汪興興 張福豹 朱昱 陳林飛

(南通大學(xué)機械工程學(xué)院 江蘇南通 226019)

“新工科”建設(shè)指明了我國高等工程教育的發(fā)展方向，提出了實驗教學(xué)的新要求。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略型、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特點[1-2]?！安牧铣尚渭夹g(shù)基礎(chǔ)”是高等院校機械類專業(yè)必修的一門綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)課，著重培養(yǎng)學(xué)生兩種能力：一是具有正確選擇材料成形方法和制定工藝及參數(shù)的初步能力；二是具有綜合運用工藝知識分析零件結(jié)構(gòu)工藝性的初步能力，并使學(xué)生了解有關(guān)新材料、新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程奠定必要的基礎(chǔ)[3]。流動性實驗是基于“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”課程所開設(shè)的課程教學(xué)實驗。流動性相關(guān)知識是“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”課程重要知識點，也是各大高校的必開實驗。該文面向新工科理念，首先概述了現(xiàn)有材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)研究與改革現(xiàn)狀，其次結(jié)合南通大學(xué)的實際流動性實驗開展情況，詳細(xì)論述了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程流動性實驗教學(xué)的改革探索。

1 材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)現(xiàn)實情況

1.1 流動性實驗概述

流動性實驗在各大高校開設(shè)內(nèi)容存在不同，主要有兩種形式：一種是應(yīng)用高溫鋁硅合金開設(shè)合金流動性的傳統(tǒng)實驗項目；另一種是基于石蠟基復(fù)合材料開設(shè)材料流動性實驗，降低了實驗過程材料熔化溫度。

合金的流動性直接影響液態(tài)合金的充型能力，是合金的重要鑄造性能之一[4]。流動性越好的合金，充型能力越強，越能澆出輪廓清晰、薄壁而復(fù)雜的鑄件，同時也有利于夾雜物和氣體的上浮與排出和凝固過程的縮補[5]；而流動性差的合金難以充滿型腔，充型能力下降，易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣等缺陷[6-7]?；瘜W(xué)成分和合金的凝固方式是影響合金流動性的最主要因素。純金屬和具有共晶成分的合金具有較好的流動性。鋁硅合金不僅具有良好的鑄造性能和力學(xué)性能，還具有比重輕、比強度高、良好的耐大氣腐蝕性、資源豐富等優(yōu)點[8-9]。

利用有限的課內(nèi)實驗學(xué)時，通過流動性實驗教學(xué)，讓同學(xué)們了解材料流動性的概念、測試方法以及影響因素，同時對材料成型的基本知識有較全面的認(rèn)識。

1.2 傳統(tǒng)流動性實驗教學(xué)

傳統(tǒng)流動性實驗教學(xué)往往采用高溫合金為實驗材料，開展高溫熔煉和澆筑流動性試樣，來完成流動性實驗內(nèi)容。傳統(tǒng)流動性實驗教學(xué)通常采用鋁硅合金如ZL102、ZL105 作為測試流動性實驗材料[3]。南通大學(xué)機械工程學(xué)院也是采用鋁硅系合金開展流動性實驗教學(xué)工作。流動性測試所用試樣有螺旋形、球形、U 形、楔形以及真空式樣等。因為螺旋形試樣具有靈敏度高、對比形象、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[10-11]，所以液態(tài)合金的流動性通常采用“螺旋性試樣”的方法來衡量；同時，為了便于測量實驗結(jié)果，在螺旋槽中從緩沖槽螺旋線起點開始每隔50 mm做一個凸臺標(biāo)記點。

合金流動性實驗主要步驟如下所述：第一，課前由實驗教師提前準(zhǔn)備鋁硅系合金和熔煉好，爐膛合金溫度通常超過800 ℃，然后保溫以備上課使用；第二，組織學(xué)生上課，講解安全注意事項和實驗內(nèi)容；第三，學(xué)生按實驗要求，利用流動性測試模具開展流動性測試用砂箱造型工作，完成流動性測試所需砂箱；第四，采用石墨坩堝將高溫合金溶液從爐膛中轉(zhuǎn)運出來，采用手持式熱電偶分別測出溫度為780 ℃和710 ℃時，分別進(jìn)行澆鑄，澆鑄時應(yīng)注意防止噴濺，應(yīng)盡量保證動壓頭有相同的高度，并保持澆口杯充滿；第五，冷卻至凝固溫度后過一段時間打開砂箱清理，統(tǒng)計和測量螺旋試樣的長度，觀察實驗表面形狀特征，將數(shù)據(jù)記錄在表中，根據(jù)澆出試樣的螺線長度來比較不同合金在不同條件下的流動性能。即：澆出的長度越長則表示該合金的流動性越好，反之越差。在遵循單一變量原則的前提下，進(jìn)行兩組對比實驗觀察實驗結(jié)果，分別得出澆注溫度以及材料對合金流動性的影響。

