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        《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐

        2019-12-06 05:28:16王榮峰
        鑄造設(shè)備與工藝 2019年5期
        關(guān)鍵詞:成型計算機(jī)工藝

        康 麗,王 芳,王榮峰

        (太原科技大學(xué) 材料學(xué)院,山西 太原 030024)

        太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)目的是培養(yǎng)適應(yīng)國家建設(shè)需要,掌握材料成型及控制工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識,了解和掌握材料成型領(lǐng)域相關(guān)設(shè)備和工藝裝備的設(shè)計制造方法,具備解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力和一定的科學(xué)研究能力,能在鑄造、塑性成形、模具技術(shù)、軋制工程等材料成型領(lǐng)域從事設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、問題分析、生產(chǎn)組織和經(jīng)營管理等工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。

        《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程是材料成型與控制工程的學(xué)科基礎(chǔ)課,不僅要求學(xué)習(xí)好本課程的理論知識,而且要求學(xué)生能靈活應(yīng)用本課程所學(xué)的實(shí)體造型思想、方法,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)[1-3]。近年來,隨著計算機(jī)輔助設(shè)計和制造在工程領(lǐng)域的不斷普及,熟練掌握、應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具也成為大部分畢業(yè)后繼續(xù)在材料成型相關(guān)領(lǐng)域工作的學(xué)生的必備技能。

        1 目前存在的問題

        從日常的教學(xué)實(shí)踐來看,《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》現(xiàn)有的教學(xué)模式,教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)跟不上社會發(fā)展的要求。首先,現(xiàn)有的教學(xué)模式中,授課教師負(fù)責(zé)講解操作命令以及當(dāng)前知識點(diǎn)的相關(guān)案例,很少涉及工程應(yīng)用,學(xué)生被動地接收到的都是一些割裂的脫離實(shí)際的內(nèi)容,在這種模式下學(xué)生興趣缺乏,主觀能動性差,很難有效地掌握新知識新技能。其次,舊的教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容都是具體的命令和操作方法,授課時,教師即使采用多媒體設(shè)備一步一步演示,也只是針對特定軟件的操作,一旦換了一個軟件換了一種界面,學(xué)生就感覺無從下手。而且,哪怕學(xué)生把所有的命令和操作都學(xué)會,還不足以達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)提出的要求。

        在太原科技大學(xué)2017 年《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》教學(xué)大綱中明確規(guī)定,通過本課程的課堂教學(xué)和上機(jī)練習(xí)學(xué)生應(yīng)具備下列能力:

        1)能夠應(yīng)用計算機(jī)CAD/CAM 理論知識和技能對于材料成型與控制工程專業(yè)方向相關(guān)模型的正確性進(jìn)行論證并求解(對應(yīng)課程目標(biāo)1);

        2)能夠應(yīng)用計算機(jī)CAD/CAM 理論知識和技能設(shè)計滿足成型與控制工程專業(yè)方向需求的工藝裝備、部件和過程,并能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識(對應(yīng)課程目標(biāo)2);

        3)了解材料成型與控制工程學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀,能夠在實(shí)踐中初步掌握并使用計算機(jī)CAD/CAM 理論知識和技術(shù);能夠初步運(yùn)用計算機(jī)CAD/CAM 理論知識和技能對材料成型與控制工程問題進(jìn)行預(yù)測與模擬,并了解其局限性(對應(yīng)課程目標(biāo)3).

        表1 畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

        課程教學(xué)目標(biāo)是要服務(wù)于畢業(yè)要求的,仔細(xì)分析畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系(見表1),可以發(fā)現(xiàn),《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程對學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力提出了較高的要求,僅僅依靠課本上的固有的、孤立的知識和單一的、片面的練習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。只有在系統(tǒng)地對復(fù)雜多樣的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行分析、提煉、解決和總結(jié)的鍛煉中才能滿足培養(yǎng)目標(biāo)對畢業(yè)生提出的要求。

        2 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程教學(xué)方法研究

        為了提高教學(xué)質(zhì)量,迎接新時代的挑戰(zhàn),將工作過程教學(xué)方法融入到《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》的教學(xué)中。何為工作過程呢?“在組織里為完成一件工作任務(wù)并獲得工作成果而進(jìn)行的一個完整的工作程序”這就是德國不萊梅大學(xué)Rauner 教授給出的定義。落實(shí)到這門《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程上,就是通過工程實(shí)例的解決過程,把知識點(diǎn)融入實(shí)際問題中,以工程實(shí)踐中具有代表性的鑄件的工藝設(shè)計為背景進(jìn)行實(shí)訓(xùn),包括實(shí)際生產(chǎn)中工藝設(shè)計的相關(guān)流程、設(shè)計內(nèi)容、工藝習(xí)慣等??梢哉f,每一次學(xué)習(xí)都是計算機(jī)應(yīng)用和專業(yè)知識融會貫通,綜合應(yīng)用的過程[4-5]。

