“焊接结构与设计”课程教学改革与探索

朱海洋 汪晓勇 蔡啸涛 谢杰 郑传波

摘要“焊接结构与设计”是焊接技术与工程专业的一门专业必修课程，涉及传热学、力学、材料学以及数学等多门学科，同时具有很强的理论性和实践性。文章总结分析了独立学院焊接专业“焊接结构与设计”教学过程中遇到的一些问题，结合课程知识结构特点及学生情况，从加强学生基础知识、丰富课堂教学模式、创新实验教学方法、优化成绩考评方式等方面进行了改革尝试与探索。

关键词 焊接结构与设计；教学改革；探索

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.041

焊接结构是焊接技术应用于工程实际产品的主要表现形式，也是在许多工业部门应用最为广泛的金属结构[1]。研究焊接结构的原理，是焊接结构设计与制造、使用与维护、安全评定的基础。“焊接结构与设计”课程作为焊接技术与工程专业的一门必修课，是一门涉及传热学、力学、材料学以及数学等多门学科的交叉学科课程[2]。课程主要从焊接残余应力和变形产生的机理及影响因素入手，分析焊接应力及焊接接头的不均匀性对焊接结构的影响，结合材料脆性断裂、疲劳断裂的理论知识分析焊接结构疲劳和脆断的特点及预防措施，以及分析不同工况条件下焊接结构设计、制造的合理性、安全性和经济性[3-4]。作为焊接专业一门重要的专业主干课程，“焊接结构与设计”课程目前的教学中还存在一些问题亟待解决。本文针对江苏科技大学苏州理工学院（以下简称“我校”）焊接专业在该课程开設过程中遇到的一些问题进行了分析、归纳与总结，并针对性地采取了一些教学改革措施，旨在为其他独立学院同类课程的教学提供一些参考。

1课程特点

目前我校焊接技术与工程专业“焊接结构与设计”课程选用的教材是哈尔滨工业大学方洪渊教授主编的《焊接结构学》（第2版）。“焊接结构与设计”课程内容知识点多、覆盖面广、专业性强，内容包括焊接热场、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，其中，焊接应力变形是课程的教学重点、难点[5-6]。课程的教学目标是使学生能够掌握焊接应力与变形、焊接结构力学特点、焊接接头强度与断裂等基础理论知识，从而能够进行焊接结构设计和解决焊接结构施工的问题[7]。该课程兼具很强的理论性和实践性。

2教学中存在的问题

2.1部分知识点理论性较强，学生基础知识薄弱

“焊接结构与设计”课程涉及的主要知识点有焊接结构的特点、焊接热过程、焊接应力与变形、焊接接头、焊接结构的脆性断裂、焊接结构的疲劳强度、焊接结构类型及其力学特点、焊接结构设计等内容。知识点多，各知识点难度不一。焊接热过程、焊接应力与变形、焊接接头等章节理论性强，焊接结构的脆性断裂、焊接结构的疲劳强度、焊接结构类型及其力学特点、焊接结构设计等章节实践性强。部分章节涉及较多高等数学、材料力学、弹塑性力学、材料断裂力学等方面的基础理论知识。学生要想学好这些内容，就需要有良好的基础理论知识储备。以第二章焊接热过程为例，该章焊接热源及温度场解析，求解公式多而复杂，涉及较多高等数学中导热微分方程的推导。高等数学作为公共基础课程一般开设在大一年级，“焊接结构与设计”作为专业课开设在大四上学期，前后时间跨度较大，此时学生的高数知识已忘记得差不多了，再加上独立学院学生基础知识相对薄弱，因此学习该部分内容时比较吃力。其次，以第三章焊接应力与变形为例，该章内容涉及了较多材料力学、弹塑性力学方面的理论计算知识，而力学知识又是很多学生的短板，从近年上课的情况来看，学生理解困难，特别是力学基础差的学生，从头至尾更是不知所云，最后只能死记硬背公式，不能真正掌握知识。再者，第五章焊接结构脆性断裂、第六章焊接结构疲劳涉及了一些材料科学和材料断裂力学方面的知识，比如解理断裂、裂纹张开位移、J积分、疲劳断裂等基本概念，部分学生早期在学习这类材料基础课时没有足够地重视，以致现在学习困难。