由于該傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容不僅存在材料熔煉溫度高、易燙傷、易爆炸（國內(nèi)發(fā)生過多起鋁合金熔煉生產(chǎn)企業(yè)爆炸事故）等危險，同時存在課前材料熔煉耗時長現(xiàn)狀，實驗過程中需要完成翻砂造型工作和實驗后清理型砂工作，又是一項耗時長的工作，所以實驗前期準(zhǔn)備以及實驗后續(xù)清理工作量都很大，需要花費較長的實驗學(xué)時，不能滿足普通本科院校短學(xué)時的實驗要求。為了更好地促進(jìn)流動性實驗教學(xué)，開展流動性實驗的教學(xué)改革勢在必行。

1.3 新型流動性實驗教學(xué)

近年來，許多學(xué)校也為改進(jìn)這一實驗做出了許多努力。首先，從材料方面來看，比如在鋁合金材料中添加混合稀土，稀土能明顯細(xì)化初晶相，且能使共晶硅改變形態(tài)，使改良合金宏觀粗糙面變得光滑，從而提高合金的流動性，以便于實驗教學(xué)[12]。其次，從模具方面來看，以現(xiàn)有橡膠模具為基礎(chǔ)開發(fā)石膏模具來進(jìn)行流動性實驗，實施了實驗教學(xué)改革，同時促進(jìn)了石膏型精密鑄造技術(shù)的發(fā)展[13]。

其中以某大學(xué)機械學(xué)院為代表，研發(fā)了液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備（見圖1），采用低熔點的石蠟基復(fù)合材料替代高熔點合金材料，將澆注溫度降低至100 ℃以下，開展流動性實驗教學(xué)工作，大大降低了實驗過程中高溫燙傷危險，革除了高溫合金爆炸的危險源。它的工作原理是：利用空氣壓縮機或材料自身重力將液態(tài)蠟料注入模具中冷卻形成固態(tài)蠟料，從而觀察其流動長度及形貌。相比于傳統(tǒng)的實驗材料鋁合金來說，石蠟作為一種由不同分子量的正鏈飽和烷烴的混合物，具有價格低廉、來源廣泛、無色無味、理化性能穩(wěn)定、較大的相變潛熱能等諸多優(yōu)點。這一新型實驗方法不但能很好地解決危險問題，而且使學(xué)生完整正確地模擬了鑄造的全過程，并對鑄造技術(shù)工藝知識有了一個完整的概念。因此越來越多的高校都開始采用這一新型的實驗教學(xué)方法，如華中科技大學(xué)、安徽工程大學(xué)、青島大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等。

圖1 HJD-CK2型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備

2 本校材料成形實驗教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 多層次化教學(xué)需求

南通大學(xué)機械類專業(yè)包括機械設(shè)計制造及其自動化、機械工程、機械電子工程、智能制造工程這4 個機械類專業(yè)。近年來主要依托南通大學(xué)機械工程學(xué)院招生一本層次學(xué)生，其中機械工程專業(yè)依托南通大學(xué)杏林學(xué)院招生二本層次學(xué)生，存在逐年動態(tài)調(diào)整招生專業(yè)和層次的現(xiàn)實，智能制造工程屬于近年新建專業(yè)。材料成形技術(shù)基礎(chǔ)作為一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是面向多個機械類專業(yè)不同層次學(xué)生同時開設(shè)的課程，現(xiàn)行招生計劃對材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗提出了具體要求，即同時面向多專業(yè)和適應(yīng)多層次化教學(xué)需求。

2.2 課時少與教材內(nèi)容多的矛盾

目前主要選用何紅媛和周一丹主編的《材料成形技術(shù)基礎(chǔ)》作為授課教材[3]；教材內(nèi)容包括鑄造、鍛壓、焊接、粉末冶金、非金屬材料及其成形技術(shù)、材料成形方法這6章，內(nèi)容豐富；而材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程理論教學(xué)時間僅為28學(xué)時，存在著教材內(nèi)容多與課時少的矛盾。由于規(guī)定學(xué)時有限，專任教師無法詳細(xì)講授《材料成形技術(shù)基礎(chǔ)》全部內(nèi)容細(xì)節(jié)，往往是詳細(xì)講述鑄造、鍛壓、焊接等前三章內(nèi)容，重點闡述第六章材料成形方法的選擇，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)基本材料成形技術(shù)知識，重點掌握材料成形方法的選擇；理論環(huán)節(jié)授課學(xué)時短同樣會帶來實驗教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時少的實際情況，而傳統(tǒng)的材料成形系列實驗項目均存在耗時長的問題，由于課程學(xué)時又不允許，在有限的4學(xué)時內(nèi)，僅安排了流動性、焊接接頭組織觀察和模具拆裝這3個具體實驗。

