黃健康 黃勇 樊丁

摘要：《焊接物理》課程是蘭州理工大學(xué)本科焊接技術(shù)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課。為了培養(yǎng)更多滿足工程需要的創(chuàng)新性人才，《焊接物理》課程的教學(xué)方法也應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)。以提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性為前提，通過焊接物理教材改革、能力培養(yǎng)、項(xiàng)目式教學(xué)和數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)方案，以探索為導(dǎo)向的《焊接物理》新的教學(xué)模式與教學(xué)理念，來培養(yǎng)焊接專業(yè)的高素質(zhì)本科畢業(yè)生。

關(guān)鍵詞：焊接物理;學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);探索;導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642;TG47? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.20

0? ? 前言

《焊接物理》課程是蘭州理工大學(xué)焊接技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，被認(rèn)為是焊接技術(shù)發(fā)展的理論基石[1]。該課程的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解焊接過程中相關(guān)的物理現(xiàn)象，闡述焊接過程所涉及的基本物理知識(shí)與現(xiàn)象。該課程的主要特點(diǎn)是覆蓋面廣、內(nèi)容豐富、實(shí)踐性強(qiáng)、理論知識(shí)抽象等;在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生需要對(duì)大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)公共課程有一定的掌握。學(xué)好該課程對(duì)日后焊接研究或后續(xù)焊接相關(guān)的課程和實(shí)踐都有極大的幫助。

作者在從事焊接技術(shù)與工程專業(yè)相關(guān)課程十幾年的教學(xué)生涯中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)《焊接物理》的實(shí)踐課程具有濃厚的興趣，但是在基礎(chǔ)知識(shí)的授課中，由于涉及大量的物理學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，學(xué)生對(duì)課程的興趣會(huì)隨著枯燥無味的公式大大削減，從而導(dǎo)致學(xué)生的理論知識(shí)薄弱，在開展后續(xù)相關(guān)的實(shí)踐課程時(shí)很難進(jìn)行下去。例如：在焊接專業(yè)的畢業(yè)答辯過程中，大多數(shù)學(xué)生的試驗(yàn)結(jié)果很好，具有很好的研究價(jià)值，試驗(yàn)流程清晰，但是許多結(jié)果分析都很淺薄，對(duì)相關(guān)問題也缺乏深入探討。另外，據(jù)以往的焊接畢業(yè)生反映，《焊接物理》這門課程知識(shí)點(diǎn)多而雜，涉及學(xué)科范圍較廣，他們只知道一些簡單的基本含義，很少有學(xué)生能理解物理現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因[2]。

為培養(yǎng)高水平、具備較強(qiáng)理論知識(shí)的本科畢業(yè)生以及具備科研和創(chuàng)新能力的研究生，就要求學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和充實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)。從以往本專業(yè)畢業(yè)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入社會(huì)工作的學(xué)生缺乏扎實(shí)的理論知識(shí)和嫻熟的實(shí)踐能力。畢業(yè)后選擇繼續(xù)深造的學(xué)生，雖然擁有較好的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，但是結(jié)合本科基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)分析深度的科研成果還存在一定的難度。因此，本科期間專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方式、學(xué)生接受知識(shí)的能力以及工程應(yīng)用培養(yǎng)的方式顯得尤為重要。以往的教學(xué)現(xiàn)象表明，焊接專業(yè)學(xué)生對(duì)于該課程的作用和價(jià)值不甚了解，對(duì)該課程的興趣不高，導(dǎo)致理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)薄弱，這無論是在日后的學(xué)習(xí)中還是將來的工作中都會(huì)對(duì)學(xué)生的發(fā)展形成一定的阻力[3]。因此，作者結(jié)合自己多年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及借鑒其他高?！逗附游锢怼氛n程授課內(nèi)容和教學(xué)方法，就本校學(xué)生該課程的建議和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，針對(duì)性地提出了一些改革措施，對(duì)本課程課堂教學(xué)方法和實(shí)踐課程以及授課教材作了新的探討。

1 焊接物理的改革思路

1.1 焊接物理的重要性

焊接技術(shù)作為材料加工工藝的一種重要方法，在推動(dòng)國家現(xiàn)代化建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展方面有著重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國50%以上的國民生產(chǎn)總值與焊接具有直接或者間接的關(guān)系。焊接是材料加工方法中最經(jīng)濟(jì)、最有效的材料永久性連接方法。