        2.1 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程教學(xué)資源的收集和整理

        通過對成型方向的用人單位,畢業(yè)校友,在讀學(xué)生及代課教師問卷調(diào)查和座談,對學(xué)生在《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》學(xué)習(xí)過程中遇到的問題,感興趣的內(nèi)容,社會的需求,對項(xiàng)目意見和建議等等進(jìn)行收集整理和分析,以便于制定合理的教學(xué)內(nèi)容,教學(xué)計劃和教學(xué)方案。

        教師在選擇工藝案例時,一般要做到:務(wù)必進(jìn)行充分的工程實(shí)踐調(diào)研,要緊跟鑄造行業(yè)的發(fā)展,制定合理的、有代表性的培訓(xùn)實(shí)例;考慮到學(xué)生一開始對工作過程并不熟悉,務(wù)必注意工藝案例的選取應(yīng)由簡到繁,由易到難,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;應(yīng)確保在解決工程實(shí)例的過程中,涵蓋教學(xué)大綱規(guī)定的全部教學(xué)內(nèi)容,對一些重點(diǎn)難點(diǎn)問題,教師要著重講解,避免本末倒置,偏離教學(xué)計劃。

        2.2 基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程教學(xué)方法和手段的制定

        工作過程教學(xué)法的載體是具體的工程實(shí)例,學(xué)生以工程實(shí)例為研究對象,組成項(xiàng)目小組,每個項(xiàng)目組,即要分工明確,又要團(tuán)隊(duì)配合。有人負(fù)責(zé)收集資料,有人負(fù)責(zé)造型和動畫,有人負(fù)責(zé)模擬和分析,有人負(fù)責(zé)匯總,有人負(fù)責(zé)進(jìn)行文字報告。而且每個項(xiàng)目組中學(xué)生個體的角色不是固定不變的,要隨項(xiàng)目變化而變化,保證每個學(xué)生的能力都可以得到全方面的鍛煉和提升??紤]到學(xué)生一開始對工作過程并不熟悉,務(wù)必注意工藝案例的選取應(yīng)由簡到繁,由易到難。學(xué)生通過解決一個項(xiàng)目一般要經(jīng)過以下步驟:1)分析零件結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)要求,例如生產(chǎn)方式、鑄件材質(zhì)、化學(xué)成分等;2)進(jìn)行零件和澆注系統(tǒng)的三維造型并實(shí)現(xiàn)CAD 模型數(shù)據(jù)向CAE 系統(tǒng)的合理準(zhǔn)確傳遞;3)使用CAE 軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助工藝設(shè)計,能實(shí)現(xiàn)砂型、金屬型、壓鑄過程的充型流動、冷卻凝固、充型換熱仿真模擬;4)根據(jù)模擬結(jié)果,比如填充速度、凝固液相順序、溫度場分布等預(yù)測缺陷出現(xiàn)位置,判斷工藝設(shè)計的合理性,改進(jìn)和優(yōu)化工藝。

        表2 分別給出了兩種教學(xué)模式下制定的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程的教學(xué)進(jìn)程計劃(總授課時數(shù)32 小時,其中課堂教學(xué)學(xué)時24,上機(jī)學(xué)時8).從表中可以看出,有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式,基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程伊始,教師主要演示如何完成一個完整的工作過程,學(xué)生以學(xué)習(xí)模仿為主。后期學(xué)生和老師的角色發(fā)生變化,學(xué)生占據(jù)主體地位,成為項(xiàng)目的完成者和管理者。教師起輔助作用,主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)、答疑和評價。在這個過程中,教師的角色不再僅僅是向?qū)W生機(jī)械傳授課本知識,而是要根據(jù)學(xué)生的發(fā)展實(shí)際及教育目標(biāo)、要求,制定出符合成型專業(yè)鑄造方向畢業(yè)生需求的教學(xué)計劃,合理安排教學(xué)進(jìn)程,整合編制工藝實(shí)例,保障項(xiàng)目的順利實(shí)施。使學(xué)生在掌握基本知識點(diǎn)的同時,分析問題和解決問題的能力得到有效提高,成為真正幫助學(xué)生成長的人。

        2.3 基于工程實(shí)例教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程教學(xué)效果評價體系的建立