2.3 實驗教學(xué)時段高度集中

根據(jù)本科生教學(xué)計劃安排，材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程通常安排在第四學(xué)期第1 周至第13 周，每周授課一次（3 個學(xué)時），通常理論授課時間有嚴(yán)格秩序。材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課內(nèi)教學(xué)實驗通常需要安排在相關(guān)理論知識講授之后，通常要第8周之后開始安排，結(jié)束又要盡量與課程同步，造成材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗時間相對集中。此外，南通大學(xué)通常每年招生機械類專業(yè)教學(xué)班級數(shù)量為10個左右，理論知識由多人同時承擔(dān)授課任務(wù)，分班授課，工作相對分散；但僅安排一位實驗教師，要求在3～5周內(nèi)完成30個批次40學(xué)時的材料成形技術(shù)基礎(chǔ)的實驗教學(xué)工作，同時，第一個實驗項目“流動性實驗”需要投入大量的課前準(zhǔn)備時間，實驗指導(dǎo)任務(wù)高度集中，工作強度較大。

2.4 流動性實驗教學(xué)設(shè)備及器材老舊

實驗教學(xué)改革前，材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗室硬件條件一般，實驗室使用面積約100 m2，但僅有1套中頻感應(yīng)電爐作為熔煉鋁合金材料的共用設(shè)備，配置了一定數(shù)量的合計流動性測量模具，開展傳統(tǒng)鋁硅合金流動性實驗項目教學(xué)工作。該傳統(tǒng)流動性實驗項目存在課前準(zhǔn)備時間長、翻砂造型勞動強度大、熔煉合金溫度高、澆鑄操作風(fēng)險大等缺點。此外，該套中頻感應(yīng)電爐設(shè)備使用時間已經(jīng)超過15年，接近報廢狀態(tài)。

3 材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗改革研究

實驗教學(xué)相對于理論教學(xué)具有直觀性、實踐性、綜合性、設(shè)計性與創(chuàng)新性等特點，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實際應(yīng)用能力。該文通過以下5 個方面改革，推進(jìn)了實驗教學(xué)改革工作[14]，同時取得了一定的效果。

3.1 建設(shè)材料成形實驗室

近幾年，經(jīng)過上級組織資助建設(shè)，南通大學(xué)“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗室”實現(xiàn)了主體設(shè)備的更新與換代。改革中期，參照其他高校經(jīng)驗，陸續(xù)引進(jìn)了4 套HJDCK2 型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備用于流動性實驗教學(xué)，該設(shè)備大大減輕了實驗勞動強度，同時降低了實驗安全風(fēng)險，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)該實驗設(shè)備仍然存在一些設(shè)計不合理之處，如實驗臺高度設(shè)計不太合理、采用明火電爐加熱蠟料存在火災(zāi)隱患、澆注流道清蠟困難、注射成形氣缸易銹蝕和卡頓等。改革后期，筆者團隊自主開發(fā)了基于低熔點材料的流動性實驗設(shè)備[15]（如圖2 所示），解決了上述問題，實現(xiàn)了高效開展流動性實驗。

圖2 自制的流動性實驗設(shè)備

3.2 修訂材料成形實驗指導(dǎo)書

本科生人次培養(yǎng)方案限制了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程的理論學(xué)時和實驗學(xué)時。而材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱決定了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)的授課內(nèi)容和實驗內(nèi)容安排。通過材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗室建設(shè)，實驗教學(xué)設(shè)備得到了更新?lián)Q代，同時實驗設(shè)備及其操作方法等也發(fā)生了巨大變化。原有的材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書無法匹配全新的HJD-CK2 型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備等實驗設(shè)備，因此，根據(jù)新引進(jìn)HJD-CK2 型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備和研發(fā)基于低熔點材料的流動性實驗設(shè)備的特性及教學(xué)大綱要求，綜合考慮了教學(xué)實際需求，重新編寫材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程的實驗指導(dǎo)書，主要內(nèi)容仍由流動性、焊接接頭組織觀察、模具拆裝這3 個實驗組成。結(jié)合新添置的流動性實驗設(shè)備，重點更新了流動性實驗內(nèi)容，增加了前言“實驗操作基本注意事項”，以及附錄“實驗設(shè)備及操作方法簡介”，解決目前材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗指導(dǎo)書不合時宜的問題，進(jìn)一步適應(yīng)了本科教學(xué)需要。

