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【摘要】将模块化教学引入现代凝固技术课程，就如何增强各工艺间的紧密性，提高本课程的教学效果，在教学内容和教学方法方面做了一些探讨。在教学实践中发现模块化教学有助于学生对各工艺的理解，有利于调动学生学习的积极性，增强学生的工程意识。
【关键词】现代凝固技术；模块化教学；现代精密铸造
【Abstract】Introducing the method of modular teaching into modern solidification technology， the new teaching content and teaching method were investigated， in order to boost up the compactness of various technics and improve the teaching effect. In the teaching practice， it is found that modular teaching could improve the students’ understanding of technics， mobilize the positivity and strength the engineering consciousness of students.
【Key words】modern solidification technology；modular teaching；modern precision casting
中国矿业大学材料成型与控制工程专业在近年的建设和发展中，根据社会的需求，开设了现代凝固技术课程。该课是材料成型与控制工程专业精密铸造及焊接自动化方向必修的专业基础课。由于课程包含砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造和离心铸造等多种铸造成形方法和原理，知识覆盖面广，学生普遍感到难理解和难掌握。根据中国矿业大学材料学院的自身特点，结合作者的教学研究实践，提出对该课程实施模块化教学的研究与探索，以培养科研与应用相结合的双相人才，适应新世纪对创新型人才的需求[1-3]。
1 现代凝固技术课程的要求
本课程的任务是讲授铸造工艺的基本理论和基本知识，使学生能了解和掌握铸型材料的基本知识、现代铸造方法的工艺过程、铸造工艺设计原理和方法等。通过本课程的学习，学生应达到下列要求：
（1）全面系统地了解各类铸型材料的组成、特性及应用范围。
（2）了解和掌握主要铸造方法的工艺特点、工艺过程原理、工艺参数选择和适用范围。
（3）掌握铸件的铸造工艺设计原理和方法。
（4）掌握常见铸造缺陷产生的原因及排除方法。
（5）了解各种主要铸造方法的发展动态。
2 模块化教学改革的方案与探索
中国矿业大学“材料科学与工程”专业已有近二十年的建设与发展的经历，大材料人才培养模式大大拓宽了人才的知识结构，为《现代凝固技术》课程的“模块化教学”的开展奠定了坚实基础。《现代凝固技术》课程模块化教学改革根据材料成型与控制工程专业现代精密铸造行业需求，突出铸造原理对铸造生产实践指导作用的培养。课程教学内容以指导学生将来从事实际铸造生产过程的需要（砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造和离心铸造等）为目标。
该课程模块化教学改革内容分为以下4个模块（如图1）。
2.1 第一个模块为现代铸型制造工艺与材料。
现代铸型制造工艺的典型代表为熔模铸造、消失模铸造和V法铸造。熔模铸造是通过在熔模组上挂涂料、撒砂、干燥等工序制成一个薄壳，而消失模铸造和V法铸造则是用不含粘结剂的干砂，只不过前者是干砂振动造型，后者是薄膜真空紧实。另外模型也有很大不同，分别为熔模、泡沫塑料模和塑料薄膜+木模。现代铸型材料也是千差万别的，主要包括金属型、砂型、石墨型、石膏型、陶瓷型等，而又分别对应不同的铸造工艺。鉴于中国矿业大学材料学院成型系以长春一汽为生产实习基地，在本模块中将一汽各种铸造工艺，尤其是消失模铸造的特点和工艺与熔模铸造做对比分析来讲授。
