（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053）

人工智能和信息技術(shù)正在全面地提升鑄造行業(yè)的技術(shù)水平，其中以計算機(jī)仿真模擬為核心的數(shù)字化鑄造已在鑄造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。

高職院校作為復(fù)合型技術(shù)技能人才的培養(yǎng)搖籃，要根據(jù)現(xiàn)代鑄造業(yè)發(fā)展對人才的需求，順應(yīng)時代潮流，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上開展大刀闊斧的改革。以扎實的理論基礎(chǔ)和動手能力、良好的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊精神為培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合三維設(shè)計和仿真模擬軟件的應(yīng)用，我們對傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計和鑄造仿真模擬等專業(yè)課程進(jìn)行整合提升，開展了“學(xué)練做一體化”教學(xué)模式的研究與實踐，取得了初步成效。

1 《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程的結(jié)構(gòu)體系

1.1 原有專業(yè)課程體系

《鑄造工藝設(shè)計》和《鑄造仿真模擬技術(shù)》（鑄造CAE 技術(shù)）是鑄造專業(yè)的兩門傳統(tǒng)核心課程。鑄造工藝設(shè)計是在造型材料、鑄件成型原理等課程基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地教授學(xué)生開展零件鑄造工藝設(shè)計的原則、方法、內(nèi)容和過程。而鑄造CAE 技術(shù)則通過數(shù)字化技術(shù)開展鑄造工藝的仿真模擬，可以有效縮短鑄造工藝的設(shè)計周期，改善優(yōu)化鑄造工藝方案，已經(jīng)成為鑄造行業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展方向和必備課程[2]。

在原有的課程體系中，學(xué)生分別學(xué)完這兩門專業(yè)課程后，再集中安排實踐教學(xué)（實訓(xùn)周）鞏固加強(qiáng)。如此，便容易產(chǎn)生理論與實際脫節(jié)，學(xué)生分化嚴(yán)重、兩頭畏難、無從下手甚至放棄專業(yè)的風(fēng)險。這種風(fēng)險，在普遍沒有養(yǎng)成良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的高職學(xué)生中，表現(xiàn)得更加明顯。

1.2 《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程結(jié)構(gòu)

《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程以鑄造工藝設(shè)計為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)繪圖軟件和鑄造仿真模擬軟件的應(yīng)用，旨在通過“學(xué)練做一體化”教學(xué)改革，加強(qiáng)學(xué)生的理解能力、動手能力和對信息化、數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用能力，培養(yǎng)具備解決實際問題和富有創(chuàng)新思維的復(fù)合型鑄造專業(yè)技術(shù)技能人才。課程體系按照知識結(jié)構(gòu)分為三大模塊：鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)，專業(yè)繪圖軟件的應(yīng)用，鑄造工藝的仿真模擬及優(yōu)化。

1）鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)：按照砂型鑄造工藝的設(shè)計原則和一般流程，通過鑄造工藝考核，鑄造工藝方案確定，鑄造工藝參數(shù)選擇，砂芯設(shè)計，澆注系統(tǒng)設(shè)計，補縮系統(tǒng)設(shè)計等步驟，完成任務(wù)零件的鑄造工藝設(shè)計初步方案。

2）專業(yè)繪圖軟件的應(yīng)用：主要包括CAD、UG、SOLIGDWORK、PRO-E 等，我們目前指導(dǎo)學(xué)生采用CAD 軟件繪制二維工藝圖和鑄件圖等，采用UG 軟件進(jìn)行三維建模和工藝設(shè)計。在三維環(huán)境下開展鑄造工藝設(shè)計，可以讓設(shè)計變得更加直觀和生動，可以提高學(xué)生興趣，降低設(shè)計難度。

3）鑄造工藝仿真模擬及優(yōu)化：與國內(nèi)很多高校一樣，我們采用華鑄CAE 軟件對完成初步設(shè)計的鑄造工藝方案進(jìn)行澆注和凝固過程模擬，通過數(shù)值分析，獲得相關(guān)鑄件的溫度場分布情況、流動場分布情況、應(yīng)力場分布情況以及可能產(chǎn)生缺陷的種類、數(shù)量和分布情況，從而確定鑄造工藝方案的合理性，并根據(jù)模擬結(jié)果來改善和優(yōu)化鑄造工藝。

2 “學(xué)練做一體化”教學(xué)模式

“學(xué)練做一體化”教學(xué)模式是師生雙方和諧交融，邊學(xué)邊練邊做，理論和實踐交替進(jìn)行，直觀和抽象交錯出現(xiàn)，理中有實，實中有理，突出動手能力和專業(yè)技能培養(yǎng)，充分激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的一種教學(xué)模式。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生真正變成了學(xué)習(xí)的主人，而教師只是一個引導(dǎo)者或者答疑解惑者。以《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程為例，學(xué)練做一體化教學(xué)過程設(shè)計如下。

