生做实习记录。而机械企业每年也会邀请学院机械专业教授讲授技术层面的科技报告，针对企业遇到的技术难题，积极开展“博士教授沅澧行”，按照教授博士科研专长分成若干个小组，以团队形式积极与企业沟通交流，解决了很多的产品技术问题。形成科研成果后，学院每学期也会邀请企业技术总工程师来学院开设学术报告讲座，把学院教授一起联合攻关企业产品遇到的问题，解决问题，形成发明专利、学术论文的过程，讲给学生听。报告结束后，针对学生的提问，企业总工程师也会与机械专业学生交流，这样，学生能更好地理解机械专业知识，更好地理解金属工艺学在机械专业中的重要性，提升学生学习金属工艺学的热情。而机械生产制造的过程就是零件成型加工的过程，把一个个合格的机械零件装配成机械产品，再通过机械检测与调试，机械产品就可以流通到市场进行销售。

等学生到大四时，经过3年时间学习机械专业知识，具备了选取机械工程材料、材料成型的几种成型工艺、机械制造、机械设计、零件三维建模等核心素养，具备了从事机械行业的各种能力，经过前期金属工艺学的教学改革，提高了学生的机械知识基本功，提升了学生的就业竞争力。2023年大四机械专业的学生就业情况极好，超过85%以上的就业率。

结语

机械制造业是国家支柱产业，经济带动性强，辐射人群广。而金属工艺学是机械类专业和材料类的基础专业课，在培养学生的创新能力中起着关键作用。课程建设是一个长期的过程，只有改革时，没有完成时。围绕培养具有创新能力与宽广坚实基础的机械专业学生这一课程教学目标，开展“金属工艺学”教育教学改革，以机械关键零部件用金属材料的加工制造为学习对象，通过多元化教学方法和考核方式改革，才能更好地培养大学生创新思维和创业意识。

实践表明，经过金属工艺学课程改革后，学生对于课程的满意度明显提高，现在对于课堂教学有着很强的学习兴趣。同时培养了学生的创新思维和创业意识，拓宽了学生的学术视野，特别提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。这表明通过前述教学改革和实践，取得了初步的效果，为继续推进课程对学生的创新能力培养奠定了基础。

参考文献：

［1］倪陈强，贺文海.《金属工艺学》课程教改初探［J］.佳木斯职业学院学报，2011（2）：159.

［2］倪兆荣.《金属工艺学》课程教学内容改革的研究［J］.武汉船舶职业技术学院学报，2002，000（002）：4445.

［3］郑海忠.基于航空特色化的《金属工艺学》课程教学改革与探索——以南昌航空大学为例［J］.科技资讯，2010（22）：219.

［4］范超，李芳华，周雄新.《金属工艺学》教学中存在的问题及解决办法［J］.广州化工，2013，041（004）：175176

［5］马帅，肖良红，郑文，等.镦粗变形对100Cr6钢组织和硬度的影响［J］.热加工工艺，2018，47（21）：5760.

［6］马壮，马修泉.《金属工艺学》的教改研究［J］.辽宁工程技术大学学报（社会科学版），2001，03（02）：6970.

项目基金：湖南文理学院芙蓉学院教改项目（项目编号FRjg2122）

作者简介：马帅（1992— ），男，汉族，湖南岳阳人，硕士，讲师，研究方向：金属材料成型与数值模拟。