2.2 第二个模块为现代金属充填方式和铸件冷却条件。
在铸造过程中，金属液一般是在重力作用下完成充型和冷凝的。而在某些现代精密液态成型过程中，金属液是在外力（如离心力、电磁力、压力、反重力等）作用下完成充型和凝固的，与之对应的铸造工艺有离心铸造、电磁铸造、压力铸造、反重力铸造。液态金属在外力作用下充型，可以充填微细薄壁型腔，铸件尺寸精度高，因而是制作复杂薄壁铸件的必用方法。与之对应的现代铸件冷却方式主要包括快速凝固（金属型铸造）、真空吸铸、定向凝固、结晶器冷却（连续铸造）、半固态凝固（半固态铸造）、动态和高压凝固（压铸和反重力铸造）。液态金属在压力下的凝固，可以避免枝晶衍生，有利于获得细晶组织，减少疏松缺陷。金属型使铸件冷却速度明显加快，对铸件组织细化也是有利的。采用特殊冷却方式，严格控制温度梯度变化，是目前生产定向凝固或单晶的主要方法，是精密成型的高端技术。该部分可结合成型方向认识实习定点单位（如徐航压铸）的生产工艺流程进行重点讲授。
图1：模块化教学授课示意图
2.3 第三个模块为现代精铸与计算机的结合。
近年来，计算机在金属精密液态成形技术中的广泛应用更加快了这一技术的发展，其水平达到了前所未有的高度。20世纪末出现的快速铸造，他是快速成型技术和金属精密液态成型技术结合的产物，集计算机、CAD、CAE、高能束技术等于一体，可快速生产各种超高精度复杂件。其典型代表就是当前最热门的3D打印快速制造技术。“3D打印”作为一项革命性新型制造技术，正在全球迅速兴起。“3D打印”学名叫增材制造技术，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把“打印”材料按切片图形逐层叠加，最终“堆积”成完整的物体。该技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。结合铸造行业的发展及现代化需求，拓展、拓宽学生对于本行业最新原理和工艺的认知是授课教师的本职。因此必须及时更新授课内容，增进学生对传统工艺的理解和最新工艺发展的掌握。 2.4 第四个模块为现代铸造技术的研究与发展。
本模块主要从科研的角度讲述铸造工艺的发展、传统砂型铸造与现代精铸的传承与发扬、现代铸造工艺的发展方向。本模块以研讨的方式，由老师命题，学生主讲，使学生能够更全面、更深入的理解现代凝固技术的本质[6]。
3 结语
由于现代凝固技术的内容覆盖面广，在每个模块的绪论部分首先着重论述本模块对生产和生活中特种铸造的指导作用及对专业课的基础作用，并举出生活中常见的不同特种铸造方法，如压力铸造模块教学中介绍汽车车轮轮毂的压铸工艺特点，离心铸造介绍球磨铸管的离心铸造成形特点等，以提高学生学习特种铸造的兴趣。在适当时机引入相应特种铸造成形有关基本概念、基本理论和基本方法。然后提出本模块涉及到铸造成形生产过程中的相关问题和基本要求，例如摩托车发动机分别采用低压铸造、金属型铸造和压力铸造生产，有什么样的结果和影响等问题。在分析相关问题的基础上，总结出解决问题的思路或规律，使学生明确不同特种铸造成形的方法和特点，提高分析问题和解决问题的能力。最后，提出本模块小结和布置有适当深度和广度的思考题及习题。每个模块内容始终以需要和解决特种铸造生产过程中的相关问题为宗旨，通过采用大量生产视频和多媒体动画的形式展现各种工艺的原理、特点和生产应用等，对增强学生在以后实际工作中分析与解决有关材料成形问题的能力将起到重要的作用。
参考文献
[1] 周志明，黄伟九，张驰，等.材料成形原理模块化教学改革探索[J].中国冶金教育，2011（2）：13-14.
[2] 张绪平， 解辉军“ 材料成型原理’’课程建设煤炭高等教育， 2007， 123.
[3] 周尧和. 21世纪需要绿色集约化铸造[J]. 现代铸造，1998（2）：5.
[4] 陈正，沈承金，樊宇，等. 课堂教学与实践教学的优化整合在材料工程基础课程中的应用[J]. 高等教育研究， 2013（1）：36-38.
[5] 何茂农， 王玉峰. 分段式模块化教学模式探索[J].中国培训，2006（11）：52-53.
[6] 李邦盛， 任明星， 傅恒志， 微精密铸造工艺研究进展， 铸造， 2006， 56（7）， 673-678.
