游國強(qiáng) 趙建華 魏國兵 薛寒松 曹韓學(xué) 王開 謝衛(wèi)東

【摘要】針對重慶大學(xué)“材料工程”全日制專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的需求，結(jié)合本?，F(xiàn)有課程體系，提出了面向“材料工程”全日制專業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)的“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)案例庫建設(shè)方案：甄選具有代表性的25個液態(tài)成型相關(guān)的工程實例，分別支撐涉及“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”的8門核心課程，案例庫涵蓋了液態(tài)成型的熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態(tài)成型工藝技術(shù)和液態(tài)成型數(shù)值模擬5大工藝環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】材料工程全日制專業(yè)學(xué)位液態(tài)成型教學(xué)案例

【基金項目】重慶市專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫建設(shè)項目（項目號：CQALK2018006）。

【中圖分類號】G64? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A???? 【文章編號】2095-3089（2021）11-0184-03

材料是支撐現(xiàn)代文明的三大支柱之一，材料工業(yè)是發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]。

材料需要經(jīng)歷一定的成型加工工藝才能成為最終的零件或制品，才能應(yīng)用到工程實際中。液態(tài)成型作為一種將材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤钚阅芎细窆虘B(tài)制品的技術(shù)手段，是最基礎(chǔ)、也是最主要的材料成型加工工藝之一。幾乎所有材料在“原料-制品-使用-回收利用”生命周期內(nèi)都會經(jīng)歷液態(tài)成型過程，尤其是金屬材料。因此，液態(tài)成型技術(shù)在材料工業(yè)中具有重要地位，這也自然導(dǎo)致了其在材料類專業(yè)的教學(xué)活動中具有重要地位，是必須掌握的知識主題之一。

全日制材料工程專碩（專業(yè)學(xué)位研究生）就是在上述背景下設(shè)置的，其培養(yǎng)目標(biāo)有別于學(xué)術(shù)型碩士，主要是為材料工程領(lǐng)域的企事業(yè)單位培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型高層次工程技術(shù)與工程管理人才。但自材料工程專碩開始招生至今，培養(yǎng)方式還存在一些問題。目前較突出的問題之一是課堂教學(xué)中還存在以理論和學(xué)術(shù)為主的現(xiàn)象，“工程實踐與應(yīng)用”導(dǎo)向不夠清晰，不能很好地適應(yīng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求[3-4]。

案例教學(xué)方法對于“液態(tài)成型”知識主題而言尤為適合，因為液態(tài)成型技術(shù)涉及的工藝環(huán)節(jié)多，工程實踐性強(qiáng)，案例教學(xué)有利于學(xué)生的思維進(jìn)入工程實踐場景，以實際問題為導(dǎo)向進(jìn)行學(xué)習(xí)，促進(jìn)理論與實踐結(jié)合，培養(yǎng)分析解決實際工程問題的能力。但目前國內(nèi)針對材料工程專業(yè)“液態(tài)成型”知識主題的教學(xué)案例均極為匱乏。在“中國專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例中心”的案例庫中沒有一個關(guān)于液態(tài)成型的教學(xué)案例，甚至關(guān)于材料工程的也少之又少。這種情況在一定程度上阻礙了我市乃至我國材料工程專業(yè)學(xué)位教育的進(jìn)一步發(fā)展，成為亟待解決的問題。

在上述背景下，本文在重慶大學(xué)近年來“材料工程”全日制專碩培養(yǎng)工作基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實際，提出了面向“材料工程”全日制專碩課堂教學(xué)的“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)案例庫建設(shè)方案，供同行參考。

1.教學(xué)目標(biāo)

以重慶大學(xué)材料工程全日制專碩學(xué)位點為依托，針對核心課程中涉及“液態(tài)成型技術(shù)及應(yīng)用”教學(xué)主題的8門課程，甄選具有代表性的液態(tài)成型工程實例，建立以學(xué)生為中心、工程實踐應(yīng)用導(dǎo)向清晰的高質(zhì)量“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)案例庫;并通過在課堂教學(xué)中引入實踐案例，促進(jìn)理論與實踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高工程實踐能力，保證材料工程專業(yè)學(xué)位研究生復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

2.案例庫建設(shè)思路和內(nèi)容框架

本案例庫以重慶大學(xué)材料工程全日制專業(yè)碩士學(xué)位點為依托，針對現(xiàn)有核心課程中涉及“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)主題的8門課程，從液態(tài)成型的5大主要工藝環(huán)節(jié)（熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態(tài)成型數(shù)值模擬、液態(tài)成型工藝技術(shù)），從工程實際和科研實踐中提取具有代表性的25個工程實例，建立以學(xué)生為中心、工程應(yīng)用導(dǎo)向清晰的高質(zhì)量“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)案例庫。

