理论―实践结合的铸造工艺教学案例分析

　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）29-0186-03

　　一、引言

　　机械类机械制造基础系列课程包括机械制造技术基础、机械制造实习和实验。其历史悠久，在1980-2000年期间，机械制造技术基础课程学时数最高达到120学时，机械制造实习（原金工实习）和实验最长达到8周，一般由金工教研室教师负责教学组织和安排，通过教师设计和参与指导实习和实验将理论课与实践课紧密结合。但2000年后，由于课程改革，很多学校的机械制造技术基础课程被分解为材料成形技术基础和机械制造技术基础两门课，而且两门课被分散到材料和机械两个学院，原金工实习拓展为工程训练课程独立归属到工程训练中心，导致理论与实践严重脱节[1]。单方面强调理论的重要性，或者单方面强调实践的重要性都不利于工程知识的构建。制造工程科学是建立在工程实践和工程理论基础上，理论可以指导实践，实践反过来又能丰富理论的内涵。因此，理论课教师应积极设计相关教学环节，将理论与实践紧密结合，实践课教师应该积极配合理论课教师实现教学设计。从而拉近理论与实践的距离，而不是将两者脱节和分离[2]。国内高校中近年来对理-实一体化课程的研究逐步增多[3-5]，但其方法有将课堂放到车间的边讲边练，学用结合；有制定模块，讲练交替的；还有给予职业发展取向，强化技能应用的。总的来看还是停留在用实践来理解工艺原理，进一步提高工艺技能。职业化教育的倾向比较明显。国外一些知名大学，通过综合性实践课程和项目来实现理论与实践的有机结合[6]，例如，加拿大滑铁卢大学所开设的机械工程实践入门1和2，机械工程设计项目1和2；将有关机械制造工艺、机械设计通过项目和实践紧密联系在一起，更加强调理论与实践的有机结合。通过借鉴国内外在理论与实践课程方面的改革经验，通过对课程中一个特定章节的案例分析，为构建机械制造技术基础综合课程的理实一体化课程体系和教学内容打下实践的基础。本文作者在学校教学质量工程研究项目和湖北省教学研究项目的支持下，通过文献研究和调研，提出了构建“机械制造技术基础综合课程”的研究项目，并做了大量的研究工作，形成了旨在提高学生分析问题解决问题的能力的课程体系和教学内容及方法。

　　二、理实一体化课程体系及教学内容设计

　　“机械制造技术基础综合课程”课程体系：以现代制造技术为基础、以典型案例实践与分析为先导、以计算机辅助工艺设计为核心、了解传统工艺方法的特点、培养综合工程能力和创新精神[7]。根据课程体系要求，按照教学内容，将每一知识点的教学按照先到实习车间进行实践教学，获得工程实践的感性认识和动手能力。然后在课堂上进行归纳，总结。同时提出问题和项目任务，学生通过自学、设计、制作获得产品功能；最后，再到课堂对存在的问题进行研讨、获得解决问题的方案和创新报告。根据上述课程体系要求和分析，确定“机械制造技术基础综合课程”的教学内容为：体念传统制造工艺方法，掌握先进制造工艺装备操作，讲授与讨论制造工艺基本知识，进行典型零件工艺分析与制作实践，项目设计与工艺设计研讨，项目实施与制作、运行考核、报告与答辩。主要针对机械类专业原来金工实习和机械制造技术基础两门课合计学时为200，经过整合实际学时为176，其中实践内容所占比例不能与理论教学完全分开，只能根据教学需要，有时可能要进行分析、讨论，有时需要实验、制作。按照课程章节内容同时安排认识实践、讲课、动手操作、工艺分析讲课、项目任务实施与答辩。其中铸造工艺理实结合课程教学内容设计如表1所示。

　　三、铸造工艺章节案例实施方案

　　1.教学目标。根据机械类专业对毕业生能力要求，本章节可以贡献给专业论证中毕业生能力指标中的第3、6、7，具有初步铸件结构设计能力、铸造工艺设计能力；掌握砂型铸造的操作技能；了解其他铸造方法特点及应用、铸造合金的特点及应用，能够用3D打印技术实现工艺设计，并实施工艺过程。