[注]
资助项目：中国矿业大学教改项目（2001256）
[作者简介]
*陈正（1980-），男，山东枣庄人，中国矿业大学材料科学与工程学院，副教授。
【关键词】现代凝固技术；模块化教学；现代精密铸造
【Abstract】Introducing the method of modular teaching into modern solidification technology， the new teaching content and teaching method were investigated， in order to boost up the compactness of various technics and improve the teaching effect. In the teaching practice， it is found that modular teaching could improve the students’ understanding of technics， mobilize the positivity and strength the engineering consciousness of students.
【Key words】modern solidification technology；modular teaching；modern precision casting
中国矿业大学材料成型与控制工程专业在近年的建设和发展中，根据社会的需求，开设了现代凝固技术课程。该课是材料成型与控制工程专业精密铸造及焊接自动化方向必修的专业基础课。由于课程包含砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造和离心铸造等多种铸造成形方法和原理，知识覆盖面广，学生普遍感到难理解和难掌握。根据中国矿业大学材料学院的自身特点，结合作者的教学研究实践，提出对该课程实施模块化教学的研究与探索，以培养科研与应用相结合的双相人才，适应新世纪对创新型人才的需求[1-3]。
1 现代凝固技术课程的要求
本课程的任务是讲授铸造工艺的基本理论和基本知识，使学生能了解和掌握铸型材料的基本知识、现代铸造方法的工艺过程、铸造工艺设计原理和方法等。通过本课程的学习，学生应达到下列要求：
（1）全面系统地了解各类铸型材料的组成、特性及应用范围。
（2）了解和掌握主要铸造方法的工艺特点、工艺过程原理、工艺参数选择和适用范围。
（3）掌握铸件的铸造工艺设计原理和方法。
（4）掌握常见铸造缺陷产生的原因及排除方法。
（5）了解各种主要铸造方法的发展动态。
2 模块化教学改革的方案与探索
中国矿业大学“材料科学与工程”专业已有近二十年的建设与发展的经历，大材料人才培养模式大大拓宽了人才的知识结构，为《现代凝固技术》课程的“模块化教学”的开展奠定了坚实基础。《现代凝固技术》课程模块化教学改革根据材料成型与控制工程专业现代精密铸造行业需求，突出铸造原理对铸造生产实践指导作用的培养。课程教学内容以指导学生将来从事实际铸造生产过程的需要（砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造和离心铸造等）为目标。
该课程模块化教学改革内容分为以下4个模块（如图1）。
2.1 第一个模块为现代铸型制造工艺与材料。
现代铸型制造工艺的典型代表为熔模铸造、消失模铸造和V法铸造。熔模铸造是通过在熔模组上挂涂料、撒砂、干燥等工序制成一个薄壳，而消失模铸造和V法铸造则是用不含粘结剂的干砂，只不过前者是干砂振动造型，后者是薄膜真空紧实。另外模型也有很大不同，分别为熔模、泡沫塑料模和塑料薄膜+木模。现代铸型材料也是千差万别的，主要包括金属型、砂型、石墨型、石膏型、陶瓷型等，而又分别对应不同的铸造工艺。鉴于中国矿业大学材料学院成型系以长春一汽为生产实习基地，在本模块中将一汽各种铸造工艺，尤其是消失模铸造的特点和工艺与熔模铸造做对比分析来讲授。
2.2 第二个模块为现代金属充填方式和铸件冷却条件。