焊接技術(shù)已成為很多高校獨(dú)立的一門學(xué)科。焊接盡管看起來簡單，但所涉及的科學(xué)理論知識(shí)和可調(diào)節(jié)參數(shù)與其他加工工藝相比更復(fù)雜、更繁多，焊接過程中涉及大量復(fù)雜的物理現(xiàn)象，只有掌握了相關(guān)知識(shí)才能根據(jù)具體的應(yīng)用情況選擇合適的焊接方法和工藝。

1.2 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論的教學(xué)方法

學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論的教學(xué)模式旨在激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，是推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在因素。學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是由多種因素引起的，如學(xué)業(yè)的需要、學(xué)生本身的興趣愛好等，教師在制定教學(xué)方案時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，具有針對(duì)性的提出方案。在教學(xué)中，教師要及時(shí)調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)于一些情緒低落的學(xué)生及時(shí)了解情況并制定一系列鼓勵(lì)措施，以便教師獲得更好的教學(xué)效果。提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的目的在于讓學(xué)生愿意花更多的時(shí)間在學(xué)習(xí)上。因此，提出以下鼓勵(lì)措施以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

焊接作為材料連接的基本方法，無論在國家建設(shè)還是日常生活中都隨處可見。比如：航空母艦對(duì)于國家的軍事事業(yè)具有重大推動(dòng)作用，航空母艦的建造大都依賴于焊接技術(shù);日常生活中，許多電子器件的制造（如電子手表和手機(jī)芯片等）都會(huì)用到焊接技術(shù)[4]。《焊接物理》課程中涉及焊接技術(shù)最基本的理論知識(shí)，了解其應(yīng)用需對(duì)其涉及基本的理論知識(shí)熟知。因此，《焊接物理》的重要性對(duì)焊接專業(yè)不言而喻，必須強(qiáng)調(diào)《焊接物理》的重要性。

教師在授課時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生的興趣目的去挖掘新的教學(xué)方式，及時(shí)與學(xué)生探討他們選擇本專業(yè)的目的以及自己對(duì)于未來的規(guī)劃。教師有必要在教學(xué)過程中了解學(xué)生對(duì)《焊接物理》課程感興趣的地方，根據(jù)學(xué)生的興趣所在不斷擴(kuò)大教學(xué)范圍，通過開展相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)，將教材內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以接受的素材。在教學(xué)中要及時(shí)和學(xué)生溝通，了解學(xué)生們對(duì)課堂的理解程度，根據(jù)學(xué)生在課堂中出現(xiàn)的困難，老師在課后進(jìn)一步幫助學(xué)生理解，在學(xué)完本課程后使學(xué)生明白在本課程中需要完成的基本目標(biāo);同時(shí)，教師在教學(xué)過程中也需對(duì)本課程表現(xiàn)出巨大的教學(xué)熱情和學(xué)習(xí)動(dòng)力，在學(xué)生中起到積極的帶頭作用。

教師在規(guī)劃本課程時(shí)，對(duì)于可以增加學(xué)生理解和學(xué)習(xí)能力的意見，教師可以納入教學(xué)規(guī)劃中。其中最重要的是學(xué)生最感興趣和有意義的主題等，增加學(xué)生們的參與感，提升學(xué)生的理解能力。焊接技術(shù)的應(yīng)用在生活中隨處可見，同時(shí)也與學(xué)生的興趣聯(lián)系緊密，教師可以結(jié)合學(xué)生們的興趣愛好講解課程，從焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用到焊接過程中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生心中存在的疑惑進(jìn)行解答。例如：許多學(xué)生都喜歡追求電子產(chǎn)品，如電子手表和手機(jī)等，但是精密度較高的電子手表和手機(jī)芯片的制造會(huì)用到焊接技術(shù)。提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，適當(dāng)?shù)慕o學(xué)生安排課后任務(wù)，根據(jù)他們的興趣所在尋找相關(guān)的焊接物理知識(shí)，通過在課堂中討論、互相交流的過程中理解焊接物理的相關(guān)知識(shí)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

1.3 能力培養(yǎng)的教學(xué)方法

現(xiàn)階段本科生的教學(xué)中，許多課程采用的教學(xué)方法還是傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的自主性很難提升[5]。傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式只能幫助學(xué)生完成簡單的學(xué)業(yè)考試，但對(duì)于工程應(yīng)用和科研很難有突破。而國內(nèi)一些高校的學(xué)業(yè)考試有很大的迷惑性，學(xué)生會(huì)簡單的根據(jù)自己的成績高低來評(píng)估自己的學(xué)習(xí)結(jié)果，認(rèn)為只要在考前稍加背誦就可以通過考試。但是在后續(xù)的學(xué)習(xí)中出現(xiàn)之前的知識(shí)時(shí)，他們?nèi)匀惶幱阢露臓顟B(tài)。因此，在本課程的授課過程中，應(yīng)當(dāng)增加多元化的教學(xué)模式，充分體現(xiàn)出學(xué)生們各自的優(yōu)點(diǎn)，注重個(gè)性發(fā)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，采用能力培養(yǎng)模式下的啟發(fā)式教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到課程講授過程和學(xué)習(xí)討論中，而不是以往傳統(tǒng)教學(xué)的簡單繼續(xù)。