1）學(xué)?！惰T造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程采用理實一體化教學(xué)，教學(xué)場地為“鑄造仿真模擬技術(shù)實訓(xùn)室”，實訓(xùn)室電腦統(tǒng)一安裝CAD、UG、華鑄CAE 等相關(guān)軟件。利用多媒體、教學(xué)軟件以及新形態(tài)等不同的教學(xué)手段，教授學(xué)生掌握完成項目任務(wù)的相關(guān)知識點、方法技能、生產(chǎn)工藝等。重點讓學(xué)生理解、學(xué)習(xí)、實踐、掌握在三維環(huán)境下的鑄造工藝設(shè)計流程和內(nèi)容，鑄造仿真模擬軟件的操作和運用，以及通過模擬結(jié)果來分析問題和優(yōu)化工藝的思路和路徑。

2）練。《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程在教學(xué)過程中主要采用小組合作練習(xí)法，每組4-6 位同學(xué)，設(shè)組長一名。學(xué)生分組遵循“組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)，優(yōu)勢互補”的原則，每個小組根據(jù)老師的講解、示范和要求，共同研討練習(xí)，熟悉示范零件的鑄造工藝三維設(shè)計流程，以及相關(guān)繪圖軟件和仿真模擬軟件的操作運用、結(jié)果分析等。

3）做。經(jīng)過學(xué)習(xí)和練習(xí)，每個小組布置一個與教學(xué)難度基本一致的任務(wù)零件（難度系數(shù)根據(jù)分組學(xué)生的能力來定）。為提高教學(xué)質(zhì)量，貼近生產(chǎn)實際，教學(xué)案例和任務(wù)零件均來自鑄造企業(yè)。每組學(xué)生運用通過學(xué)習(xí)、練習(xí)環(huán)節(jié)掌握的專業(yè)知識和操作技能，獨立完成任務(wù)零件的鑄造工藝設(shè)計，凝固、充型過程的仿真模擬，并通過分析模擬結(jié)果來改善缺陷、優(yōu)化工藝。教師在“做”的環(huán)節(jié)要悉心指導(dǎo)、答疑解惑，幫助學(xué)生有效鞏固專業(yè)知識和操作技能。

完成全部任務(wù)后，抽取3-5 名學(xué)生上臺展示各自項目的完成情況，發(fā)布鑄造工藝設(shè)計方案和主要工藝參數(shù)，以及模擬結(jié)果、工藝優(yōu)化方案等相關(guān)內(nèi)容。其他同學(xué)可以提問，指出不足之處，探討交流工藝方案和改進(jìn)措施，最后由教師進(jìn)行總結(jié)、點評和指導(dǎo)。

3 教學(xué)方法與效果

3.1 教學(xué)方法

《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》是工程性和實踐性較強(qiáng)的課程[3]，在“學(xué)練做一體化”教學(xué)過程中，應(yīng)該靈活運用多種教學(xué)方法，根據(jù)知識結(jié)構(gòu)模塊各有側(cè)重，相互協(xié)調(diào)，有效提高教學(xué)質(zhì)量。通過一般性教學(xué)方法向擴(kuò)展知識型教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，可以開闊學(xué)生思路，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力[4]。

1）案例分析法

在教學(xué)過程中，每個項目案例都來源于鑄造企業(yè)的生產(chǎn)實際。教師結(jié)合案例開展鑄造工藝設(shè)計和仿真模擬演示，學(xué)生則采用“模擬學(xué)習(xí)”的方法，跟隨教師的案例分析和講解，完成與案例相似的工作任務(wù)。

2）分組教學(xué)法

在學(xué)生“練”的環(huán)節(jié)，采用分組合作學(xué)習(xí)模式。每個小組成員通過分工合作，共同完成任務(wù)項目。在分組練習(xí)中，教師應(yīng)注重對組長能力的全面考量和選擇，同時保持小組成員的動態(tài)性，必要時及時調(diào)整。分組合作學(xué)習(xí)除了讓學(xué)生更好地掌握知識技能、增強(qiáng)動手能力外，還可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識、合作精神、創(chuàng)新能力和情感交流。

3）項目教學(xué)法

在學(xué)生“做”的環(huán)節(jié)，同樣采用生產(chǎn)零件作為項目教學(xué)法的載體，師生協(xié)調(diào)、分組合作，共同完成一個項目任務(wù)。在實施過程中，首先由教師明確項目任務(wù)和要求，再由分組學(xué)生制定相應(yīng)的實施方案（鑄造工藝設(shè)計和優(yōu)化的具體步驟），然后在教師的指導(dǎo)下實施，完成項目任務(wù)。

4）任務(wù)驅(qū)動法

“學(xué)練做一體化”教學(xué)模式中，每一個知識模塊和學(xué)習(xí)單元都有明確的目標(biāo)任務(wù)，采用任務(wù)驅(qū)動。教師向各組學(xué)生下達(dá)項目任務(wù)，學(xué)生按照項目計劃和時間進(jìn)度完成各項設(shè)計任務(wù)。任務(wù)驅(qū)動有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和工作主動性，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)和積極的人生態(tài)度。