2.2课堂教学模式单一，学生学习枯燥乏味

受传统教学模式的影响，“焊接结构与设计”课程采用以教师讲授为主的教学方法，课堂讲授以PPT为主。教学模式形式单一，侧重于教，不注重学生学，忽视了学生的主体地位，导致学生在学习过程中被动接受知识，不能积极参与到课堂学习中。学生听课感觉枯燥、乏味，特别是一些实践性章节，如第七章焊接结构类型及其特点，该章节介绍了框架焊接结构、桁架焊接结构、板壳焊接结构等一系列典型焊接结构，列举的实例有起重机主梁、焊接容器、机床机身、焊接旋转体等。这些结构学生平时生活中难以直接接触，若仍采用PPT式的讲解，学生就难以在大脑中形成立体思维，无法培养其焊接结构设计的能力。

2.3实验教学模式化，学生参与度不高

“焊接结构与设计”课程教学计划学时数40学时，其中实验4学时。实验项目为盲孔法测量焊接残余应力。实验对象为低碳钢手工电弧焊对接试板，实验目的是使学生理解焊接残余应力机械钻孔法的测试原理，掌握测试步骤，了解焊接构件焊接残余应力分布的特征。由于实验室建设经费有限，实验设备较昂贵，目前实验室只购置了一套测试设备。实验教学时学生通常分4批，每批约15人，这导致了实践教学时通常只能由实验老师测试演示，学生在旁边观看，不能真正参与到实验中来，大大降低了学生的实验积极性，实验教学效果大打折扣。

2.4授课计划有待优化

“焊接结构与设计”课程安排在大四上学期，授课计划时间为一周2次课，一周4学时。由于教学期间有国庆放假一周，课程结束时间一般在11月下旬。而大四上学期恰逢学生考研期，研究生考试时间一般在12月下旬。笔者所授专业的学生继续升学深造意愿强烈，专业里有一半学生报名了研究生考试。这导致该课程授课后期认真听课的学生逐渐减少，主要原因是越来越临近研究生考试冲刺阶段，学生精力都放在考研课程的复习上了，而忽视了本专业课程的学习，部分学生上课时特意坐在教室后排复习考研课程。因此，排课时间有待根据实际情况优化。

3课程教学改革与探索

3.1补充学生基础知识

如上所述，焊接结构涉及高等数学、力学、材料学等学科的一些基础知识，为了便于学生理解原理及公式的推导过程，笔者适当采取了一些措施补充基础知识，具体做法如下：①建立课程QQ群。在涉及较多理论基础知识的新章节授课前，教师在群里布置学习任务，通知学生翻阅以前的相关教材，温习相关知识点，或者推荐一些网上好的学习资料、视频资源供学生学习。②授课中多提问，了解学生复习基础知识的情况，引导学生多思考，讲解中突出重点、难点。③课后若有少数同学仍未听懂，成立班级互助小组，由基础知识较好的学生踊跃报名。先后成立了高等数学互助小组、力学互助小组、材料学互助小组等。互助小组课下一对一复习指导，不仅及时进行了辅导，而且实现了课堂内外教学相融合，确保了学生同步前进。

3.2丰富课堂教学模式

课堂讲授中多引入视频、动画等新颖资源来提高学生的学习兴趣，助力学生深入理解难点知识。以焊接温度场、应力场知识点为例，这些内容抽象，难以理解，但又是课程的重点、难点，若仅用PPT文字式讲解，就难以讲解清楚，学生兴趣也不高。教师可利用数值计算方法，将计算结果通过彩色云图、视频动画展示，让学生直观形象地看到焊接件焊接时整体、某截面或某一点温度场、应力场的变化及演变过程，提高学生对理论知识的感性认识，拓宽了学生的思维。

对于实践性强的知识点，学校可以邀请生产实习基地企业的工程师辅助讲解。如讲到焊接结构的类型章节时，辅助学习的企业焊接工程师可以就本企业典型的焊接结构产品现场讲解录制的视频。由于企业工程师对自身产品比较熟悉，可以把握产品的关键点，所以讲解得更透彻。这样不但发挥了企业工程师实践方面的特长和优势，而且与高校教师理論知识较强而实践不足的劣势形成了良好的互补，学生更容易学好该门课程。例如，我们分别邀请了起重机行业、压力容器储罐行业、船舶制造行业等企业的一线工程师就他们的产品进行视频讲解录制。讲解内容不局限于焊接结构的分析，还包含产品原材料、焊接方法与焊接工艺、焊接检测等方面的内容，实现了焊接材料、工艺、结构、生产四大块内容的融合学习。学生不但直观了解了不同类型焊接结构的特点，而且加深了解了所学专业以后的工作方向，学习由被动向主动转变，学习兴趣和热情得以提高。