2 《焊接物理》課程的具體改革措施

2.1 教材建設(shè)及教學(xué)方法

當(dāng)前，全國所開設(shè)的焊接物理課程都是在講義的基礎(chǔ)上進(jìn)行講授，主要參考的文獻(xiàn)為J.F.Lancaster出版的《The physics of welding》、安藤弘平所著的《焊接電弧現(xiàn)象》、楊春利教授的《焊接電弧基礎(chǔ)》等，這些書籍要么為外國原版;要么難度系數(shù)較大，或者不能反映焊接物理課程的整體，所以急需該課程的配套教材。蘭州理工大學(xué)《焊接物理》課程一直以來沒有具體對(duì)應(yīng)的教材，授課教師也在各個(gè)方面來彌補(bǔ)這一缺陷。因此，作者根據(jù)自己對(duì)于《焊接物理》課程十幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合自己多年的科研成果編著了《焊接物理基礎(chǔ)》教材。該教材從簡單的基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，從理論結(jié)合實(shí)踐，再到具體的科研成果，以更全面、更具體的方式介紹了焊接過程中的物理現(xiàn)象。該教材主要包含焊接電弧、熔滴過渡和焊接熔池三大模塊。通過對(duì)教材內(nèi)容的改革，使學(xué)生更全面地認(rèn)識(shí)焊接過程，以各種物理現(xiàn)象為研究對(duì)象，學(xué)習(xí)物理力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等方面相關(guān)的物理規(guī)律，從而提升學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 探索新的教學(xué)實(shí)施方法

《焊接物理》課程中涵蓋了很多的抽象概念和復(fù)雜公式，這對(duì)于沒有相關(guān)基礎(chǔ)、首次學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生會(huì)覺得枯燥無味，而且繁瑣的概念會(huì)降低學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[6]。因此，教師要善于運(yùn)用學(xué)生的好奇心，協(xié)助學(xué)生探索學(xué)習(xí)，使學(xué)生體會(huì)學(xué)習(xí)的樂趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。通過鼓勵(lì)學(xué)生積極探索日常生活中焊接物理相關(guān)的知識(shí)，在課堂中善于與學(xué)生討論探索。運(yùn)用此方案既可以增加學(xué)生的興趣愛好，又可以幫助學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，課堂上教師與學(xué)生之間的互動(dòng)程度可以提高課堂效率。學(xué)生與老師之間可通過以下方式提高互動(dòng)質(zhì)量：老師與學(xué)生之間保持溝通順暢;教師鼓勵(lì)學(xué)生課堂提問，并做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng);教師在授課過程中要擅長使用幽默、通俗易懂的授課方法，還可通過列舉適當(dāng)?shù)陌咐W(xué)生理解;教師還應(yīng)當(dāng)充分尊重學(xué)生的自主權(quán)。課堂上提高互動(dòng)質(zhì)量是為了讓上課氛圍更加濃厚，增進(jìn)學(xué)生與老師之間的交流，激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)熱情。

2.3 項(xiàng)目式教學(xué)

