岳航宇 李曉曼 李濤濤 李瑞峰

（江蘇科技大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

材料加工冶金傳輸原理是冶金工程、焊接技術(shù)與工程和材料成型與控制工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁，起到了承上啟下的作用[1]。然而，冶金傳輸原理課程以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理及物理化學(xué)為基礎(chǔ)，是一門理論性很強(qiáng)的課程，概念抽象、公式繁多，教師難教，學(xué)生難學(xué)[2,3]。很多學(xué)生通過死記硬背通過考試，對(duì)以后在工作中解決實(shí)際問題或者繼續(xù)深造形成一定的困難。為了使學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)，掌握該課程的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考及解決實(shí)際問題的能力，筆者結(jié)合該課程的教學(xué)工作的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，對(duì)該課程的教學(xué)做出以下幾方面的改革嘗試。

1 注重緒論的講解

緒論是學(xué)生認(rèn)識(shí)本課程的開始，對(duì)學(xué)生以后的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用，良好的緒論介紹可以使學(xué)生對(duì)課程有清楚的認(rèn)識(shí)，有助于以后的課程學(xué)習(xí)，因此，應(yīng)當(dāng)注重緒論的介紹，使學(xué)生全面了解本課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程緒論通常主要包括課程的性質(zhì)、課程的內(nèi)容、課程的特點(diǎn)、教學(xué)的目的、教材與教參、成績(jī)?cè)u(píng)定等。但由于冶金傳輸原理的知識(shí)較為抽象，概念較多，公式較為復(fù)雜，僅僅講述這些內(nèi)容，學(xué)生對(duì)這門課程的認(rèn)識(shí)非常有限。為了使學(xué)生對(duì)這門課有更清楚的認(rèn)識(shí)，如果在緒論中添加本門課程的學(xué)習(xí)背景及意義進(jìn)行介紹，將實(shí)例與抽象概念相結(jié)合，使學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)化，有助于學(xué)生以后在學(xué)習(xí)過程中對(duì)概念和理論的理解和記憶。對(duì)于焊接專業(yè)的學(xué)生，在講解緒論的時(shí)候，引入與焊接專業(yè)相關(guān)的真實(shí)案例，將質(zhì)量傳輸、動(dòng)量傳輸以及熱量傳輸他們之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，一方面可以增加學(xué)習(xí)的趣味性，另一方面便于學(xué)生將各知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來。例如，在講解緒論的時(shí)候，將目前最熱門的金屬3D打印技術(shù)案例引入進(jìn)來，金屬3D打印技術(shù)相當(dāng)于堆焊，與焊接技術(shù)密切相關(guān)。由于金屬3D打印過程中于熔池較小，難以直接觀察熔池內(nèi)部熔體流動(dòng)，以及在逐層堆積過程中，溫度場(chǎng)波動(dòng)變化及分布情況難以直接測(cè)出，對(duì)3D打印金屬構(gòu)件的組織演變和力學(xué)性能的調(diào)控存在技術(shù)難題，而通過數(shù)值模擬技術(shù)可以解決該問題，數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)就是冶金傳輸原理這門課程，那么學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)這門課的背景及意義就有所了解。

接著將金屬3D打印過程示意圖給學(xué)生進(jìn)行展示，如圖1a所示，通過該圖，學(xué)生可以清楚地知道什么是熱量傳輸，以及熱量傳輸主要存在輻射換熱、對(duì)流換熱及導(dǎo)熱傳熱主要三種傳熱方式，且從圖1中可以看到三種傳熱方式的不同之處，這就是熱量傳輸要講的主要內(nèi)容。接著對(duì)金屬3D打印中的微熔池進(jìn)行觀察，對(duì)熔池內(nèi)部的流體流動(dòng)進(jìn)行講解，如圖1b所示，可以看出，熔池內(nèi)部主要存在液態(tài)金屬流動(dòng)引起剪切力FS、表面張力梯度引起Marangoni剪切力Fσ；金屬蒸汽反沖壓力Pr、彎曲液面表面張力引起的附加壓力Pσ、流體靜壓力Pl，熔池內(nèi)部熔體在這些力的作用下產(chǎn)生流體流動(dòng)現(xiàn)象，這就是動(dòng)量傳輸過程，通過研究動(dòng)量傳輸，可以了解熔池內(nèi)部流體流動(dòng)情況。由于熔池內(nèi)部熔體存在流動(dòng)以及濃度梯度，溶質(zhì)原子在熔體流動(dòng)或者濃度梯度作用下發(fā)生質(zhì)量傳遞現(xiàn)象就是質(zhì)量傳輸，如圖1c所示，并根據(jù)傳遞方式不同，質(zhì)量傳輸存在分子擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流流動(dòng)傳質(zhì)兩種方式。這不需要學(xué)生對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都了解，主要目的是讓同學(xué)們對(duì)冶金傳輸原理之后要講解的內(nèi)容有一個(gè)大概的輪廓，這樣就可以采用一個(gè)故事主線，將三塊內(nèi)容串聯(lián)起來。此外，可以看出，三種傳輸現(xiàn)象是同時(shí)存在的，這也可以讓學(xué)生理解質(zhì)量傳輸、動(dòng)量傳輸和熱量傳輸三種不同傳輸方法放在一起講解的原因。