從液態(tài)成型的5個工藝環(huán)節(jié)出發(fā)，本案例庫的具體建設(shè)思路如下：

熔體制備環(huán)節(jié)：熔體制備是液態(tài)成型的基礎(chǔ)和首要工藝環(huán)節(jié)。本方案在前期開發(fā)的兩項鎂熔體先進(jìn)制備技術(shù)（已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用）基礎(chǔ)上，擬提煉2個熔體制備的案例：“鎂合金綠色熔化精煉技術(shù)”和“含鋁鎂合熔體氣體變質(zhì)技術(shù)”，主要服務(wù)于“輕合金材料及加工技術(shù)”課程。

充型過程環(huán)節(jié)：充型指熔融態(tài)材料通過一定的流動通道向型腔中充填的過程，是液態(tài)成型重要的工藝環(huán)節(jié)。本方案擬從前期的科研項目中分別提取3個案例：“底注式澆包合金液流動模式水力學(xué)模擬”“壓鑄充型過程實時觀測與分析”和“凝固過程的透明合金模擬”，分別服務(wù)于“材料成型專業(yè)實驗”“工程材料現(xiàn)代檢測分析技術(shù)實驗”和“液態(tài)成型數(shù)值模擬與優(yōu)化”三門課程。

凝固過程及其控制環(huán)節(jié)：凝固指材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，對成型質(zhì)量有關(guān)鍵性的影響。本方案擬從科研項目和工程實踐中提煉6個案例：“形核劑對鎂合金基體相凝固過程中形核長大的影響”“超聲凝固細(xì)晶技術(shù)在鑄態(tài)鎂合金材料制備中的應(yīng)用”“Sn元素對AZ80鎂合金凝固過程及第二相析出行為的影響”“鋁合金鑄造熱裂傾向的測量評估”“半固態(tài)鋁合金力學(xué)特性及凝固行為”和“蠕墨鑄鐵凝固過程熱分析”，內(nèi)容覆蓋鎂鋁鐵三種工程實踐中常用金屬材料，服務(wù)于“凝固原理”“輕合金材料及加工技術(shù)”和“材料成型專業(yè)實驗”課程。

液態(tài)成型數(shù)值模擬環(huán)節(jié)：數(shù)值模擬作為近年來工程實踐中逐漸普及的先進(jìn)手段及工具，在液態(tài)成型工藝開發(fā)優(yōu)化中具有重要作用。本方案擬從前期的工程實踐中提煉2個案例：“壓鑄工藝優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值模擬”和“發(fā)動機(jī)缸蓋低壓鑄造過程CAE”服務(wù)于“液態(tài)成型數(shù)值模擬與優(yōu)化”課程。

液態(tài)成型工藝技術(shù)環(huán)節(jié)：工藝技術(shù)是材料工程全日制專業(yè)碩士需要掌握的重點內(nèi)容。本方案擬從前期相關(guān)的科研項目和工程實踐中提煉12個案例，分別為“高真空壓鑄技術(shù)”“液-固復(fù)合擠壓制備覆鋁鎂合金新方法”“高強(qiáng)鎂合金離心鑄造技術(shù)”“電動汽車用鎂合金壓鑄件成型工藝”“鎂合金壓鑄件焊接技術(shù)”“鋁合金的定向凝固制備”“Al3Ni增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成型技術(shù)”“顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件鑄造成型”“長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在線模壓成型”“渦輪葉片增材制造宏觀/微觀成形特征”“厚大件鑄造新方法”和“鑄型的3D打印成型”，內(nèi)容覆蓋壓鑄、真空壓鑄、離心鑄造、定向凝固、半固態(tài)鑄造、液-固復(fù)合擠壓、模壓成型、3D打印等工藝技術(shù)，服務(wù)于“材料加工先進(jìn)技術(shù)”“輕合金材料及加工技術(shù)”“復(fù)合材料”和“材料成型技術(shù)綜述”課程。

3.實用價值

本液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫建設(shè)具有如下三方面實用價值：

（1）促進(jìn)專業(yè)碩士課堂教學(xué)實現(xiàn)“實踐與應(yīng)用”導(dǎo)向

過去，材料工程全日制專業(yè)碩士的課堂教學(xué)缺乏案例庫支撐，教學(xué)上往往沿用學(xué)術(shù)型碩士以基礎(chǔ)理論為主的方式，實踐和應(yīng)用導(dǎo)向不清晰，與工程實際的結(jié)合不夠緊密，教學(xué)效果參差不齊。本項目所建案例庫將大幅度豐富材料工程專業(yè)碩士的課堂教學(xué)內(nèi)容，顯著改善過去與工程實際結(jié)合不夠的問題，對課堂教學(xué)起到實質(zhì)性支撐作用。