《焊接物理》課程僅憑課堂授課很難得到提升，焊接專業(yè)本是工程應(yīng)用型專業(yè)，要理解地學(xué)習(xí)該門課程，就得多結(jié)合實(shí)踐。通過與以往焊接專業(yè)的畢業(yè)生交談中獲得：焊接過程中出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象，他們單純依靠老師的講解是很難理解的，當(dāng)經(jīng)過簡單的實(shí)踐課程后，就會(huì)提升他們對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的理解。因此，為提升本課程的學(xué)習(xí)效果提出了以驗(yàn)證和探索相結(jié)合的項(xiàng)目式教學(xué)概念。項(xiàng)目式教學(xué)法是通過引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并鼓勵(lì)學(xué)生去試驗(yàn)探索與驗(yàn)證，完成該課程的研究進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的一種培訓(xùn)方式。在此教學(xué)模式的開展下，教師通過鼓勵(lì)學(xué)生自主查找文獻(xiàn)，以工程應(yīng)用和科研創(chuàng)新為出發(fā)點(diǎn)，提出自己的項(xiàng)目名稱和思路，教師核準(zhǔn)后，學(xué)生開始撰寫該項(xiàng)目的研究方法、研究目的、研究目標(biāo);并確保所確立的研究題目盡可能覆蓋《焊接物理》課程的核心知識(shí)點(diǎn);樹立科學(xué)的研究方法，讓學(xué)生明確定量研究在科學(xué)研究中的意義，建立所研究的各物理量的相關(guān)性。在基本操作過程中，教師根據(jù)班級(jí)人數(shù)將學(xué)生劃分為多個(gè)小組，每組在項(xiàng)目題目核定后安排1名研究生跟蹤指導(dǎo)，以確保實(shí)驗(yàn)安全，并指導(dǎo)學(xué)生撰寫研究報(bào)告。對(duì)于項(xiàng)目式教學(xué)的成功檢驗(yàn)，在結(jié)題時(shí)，學(xué)生以組為單位進(jìn)行項(xiàng)目研究的匯報(bào)，同時(shí)邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及參與項(xiàng)目的老師參加評(píng)審，教師對(duì)匯報(bào)結(jié)果給出評(píng)分并對(duì)本課程項(xiàng)目教學(xué)開展研討，對(duì)于特別出色的研究，協(xié)助進(jìn)行論文撰寫并投稿。項(xiàng)目式教學(xué)可讓本科生盡早的接觸到科研，通過自己查找文獻(xiàn)、擬定題目、確定試驗(yàn)方案、著手做實(shí)驗(yàn)、寫小論文的模式，做到真正的活學(xué)活用[7]。在這樣的教學(xué)模式下，既提高了學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)還激發(fā)了學(xué)生對(duì)科研的熱愛，促進(jìn)學(xué)生后續(xù)的發(fā)展。

2.4 數(shù)值模擬在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究構(gòu)成了以試驗(yàn)、理論、數(shù)值模擬為三大手段的研究思路[8]。同樣，焊接技術(shù)的發(fā)展也依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。在《焊接物理》課程中，許多機(jī)制和現(xiàn)象不易在試驗(yàn)中觀測(cè)與探索。同時(shí)，一些試驗(yàn)過程也無法觀測(cè)，但為了反映或者研究該焊接物理過程，這時(shí)候就需要借助計(jì)算機(jī)來模擬，通過數(shù)值模擬的方法從而獲得相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。因此，在教學(xué)過程中將數(shù)值模擬運(yùn)用到焊接物理教學(xué)中[9]。在所建立虛擬實(shí)驗(yàn)室中，教師對(duì)相應(yīng)的模擬軟件進(jìn)行講解，并通過給學(xué)生安排相應(yīng)的案例，讓學(xué)生熟悉相應(yīng)的模擬軟件及操作[10]。以此幫助學(xué)生理解焊接過程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象。例如：焊接過程中，學(xué)生們僅憑教材中的熱循環(huán)曲線很難理解焊接熱過程，數(shù)值模擬可以對(duì)相應(yīng)的焊接過程進(jìn)行模擬，將焊接過程以動(dòng)畫的形式展示。學(xué)生們能夠更直觀地明白伴隨著熱源的移動(dòng)，焊件上各區(qū)域的溫度是如何變化的。如圖1為鈦合金和鋁搭接焊，其焊縫處溫度場的分布，圖2是A、B、C三點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化曲線。

數(shù)值模擬是焊接物理課程學(xué)習(xí)的一個(gè)拓新點(diǎn)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為紐帶，結(jié)合《焊接物理》課程中的基礎(chǔ)知識(shí)來探索求證焊接過程中的物理現(xiàn)象，并同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)他們的求知欲。因此，通過對(duì)學(xué)生多方面的教學(xué)模式的切入，以《焊接物理》課程為紐帶，對(duì)學(xué)生各方面綜合專項(xiàng)提升，并服務(wù)于焊接技術(shù)與工程專業(yè)的其他課程，最終讓學(xué)生形成自我學(xué)習(xí)的能力改變學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

3 結(jié)論

《焊接物理》作為焊接專業(yè)的基本專業(yè)課程之一，在整個(gè)焊接領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與研究中起著重要的作用。通過對(duì)教學(xué)方式和教材內(nèi)容的改革，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、項(xiàng)目式教學(xué)以及理論知識(shí)與數(shù)值模擬相結(jié)合的教學(xué)模式，做到在實(shí)踐中學(xué)知識(shí)，在計(jì)算機(jī)模擬中充分利用知識(shí)，做到真正的活學(xué)活用，加深學(xué)生對(duì)本課程的認(rèn)識(shí)。

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