在铸造过程中，金属液一般是在重力作用下完成充型和冷凝的。而在某些现代精密液态成型过程中，金属液是在外力（如离心力、电磁力、压力、反重力等）作用下完成充型和凝固的，与之对应的铸造工艺有离心铸造、电磁铸造、压力铸造、反重力铸造。液态金属在外力作用下充型，可以充填微细薄壁型腔，铸件尺寸精度高，因而是制作复杂薄壁铸件的必用方法。与之对应的现代铸件冷却方式主要包括快速凝固（金属型铸造）、真空吸铸、定向凝固、结晶器冷却（连续铸造）、半固态凝固（半固态铸造）、动态和高压凝固（压铸和反重力铸造）。液态金属在压力下的凝固，可以避免枝晶衍生，有利于获得细晶组织，减少疏松缺陷。金属型使铸件冷却速度明显加快，对铸件组织细化也是有利的。采用特殊冷却方式，严格控制温度梯度变化，是目前生产定向凝固或单晶的主要方法，是精密成型的高端技术。该部分可结合成型方向认识实习定点单位（如徐航压铸）的生产工艺流程进行重点讲授。
图1：模块化教学授课示意图
2.3 第三个模块为现代精铸与计算机的结合。
近年来，计算机在金属精密液态成形技术中的广泛应用更加快了这一技术的发展，其水平达到了前所未有的高度。20世纪末出现的快速铸造，他是快速成型技术和金属精密液态成型技术结合的产物，集计算机、CAD、CAE、高能束技术等于一体，可快速生产各种超高精度复杂件。其典型代表就是当前最热门的3D打印快速制造技术。“3D打印”作为一项革命性新型制造技术，正在全球迅速兴起。“3D打印”学名叫增材制造技术，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把“打印”材料按切片图形逐层叠加，最终“堆积”成完整的物体。该技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。结合铸造行业的发展及现代化需求，拓展、拓宽学生对于本行业最新原理和工艺的认知是授课教师的本职。因此必须及时更新授课内容，增进学生对传统工艺的理解和最新工艺发展的掌握。 2.4 第四个模块为现代铸造技术的研究与发展。
本模块主要从科研的角度讲述铸造工艺的发展、传统砂型铸造与现代精铸的传承与发扬、现代铸造工艺的发展方向。本模块以研讨的方式，由老师命题，学生主讲，使学生能够更全面、更深入的理解现代凝固技术的本质[6]。
3 结语
由于现代凝固技术的内容覆盖面广，在每个模块的绪论部分首先着重论述本模块对生产和生活中特种铸造的指导作用及对专业课的基础作用，并举出生活中常见的不同特种铸造方法，如压力铸造模块教学中介绍汽车车轮轮毂的压铸工艺特点，离心铸造介绍球磨铸管的离心铸造成形特点等，以提高学生学习特种铸造的兴趣。在适当时机引入相应特种铸造成形有关基本概念、基本理论和基本方法。然后提出本模块涉及到铸造成形生产过程中的相关问题和基本要求，例如摩托车发动机分别采用低压铸造、金属型铸造和压力铸造生产，有什么样的结果和影响等问题。在分析相关问题的基础上，总结出解决问题的思路或规律，使学生明确不同特种铸造成形的方法和特点，提高分析问题和解决问题的能力。最后，提出本模块小结和布置有适当深度和广度的思考题及习题。每个模块内容始终以需要和解决特种铸造生产过程中的相关问题为宗旨，通过采用大量生产视频和多媒体动画的形式展现各种工艺的原理、特点和生产应用等，对增强学生在以后实际工作中分析与解决有关材料成形问题的能力将起到重要的作用。
参考文献
[1] 周志明，黄伟九，张驰，等.材料成形原理模块化教学改革探索[J].中国冶金教育，2011（2）：13-14.
[2] 张绪平， 解辉军“ 材料成型原理’’课程建设煤炭高等教育， 2007， 123.
[3] 周尧和. 21世纪需要绿色集约化铸造[J]. 现代铸造，1998（2）：5.
[4] 陈正，沈承金，樊宇，等. 课堂教学与实践教学的优化整合在材料工程基础课程中的应用[J]. 高等教育研究， 2013（1）：36-38.
[5] 何茂农， 王玉峰. 分段式模块化教学模式探索[J].中国培训，2006（11）：52-53.
[6] 李邦盛， 任明星， 傅恒志， 微精密铸造工艺研究进展， 铸造， 2006， 56（7）， 673-678.
[注]
资助项目：中国矿业大学教改项目（2001256）
[作者简介]
*陈正（1980-），男，山东枣庄人，中国矿业大学材料科学与工程学院，副教授。