（2）有利于開放和互動式新型教學(xué)方式的引入

本文所述建設(shè)方案將構(gòu)建液態(tài)成型案例庫并用于課堂教學(xué)，在教學(xué)實踐中將引入開放式和互動式的教學(xué)方式，指導(dǎo)學(xué)生提前閱讀，再組織開展討論，形成反復(fù)的互動與交流，通過各種信息、知識、經(jīng)驗、觀點的碰撞來達(dá)到啟迪思維的目的，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，改變傳統(tǒng)的“老師講-學(xué)生聽”教學(xué)方式，提升教學(xué)效果。

（3）有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力

本文擬建的液態(tài)成型案例庫均取材于科研項目和工程實踐，具有顯著的先進(jìn)性和實踐性特點;同時，案例教學(xué)法本身就是一種應(yīng)用型、實踐型、以能力訓(xùn)練為核心的教學(xué)方法，在教學(xué)實踐中包括案例本身、案例點評、思考與探討、補(bǔ)充及拓展四個部分，一方面有利于學(xué)生接觸到真實的工程實際，另一方面也有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、思考問題和解決問題的實踐能力。

4.特色

本液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫建設(shè)在案例內(nèi)容、建設(shè)模式、案例庫構(gòu)架等方面具有一定的創(chuàng)新和特色，具體如下：

案例庫內(nèi)容：液態(tài)成型過程涉及材料、工藝、裝備等多方面內(nèi)容，既需要系統(tǒng)的理論知識支撐，也需要豐富的工程經(jīng)驗積累，但目前尚未有關(guān)于液態(tài)成型教學(xué)主題案例庫建設(shè)及應(yīng)用的相關(guān)報道。本案例庫建設(shè)將理論結(jié)合實踐，基于液態(tài)成型的主要工藝環(huán)節(jié)，從材料熔體制備與供應(yīng)、充型與凝固、綠色鑄型及精益鑄造工藝、高性能液態(tài)成型材料及產(chǎn)品、智能裝備等多方面系統(tǒng)搭建液態(tài)成型技術(shù)案例體系，案例內(nèi)容將甄選行業(yè)內(nèi)具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性的工程實例并加以提煉，其內(nèi)容將兼具創(chuàng)新性和實用性。

建設(shè)模式：本教學(xué)案例庫建設(shè)除了結(jié)合科研項目外，還將充分考慮行業(yè)對高層次應(yīng)用型人才的需求，將聯(lián)合本地具有代表性的行業(yè)龍頭企業(yè)，與企業(yè)聯(lián)動，邀請其研發(fā)部門和生產(chǎn)部門的資深工程技術(shù)人員參與案例庫建設(shè)，以打造典型、實用、新穎的工程教學(xué)案例;同時，還將結(jié)合液態(tài)成型過程專業(yè)特點，采用實驗數(shù)據(jù)、圖片、動畫等形式，以多媒體課件的形式為主，圖文并茂，生動、客觀、詳實的為學(xué)生展示案例內(nèi)容。

案例庫構(gòu)架：本項目的液態(tài)成型案例庫構(gòu)架具有三個結(jié)合的特點。其一是理論與實際相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用液態(tài)成型基本原理剖析制造過程的實際問題;其二是案例選排與知識要點相結(jié)合，案例的選擇完整體現(xiàn)了課程的知識要點和體系結(jié)構(gòu)，既突出案例的問題意識，又能領(lǐng)會學(xué)科的學(xué)理底蘊(yùn);其三是穩(wěn)定性與開放性相結(jié)合，所構(gòu)建的案例庫融合知識體系與具體案例，具有相對穩(wěn)定的架構(gòu)，在使用過程中不斷更新。

5.小結(jié)

本文針對重慶大學(xué)“材料工程”全日制專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)的需求，結(jié)合本?，F(xiàn)有課程體系，提出了面向“材料工程”全日制專業(yè)學(xué)位研究生課堂教學(xué)的“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)案例庫建設(shè)方案：

（1）案例庫內(nèi)容框架：甄選了具有代表性的25個液態(tài)成型相關(guān)的工程實例，分別支撐涉及“液態(tài)成型技術(shù)與應(yīng)用”的8門核心課程。

（2）案例庫涉及到液態(tài)成型的5大工藝環(huán)節(jié)：熔體制備、充型過程、凝固過程及其控制、液態(tài)成型數(shù)值模擬和液態(tài)成型工藝技術(shù)。

（3）本案例庫具有三個方面的實用價值：促進(jìn)專業(yè)碩士課堂教學(xué)實現(xiàn)“實踐與應(yīng)用”導(dǎo)向、有利于開放和互動式新型教學(xué)方式的引入、有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力;同時，在案例庫內(nèi)容、建設(shè)模式和案例庫構(gòu)架等方面具有一定的創(chuàng)新性和特色。

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作者簡介：

游國強(qiáng)，男，博士/副教授，主要從事先進(jìn)輕合金及其成型技術(shù)的教學(xué)科研工作。