3.3创新实验教学方法

实验教学方面，从传统的集中大组示教模式转变为小组开放模式。具体做法为：首先，由早期的15人一大组减少至9人，实验老师对大组授课，讲解实验原理、示范测试步骤、提醒实验注意事项等，学生观摩实验过程。其次，测试实验室实行对外开放模式，9人大组细分为3人小组。在接下来的一周，每小组选择时间来实验室进行实验操作，完成试板表面打磨、粘贴应变片、锡焊应变片与导线、连接导线与应变仪、固定钻孔支架、钻孔、记录数据等一系列实验操作过程。实验过程中若遇到问题可联系实验老师指导。通常情况下该实验项目需要3人配合完成，确保每位学生都参与了实验，而且自主完成了实验，达到了良好的实验教学效果。此外，为了让学生对课堂讲授的焊接残余应力调控方法有更好的认识，教师另外准备了退火态、超声冲击态焊接试板各一块，感兴趣的同学还可以对比测试焊态、热处理态、超声冲击态三种不同状态试板的残余应力，更进一步了解不同焊接残余应力调控方法的特点及效果，从而加深对书本知识的理解。

3.4合理安排授课计划

鉴于“焊接结构与设计”课程部分章节理论性强，部分章节实践性强的特点，从学生接受知识到消化知识的过程考虑，授课计划优化为理论知识点多的章节一周内排2次课，留给学生多些时间课后复习消化，如第二章焊接热过程、第三章焊接应力与变形、第四章焊接接头的理论知识点较多，每周安排2次课。而实践性强的章节一周内安排3次课，如第五章焊接结构的脆性断裂、第六章焊接结构的疲劳强度、第七章焊接结构类型及其力学特点、第八章焊接结构设计章节的实践性内容较多，每周安排3次课。调整后课程结束时间一般在11月上旬，这样距离研究生考试还有较长的一段时间，学生前期可以安心学习本专业课程。从改革后的课堂效果来看，学生上课明显比以往注意力集中，前排座位已无空缺。

3.5优化成绩考评方式

“焊接结构与设计”课程是一门考试课程，以往总评成绩=平时成绩（15%）+实验成绩（15%）+考试成绩（70%）。其中，平时成绩由出勤率、课堂表现以及平时作业成绩构成。由于期末考试成绩占比较高，部分学生不注重平时学习，临考前死记硬背知识也能考个不错的成绩，但这种临门抱佛脚的方式导致学生不能深刻理解知识，普遍出现了考后就忘的现象。为了注重平时学习过程，加深学习印象，提高课堂积极性，课程组适当降低了期末考试成绩占比，提高了平时成绩及实验成绩比例，优化后的总评成绩=平时成绩（20%）+实验成绩（20%）+考试成绩（60%）。避免了“一考定成绩”的现象，学生也真正掌握了知识。

4结语

独立学院人才培养目标定位是培养具有创新精神和实践能力的应用型人才，“焊接结构与设计”课程作为独立学院焊接专业的一门专业主干课程，课程的改革和创新对于提高教学效果、培养学生创新应用理念等具有重要的意义和作用。针对该课程采取的一系列改革措施不仅强化了学生的基础理论知识，提高了其学习兴趣与积极性，还让学生深入了解了企业焊接结构生产一线的情况，扩大了学生的视野，激发了学生的专业学习热情，为成为满足社会需求的创新型工程技术人才奠定了基础。

参考文献

[1]方洪渊.焊接结构学[M].北京：机械工业出版社，2019.

[2]徐琴，孟逵，李海平，等.焊接结构课程教学中学生学习成效多元化评价方法研究[J].大学教育，2021（9）：81-84.

[3]尹孝辉，汪盛颜，夏爱林.焊接结构学课程思政建设探索与实践[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2022，39（3）：71-73.

[4]张先菊.基于“雨课堂”的焊接结构与设计教学模式探索[J].教育教学论坛，2020（37）：184-185.

[5]牟取晗，侯继军，董俊慧.将焊接工程案例引入《焊接结构》课程教学的实践与探讨[J].教育教学论坛，2015（42）：125-126.

[6]胥国祥，胡庆贤，刘川，等.基于网络教学平台和数值模拟技术的“焊接结构”教学改革[J].山东化工，2019，48（12）：146-148.

[7]辛立军，陈明华，周岐，等.案例教学法在焊接结构课程教学中的应用[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019，21（1）：121-123.