3.3 構(gòu)建材料成形實驗項目體系

根據(jù)材料成形流動性實驗教學(xué)經(jīng)驗及HJD-CK2型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備等特性，更新了材料成形流動性實驗項目內(nèi)容。首先基于采購添置的HJD-CK2型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備開發(fā)了實驗教學(xué)項目內(nèi)容更新，采用低熔點的石蠟基復(fù)合材料替代鋁硅合金，模擬開展合金二元相圖知識實驗教學(xué)；隨后又在此基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)了基于低熔點材料的流動性實驗設(shè)備，進(jìn)一步豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生開展綜合實驗的條件，可開展不同配方和不同澆注溫度條件的影響材料流動性分析實驗。通過流動性實驗的改革和實踐，最終達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生掌握鑄造材料流動性知識及測量方法的目標(biāo)，從而培養(yǎng)學(xué)生具有正確選擇材料鑄造成形方法和制定鑄造工藝及參數(shù)的初步能力。

3.4 探索材料成形實驗考核機制

積極探索了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗考核機制改革工作，摒棄了以往“粗線條”式材料成形實驗考核方法。從實驗全流程全過程角度出發(fā)，應(yīng)用了“分類細(xì)化”式的材料成形實驗考核方法，進(jìn)一步減小了不公平、不公正現(xiàn)象。通過該次材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革，形成了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗全過程系統(tǒng)評價體系，綜合上課考勤評價、隨堂操作過程評價、實驗報告系統(tǒng)評價這3 個方面內(nèi)容，同時強化實驗報告中的思考題設(shè)置和綜合評價，具體構(gòu)成比例見圖3。

圖3 實驗考核體系示意圖

3.5 改革材料成形實驗教學(xué)法

首先，立足工程教育實踐，巧用“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”領(lǐng)域工程項目開發(fā)實例，采用啟發(fā)式、探究式教學(xué)方法指導(dǎo)實驗教學(xué)，把材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗項目的“主動權(quán)”交給學(xué)生；其次，倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、熱愛思考、勤于動手、勇于創(chuàng)新、樂于探索，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。注重科研反哺教學(xué)，依托材料成形實驗室，結(jié)合流動性實驗改革迫切需求，促使學(xué)生深刻體會傳統(tǒng)流動性實驗的優(yōu)缺點，激發(fā)學(xué)生參與流動性實驗設(shè)備改良的工作，指導(dǎo)大學(xué)生完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目4項，其中國家級1項，省級1項；指導(dǎo)大學(xué)生參加學(xué)科競賽獲獎7項，其中省級獎3項。達(dá)到了以項目帶動教學(xué)，以競賽促進(jìn)教學(xué)的效果，同時又培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識和能力。

3.6 流動性實驗教學(xué)改革效果

通過近年來持續(xù)建設(shè)材料成形實驗室，先后添置了HJD-CK2 型液態(tài)成型綜合實驗設(shè)備和面向新型低熔點材料的流動性實驗教學(xué)設(shè)備，徹底更新了材料成形實驗室系列實驗設(shè)備，從而建立了良好的材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺。通過修訂材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書，吸納新設(shè)備知識，緊跟設(shè)備更新?lián)Q代的步伐，并主動研發(fā)面向新型低熔點材料的流動性實驗教學(xué)設(shè)備，為材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)提供了切實可行的指導(dǎo)素材。通過實驗項目體系的改革探索，優(yōu)化了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)流動性實驗內(nèi)容，減輕了實驗過程勞動強度，為學(xué)生在規(guī)定的課時內(nèi)完成實驗項目提高了必要的條件，為滿足材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)質(zhì)量要求提供了可靠的保障。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

綜述了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)改革研究進(jìn)展，分析了地方本科高等學(xué)校的材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀。通過建設(shè)成形實驗室、構(gòu)建材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗項目體系、修訂材料成形技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書等5 個方面的探索和改革，獲得了有益的實驗改革效果，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的實驗積極性，進(jìn)一步保障了實驗教學(xué)質(zhì)量，滿足了現(xiàn)階段材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)要求。

4.2 展望

新材料領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展日新月異，材料成形技術(shù)隨之也是飛速發(fā)展，同時為接軌國際工程教育，響應(yīng)智能制造新專業(yè)建設(shè)。材料成形技術(shù)基礎(chǔ)課程改革要綜合考慮機械類本科生人才培養(yǎng)方案，圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證和智能制造新專業(yè)建設(shè)要求，結(jié)合理論授課知識，積極推進(jìn)跟進(jìn)式和持續(xù)實驗教學(xué)改革和探索，不斷加強機械類專業(yè)實驗室的投入和建設(shè)，構(gòu)建與時俱進(jìn)的本科教學(xué)體系，確保培養(yǎng)高質(zhì)量人才，同時促進(jìn)教師進(jìn)一步發(fā)展。