圖1 金屬3D打印過程存在的熱量傳輸、動(dòng)量傳輸和質(zhì)量傳輸示意圖

2 注重課堂形象教學(xué)

對(duì)于冶金傳輸原理課程中抽象的概念和晦澀難懂的公式，在課堂教學(xué)過程中應(yīng)采用形象教學(xué)，來解釋抽象的物理概念，幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以利用多媒體技術(shù)（圖片、動(dòng)畫等）向?qū)W生形象地展示各種抽象概念和生產(chǎn)工藝，如流體黏度，可以通過一張圖片進(jìn)行對(duì)比，一目了然其物理含義，如圖2所示?？梢詫⒏鞣N動(dòng)態(tài)形象的3D動(dòng)畫素材貫穿于理論教學(xué)的各個(gè)章節(jié)，從而提供寓教于樂的教學(xué)氛圍，將抽象概念形象化，以幫助學(xué)生理解并掌握基本概念。如“層流和湍流”一章，可以讓學(xué)生觀看流體在管道內(nèi)部流動(dòng)的視頻，使學(xué)生直接對(duì)這兩種流動(dòng)在腦海中有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，這樣就對(duì)著兩個(gè)概念很容易理解并掌握。此外，可以利用實(shí)際生產(chǎn)生活實(shí)例，將抽象概念變?yōu)榫唧w。如在講解強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流這兩個(gè)概念的區(qū)別時(shí)，可以利用夏天自然風(fēng)和采用電風(fēng)扇時(shí)產(chǎn)生的外力風(fēng)來進(jìn)行舉例，從而也使學(xué)生理解強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流具有不同的對(duì)流換熱系數(shù)的原因。通過一些動(dòng)畫，把一些抽象的物理過程形象地展現(xiàn)給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)物理過程的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及自主學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。

圖2 三種不同物質(zhì)黏度示意圖

3 仿真模擬與理論知識(shí)相結(jié)合

冶金傳輸原理課程中的概念和理論知識(shí)抽象復(fù)雜，理解難度較大，因此，教師的教學(xué)難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)難度也較大，容易使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性降低，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。針對(duì)以上問題，可以將相關(guān)焊接熔池的模擬仿真引入到課堂。例如，在焊接過程中，存在熱量、動(dòng)量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象，而在焊接過程中，很難直接觀察到熔池內(nèi)部熔體的流動(dòng)現(xiàn)象。而通過焊接熔池模擬仿真技術(shù)，可以向?qū)W生清楚地展示熔池內(nèi)部流體的流動(dòng)方向、溫度場(chǎng)及熱量傳輸方向，如圖3所示。此外，通過仿真模擬，還可以直接觀察焊接冶金過程中，冶金缺陷的形成原因，進(jìn)而正確設(shè)置焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無缺陷的產(chǎn)品的制造。通過模擬仿真，可以使二維的理論內(nèi)容轉(zhuǎn)化為三維立體的工程實(shí)踐問題，便于學(xué)生理解抽象的專業(yè)知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，進(jìn)而提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。

圖3 焊接熔池熔體流動(dòng)仿真模擬

此外，模擬仿真技術(shù)的基本理論基礎(chǔ)就是采用冶金傳輸原理課程中的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，進(jìn)而可以使學(xué)生對(duì)質(zhì)量傳輸、動(dòng)量傳輸和能量傳輸?shù)闹R(shí)進(jìn)一步升華。反過來就為他們以后繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)，因此更深入地了解熔池熔體流體流動(dòng)，加深理解動(dòng)量傳輸?shù)母拍钆c公式。