        原有課程考核方法采用上機(jī)操作成績和平時綜合成績對學(xué)生進(jìn)行考核,學(xué)生的最終成績評定:上機(jī)操作(4 次上機(jī)綜合)考核按60%,平時綜合(出勤20%、課內(nèi)提問10%、作業(yè)10%)按40%。按五級記分制(優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格)進(jìn)行評定。其中:優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)是:上課積極回答問題、課后作業(yè)質(zhì)量高、出勤為全勤、四次上機(jī)綜合為優(yōu);良好標(biāo)準(zhǔn)是上課能回答問題、課后作業(yè)質(zhì)量較高、出勤為缺課不超過兩次、四次上機(jī)綜合為良;中等標(biāo)準(zhǔn)是......這種考核方式看似公平,但實(shí)際上只要有一次缺勤就無法取得優(yōu)異成績,這無形中打擊了學(xué)生的積極性。而且上機(jī)實(shí)驗(yàn)局限于對片面知識點(diǎn)的考查,無法真實(shí)地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

        基于工作過程教學(xué)法的《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程考核方法采用更加靈活、有效的方式,根據(jù)每個項(xiàng)目組對工程實(shí)例的解決過程,以及最終提交的結(jié)果給出評定等級。首先,將被考核題目的工作內(nèi)容劃分為相互獨(dú)立的五個模塊(零件的工藝分析、澆注系統(tǒng)設(shè)計、CAD 模型的建立、數(shù)學(xué)仿真和數(shù)據(jù)處理、缺陷預(yù)測和工藝改進(jìn)),在每個模塊中用明確的語言描述完成該模塊任務(wù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。同時,將標(biāo)準(zhǔn)分為五個等級選項(xiàng)“優(yōu)、良、中、合格、不合格”,教師根據(jù)被考核同學(xué)的實(shí)際表現(xiàn),對每個模塊的完成情況進(jìn)行評估,總成績便為該同學(xué)的考核成績。

        除了采用期末考試的方式來評價學(xué)生的短期學(xué)習(xí)效果,還可對教學(xué)效果持續(xù)考核論證:一方面對比分析采用與否教學(xué)方案的兩類學(xué)生(《材料成型計算應(yīng)用》也是成型專業(yè)鍛壓、模具方向?qū)W生的必修課)在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中的完成情況,畢業(yè)用人單位的后續(xù)隨訪,對教學(xué)效果進(jìn)行考核檢驗(yàn);另外還可依托本科大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,全國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽等實(shí)踐項(xiàng)目,在接受社會檢驗(yàn)的同時,激發(fā)學(xué)生的競爭意識和挑戰(zhàn)意識。

        表2 《材料成型計算機(jī)應(yīng)用》課程的教學(xué)進(jìn)程表

        3 實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)的問題

        學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件時,有學(xué)會軟件操作就實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的想法,要注意引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變這種思想。使學(xué)生明白每一次設(shè)計都要以鑄造方向?qū)I(yè)課基本理論、基礎(chǔ)知識為依據(jù)進(jìn)行工藝分析和設(shè)計,另外教師在授課時要對案例涉及的知識點(diǎn)(基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識)講解透徹,明了。

        不可否認(rèn)的是,目前的本科教學(xué)以及鑄造專業(yè)課的講解主要還是以課堂教學(xué)為主,學(xué)生是被動的,而且接觸到的主要是書本、文字、圖表,給知識的掌握帶來很大的難度。因此學(xué)校和教師要盡力創(chuàng)造更多的現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)機(jī)會,使學(xué)生更多了解零部件的實(shí)際工藝過程。比如,可以在《特種鑄造》、《鑄造工藝與設(shè)備》、《傳輸原理》等課程教學(xué)過程中,有意穿插計算機(jī)輔助設(shè)計內(nèi)容,通過哪怕一次機(jī)房上機(jī)實(shí)驗(yàn)或者課后作業(yè)的形式,這樣既能讓學(xué)生更好得掌握計算機(jī)輔助設(shè)計的技能,也是對當(dāng)前課程的一次有益深化探討,何樂而不為呢?

        4 結(jié)論

        當(dāng)前,計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)迅速發(fā)展,使得企業(yè)對掌握和了解相關(guān)知識的鑄造成型專業(yè)人才需求迫切,教師如何在專業(yè)課學(xué)時不斷壓縮的前提下,充實(shí)教學(xué)內(nèi)容,促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng),是高校教師面臨的一個重要課題[6-7]。教學(xué)實(shí)踐表明,將工作過程教學(xué)法應(yīng)用于鑄造專業(yè)的課程教學(xué)中,本著課堂教學(xué)為輔,實(shí)踐教學(xué)為主的思路,對計算機(jī)應(yīng)用技能結(jié)合鑄造成型理論、工藝等難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講解,可以取得良好的教學(xué)效果。表現(xiàn)在學(xué)生對課本知識有了更全面的認(rèn)識和把握,增加了知識的系統(tǒng)性;學(xué)生對鑄造工藝設(shè)計、鑄造缺陷分析、鑄造工藝優(yōu)化均加深了理解;激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣,使其專注聽講、主動積極提問,互相協(xié)作,對教師也起到了激勵作用。

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