　　2.实施步骤与教学方法。①铸造工艺认识实践。以班为单位到铸造实训室，优先由实习指导教师演示砂型铸造过程，然后学生亲自动手铸造十二生肖工艺品。学生参观实训室，记录相关设备、工模具。由教师组织看录像片，了解其他特种铸造工艺过程。②铸造工艺基础知识讲座。由教师讲授金属及合金的流动性、收缩性、偏析与吸气，铸造性能与力学性能间的关系，讨论铸造合金的选择。认识零件图与铸造工艺图，分析铸造工艺参数与铸造工艺图设计。③砂型铸造工艺实践。由实习指导老师安排学生铸造两通铸件，从零件图分析、铸造工?图设计、到选择模样、芯盒、造型、制芯、合箱、浇注、清理和质量分析[8]。其他造型方法（整模、活块、三箱）的演示性示范讲解。④铸件结构设计原理讲座。由教师讲授砂型铸造的铸件结构设计，包括外形、内腔、壁厚、壁间连接的设计原则、减小铸造应力的设计；其他特种铸造方法的铸件结构设计。⑤铸造工艺综合设计与制作项目。教师下达项目任务书（如图1所示），组织学生分析典型铸件的结构设计与铸造工艺间的关系。结构设计与铸造工艺的多样性，分组设计不同铸件结构和工艺方案。

　　四、教学效果分析

　　2016年3―7月，在材控1404-06，工程1401-02班中进行改革试点，学生经过有关铸造工艺知识的学习和操作实践，初步学会采用铸件的结构工艺性设计原理和铸造工艺设计方法完成槽轮铸件的结构工艺性设计，铸造工艺设计；并用FDM3D打印制作模样和芯盒，然后用砂型铸造工艺实现了铸造工艺设计。取得了良好的教学效果。

　　1.学生结构设计和工艺设计结果。通过结构设计获得如下两个结构的铸件，由于结构设计中，中心轮毂高于轮缘，为了实现大批量机器造型，应采用分模两箱造型，芯盒也采用两半分开式芯盒。 　　2.FDM3D打印制作的模?雍托竞小Ｍü?工艺设计，将三维图转换为3D打印文件，控制3D打印机打印获得了模样和芯盒。见图2中所示。

　　3.砂型铸造的槽轮铸件。用模样和芯盒砂型造型后获得的铸型以及浇注的铸件见图2。学生通过实践―理论学习―实践―设计―再实践，获得了本质上的飞跃。从过去金工实习完了就只知道造型、学了机械制造技术基础课后也不知道如何指导实践，到现在可以理解相关知识，不仅能动手造型、还能利用课程相关理论设计工艺、用3D打印制作模样和芯盒、通过铸造实施分析设计方案的合理性。

　　4.学生报告与答辩。学生根据各自的任务分工，首先完成各自的报告，然后由项目负责人完成整体项目设计与制作报告，报告提交后，由学生组成答辩委员会，教师也是答辩委员会成员之一，学生每个项目选一人，全班组成5―7人的答辩委员会，经过项目自述、提问和回答问题等环节，使学生得到一次完整的学习与实践经历，取得较好的教学效果。学生反映“通过项目设计与制作，对课堂所学有了更深的理解，通过团队协作解决一系列问题更是增强了团队合作能力。”“通过这次实验，我们逐渐学会将理论的设计与实践的铸造相结合，以结合实际为出发点，让我们对机械制造工艺这门课程及铸造这门技术学问有了一个更深层次的认识与理解，对我们今后这方面的学习及工作有很大的帮助”。

　　五、结论

　　通过实施案例的结果分析可以得到如下结论：（1）将理论与实践课程有机结合、进行整体规划和安排有利于课程的整合和教学水平的提高；（2）从实施案例的情况来看，实际教学安排上也是可行的。有利于拉近理论课老师与学生和实践课老师的距离，可以推广到其他章节的教学中。（3）增强理论对实践的指导作用，使学生明确实践的目的和在项目设计研究中的作用。（4）促进了学生自主学习和主动实践，提高了学习效率、动手能力和团队合作能力。

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