4 加強(qiáng)科研創(chuàng)新培養(yǎng)

教師應(yīng)結(jié)合自身的科研經(jīng)歷，向?qū)W生介紹科學(xué)研究方法和目前的相關(guān)科學(xué)技術(shù)前沿，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力[4,5]。例如，本人一直從事TiAl合金的3D打印技術(shù)研究，通過模擬仿真技術(shù)，可以向?qū)W生們直觀地展示CFD流體模擬軟件在金屬3D打印技術(shù)方向的實(shí)際應(yīng)用，以及可以向?qū)W生介紹金屬3D打印技術(shù)方向存在的科學(xué)難題，從而不僅能夠使學(xué)生了解材料科學(xué)與工程的技術(shù)前沿，深化理論知識(shí)的理解，還可以增加其學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。另外，緊密結(jié)合焊接前沿技術(shù)，補(bǔ)充有關(guān)內(nèi)容，將最新研究成果融入課堂教學(xué)，以進(jìn)一步充實(shí)和豐富教學(xué)內(nèi)容。例如，可以向?qū)W生展示國(guó)內(nèi)在金屬3D打印領(lǐng)域取得的偉大成就，如北航王華明教授解決大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力控制、質(zhì)量控制和裝備標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)難題，使3D打印鈦合金成功應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)上；西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授采用3D打印技術(shù)制備的翼肋鈦合金上、下緣條，成功應(yīng)用到國(guó)產(chǎn)C919大飛機(jī)上。通過這些內(nèi)容的講解，進(jìn)一步提升學(xué)生們的民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)主義情懷。

在動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸和熱量傳輸課程講述結(jié)束后，讓學(xué)生自愿分組參與科研訓(xùn)練，讓他們了解目前焊接和金屬3D打印技術(shù)遇到的實(shí)際工程技術(shù)問題和科研項(xiàng)目，并利用目前快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和商用CFD軟件以及他們學(xué)過的質(zhì)量傳輸，動(dòng)量傳輸和熱量傳輸?shù)幕纠碚?，讓他們?nèi)ソ鉀Q目前焊接熔池流體流動(dòng)狀態(tài)的模擬及冶金缺陷的形成機(jī)制，金屬3D打印溫度場(chǎng)波動(dòng)及變化情況等實(shí)際問題。這樣，可以根據(jù)實(shí)際問題，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型或者從CFD軟件中選擇合理的數(shù)學(xué)模型，建立并劃分網(wǎng)格，根據(jù)工藝情況確定合理的邊界條件，然后進(jìn)行求解計(jì)算?；蛘弋?dāng)CFD軟件不能滿足求解需要時(shí)，學(xué)生可以根據(jù)自己的基本理論知識(shí)，通過編程進(jìn)行簡(jiǎn)單的二次開發(fā)，向CFD軟件中添加子程序，從而解決實(shí)際及科研問題，這樣可以讓他們更加深入地了解傳輸原理在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用，且進(jìn)一步深化理論知識(shí)的理解。采用CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算也是理論聯(lián)系實(shí)際的具體體現(xiàn)，為學(xué)生將來進(jìn)入企業(yè)解決實(shí)際問題，或者其在進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)時(shí)，培養(yǎng)良好的科研素養(yǎng)及創(chuàng)新能力。因而，理論、科研及實(shí)踐之間的相互關(guān)聯(lián)即為專業(yè)知識(shí)學(xué)以致用的過程，以此過程促使學(xué)生體會(huì)專業(yè)課程趣味性、實(shí)用性的同時(shí)激發(fā)其創(chuàng)新思維。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在高等教育人才培養(yǎng)過程中，及時(shí)更新和改革教學(xué)方法，將先進(jìn)的教學(xué)理論與方法密切結(jié)合，將抽象的知識(shí)形象化、具體化，增加課程的趣味性，從而可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。因此，可以解決冶金傳輸原理課程知識(shí)存在的“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的現(xiàn)象。此外，通過教學(xué)方法的改革，可以培養(yǎng)學(xué)生的解決工程問題能力并能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，促使學(xué)生學(xué)以致用、學(xué)有所用，提高了教學(xué)質(zhì)量，顯著地激發(fā)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新思維。此外，通過改革教學(xué)方法，可以將企業(yè)需求與高校教育相結(jié)合，培養(yǎng)出滿足現(xiàn)代社會(huì)需求的應(yīng)用型、創(chuàng)新型技術(shù)人才。