3.2 教學(xué)效果

采用“學(xué)練做一體化”教學(xué)的《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程，最明顯的教學(xué)效果是充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，學(xué)生課堂參與度顯著提升。尤其是理論學(xué)得不太好的學(xué)生，通過實踐練習(xí)激發(fā)了自信，反過來又通過技能操作鞏固了專業(yè)知識。團(tuán)隊合作練習(xí)營造了良好的學(xué)習(xí)交流氛圍，進(jìn)而提高了整個團(tuán)隊的知識能力水平。

其次，重新設(shè)計的課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)容豐富，層層深入。整個教學(xué)過程理實一體，梯度合理，銜接流暢，在課時縮短的前提下取得了良好的教學(xué)效果，并做到了將數(shù)字化教學(xué)模式與傳統(tǒng)工藝設(shè)計的有機(jī)結(jié)合。

此外，“學(xué)練做一體化”教學(xué)模式，還注重培養(yǎng)學(xué)生依靠團(tuán)隊力量取長補短，綜合運用知識和技能來分析問題和解決問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生的溝通交流和團(tuán)隊協(xié)作能力，從而為將來進(jìn)入職場打下良好基礎(chǔ)。

4 問題及改進(jìn)

《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程的教學(xué)改革，是一個挑戰(zhàn)傳統(tǒng)專業(yè)課程體系和教學(xué)模式的過程，自然會遇到許多困難。我們不忘初心，探索實踐，在此將遇到的問題加以總結(jié)，供同行借鑒。

4.1 師資力量

《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化》課程，涉及的專業(yè)知識十分廣泛：鑄造工藝設(shè)計、造型材料、鑄造熔煉技術(shù)、鑄件缺陷分析、鑄造仿真模擬等，幾乎涵蓋了砂型鑄造專業(yè)的所有理論課程，再加上CAD 和UG 等建模、繪圖軟件的運用，對指導(dǎo)教師提出了很高的要求。不僅要有扎實的專業(yè)理論功底，也要具備良好的實踐操作和動手能力，更要與時俱進(jìn)，掌握先進(jìn)軟件的應(yīng)用和指導(dǎo)能力。其不僅僅是傳統(tǒng)意義上的雙師型教師，更要具備良好的創(chuàng)新思維和綜合教學(xué)能力。因此，從這個意義上說，師資力量是教學(xué)改革成功與否的關(guān)鍵。

4.2 教材改革

一方面，由于歷史原因，鑄造專業(yè)教材少，更新慢；另一方面，“學(xué)練做一體化”教學(xué)模式對教材提出了理實一體、適應(yīng)新形態(tài)教學(xué)的更高要求。教材改革勢在必行。

“學(xué)練做一體化”教材要摒棄傳統(tǒng)專業(yè)教材的理論模式，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)結(jié)構(gòu)，采用“項目引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動”的方式編寫。把各個知識點由簡入繁融入到項目中，實現(xiàn)“項目遞進(jìn)”，使其符合學(xué)生認(rèn)知和職業(yè)成長規(guī)律。同時還要將各個知識點分解到實踐任務(wù)中，有計劃、有層次地開展技能訓(xùn)練，在訓(xùn)練中讓學(xué)生知其然。對于實踐中出現(xiàn)的各種問題，教師再結(jié)合專業(yè)理論知識加以解釋指導(dǎo)，使學(xué)生知其所以然，從而實現(xiàn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。

目前，理實一體化教材《鑄造三維設(shè)計及優(yōu)化技術(shù)》已經(jīng)編寫完成。教材重點介紹了鑄造工藝設(shè)計的理論基礎(chǔ)，如何在三維環(huán)境下開展砂型鑄造的工藝設(shè)計，以及如何運用華鑄CAE 等專業(yè)軟件開展仿真模擬和鑄造工藝優(yōu)化，為學(xué)生的“學(xué)”提供理論指導(dǎo)；教材匯集大量來自鑄造企業(yè)生產(chǎn)實際的典型案例進(jìn)行設(shè)計、分析，為學(xué)生的“練”和“做”提供參考。

4.3 實訓(xùn)條件

“學(xué)練做一體化”教學(xué)對硬件有較高要求，必須滿足每個學(xué)生動手實踐和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的需要。原先的“鑄造模擬技術(shù)實訓(xùn)室”存在場地小，軟件模塊更新慢等問題。借著學(xué)?？焖侔l(fā)展和“雙高”建設(shè)的東風(fēng)，投資1 800 余萬元的鑄造3D 打印中心已經(jīng)建設(shè)完成，其中的智慧教室設(shè)施先進(jìn)，完全符合理實一體化教學(xué)和新形態(tài)課堂的硬件要求（如圖1）.

接下來的工作，是完善軟件。一方面是鑄造三維設(shè)計軟件，軟件要多樣化，可以選擇安裝UG、SOLIGDWORK、PRO-E、AUTOCAD 等，以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，提高學(xué)生的繪圖技巧、建模水平和設(shè)計能力。另一方面是鑄造仿真模擬軟件，除了更新升級華鑄CAE 以外，已經(jīng)申報采購目前國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用較為廣泛的MAGMA、Procast、Anycasting 等專業(yè)軟件，以更好地開闊學(xué)生視野，提升學(xué)生的專業(yè)水平和實踐能力，促進(jìn)產(chǎn)教融合。

圖1 智慧教室