以大学生创新创业训练计划项目为依托的材料成形及控制工程专业实验教学实践

贾 征， 喻 兵， 王心彤， 赵伟博， 邵一川

（沈阳大学机械工程学院，沈阳 110044）

0 引 言

材料是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础，创新是一个国家进步的关键，随着社会的不断发展，创新性人才的需求量越来越大，而培养创新性人才是教育部组织实施的“高等学校本科教学质量与教学改革工程”重要内容之一。“大学生创新创业训练计划项目”的实施，使部分高等学校教育思想观念发生改变，改革人才培养模式，强化创新创业能力训练，增强高校学生的创新能力，以培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才［1-4］，在高等教育里显得尤为重要。在材料成形与控制工程专业里，专业实验是必不可少的重要环节，也是培养学生动手能力及强化知识的重要组成部分［5-6］。但是实验环节往往不被重视，如“验证型”实验很少涉及学生的主观思考能力，只是让学生利用实验验证书本上的知识点，学生的积极性也不高。如果将“大学生创新创业训练计划项目”与专业实验深入融合，以专业实验室为“创新创业”平台，以“创新创业”促进专业实验教学，让学生主动愿意去探索创新，从而提高教学质量，培养出更多的创新性人才，是材料成形专业实验教学的主要努力方向之一。

以材料成形与控制工程专业实验项目之一“物理场对合金熔体影响”教学实验为例，是专门为材料成形专业学生开设的实验项目。这个项目一共分为3步：熔炼合金、加入外场、组织观察，本实验的目的是让学生通过外场处理的方法深入理解晶粒细化的方法，并掌握物理细化技术在材料成形中重要应用的科学手段。但是，由于专业实验课程时间非常有限，学生的创新思想和实践能力受到很大的限制。因此，通过课程教学-创新实验-探索分析-创新能力培养”的教学方法，将大学生创新创业训练计划项目与材料成形专业实验进行深度融合。每年专业实验室承担创新创业项目有2～3项，并以专业实验为拓展进行承担创新创业项目，形成以创新创业项目为依托的专业实验教学。下面将从“创新创业”的实验过程开始，在专业实验基础上，为学生们打造更加生动的课堂，培养更多学生的科技创新能力。

1 实验过程

1.1 课程教学实验背景

外场细化技术在上个世纪就已经得到了人们的广泛关注。比如外场细化中的超声波细化技术，因超声波对环境无任何不良影响，且具有改善工人劳动环境等绿色环保优势，越来越普遍地应用于各领域中［7-9］，有研究发现高频超声振动所产生的空化效应和声流的搅拌作用具有细化和除气双重作用，同时合金铸锭质量及力学性能也进一步提高，得到了国内外学者的广泛青睐［10-14］。因此，在学生掌握了上述一定的理论知识和实践技能的基础上，对外场细化进行深入研究，承担了一项创新计划项目“超声场对合金细化及除气的影响”。在教学实验中，选用合金为Al-5Cu简单二元合金，利用超声场对其进行处理，考察其对细化和除气的影响。最后通过观察与分析验证其超声场细化和除气的效果。

1.2 创新设计实验

学生所用实验设备包括超声波发生器，其最大输出功率为2 kW，频率为20 kHz；还包括熔体控温的控温表、井式电阻炉、超声波支架（可实现超声探头的上下前后移动）及黏土-石墨坩埚，见图1所示。Al-5Cu合金采用99.7%的工业纯铝与电解铜片按质量百分比配置而成，熔炼时使用石墨杆多次搅拌金属熔体使成分均匀化，将浇注成形后的铸锭使用切割机切成小块，留待重熔使用。

图1 超声场装置布置示意图

学生设计实验为3组，具体如下，将配好的合金放入1号黏土-石墨坩埚中进行重熔，每组试样的质量为200 g左右，重熔过程中当温度稳定800℃后，将含有熔体的黏土-石墨坩埚放到铜板上，使用预热500℃超声探头插入熔体中进行超声处理，插入深度为5 mm，当熔体温度降为750℃时，铜板内部通入循环冷却自来水，直至铸锭凝固至室温（20℃左右）。实验条件分别为未施加超声、底部仅水冷及超声-底部水冷处理120 s，处理后让熔体自然冷却后得到铸锭。铸锭密度采用阿基米德原理进行测量，最后将铸锭从顶部向下切成对称的两块，用于组织观察。其中，Al-5Cu合金宏观腐蚀液为：HCl∶HF∶H2O=15∶10∶90，显微组织腐蚀液为：5%HF水溶液。

1.3 实验结果与验证

铸锭经自然冷却后观察其宏观组织，发现在观察范围内分布着较粗大的气孔和柱状晶，如图2（a）所示；而铸锭强制水冷后，从断面可以看出，铸锭气孔有所减少，但是并不理想，且铸锭细化效果也不好，仅在铸锭的底部分布着少量粗大的等轴晶，如图2（b）所示，但是如果超声处理时间120 s且铸锭底部强制冷却后，铸锭的凝固组织特别细小均匀且内部没有肉眼可见气孔，如图2（c）所示。

图2 超声处理Al-5Cu合金铸锭宏观组织

为了进一步说明不同超声处理时间对黏土-石墨坩埚底部强制水冷凝固组织的影响，取样部位均为试样的中心部位，从图3（a）看出，自然冷却的铸锭中心部位均为粗大的树状晶，气孔也较多；图3（b）的组织也非常粗大，分布着大量的树枝晶；当铸锭底部强制冷却并且超声120 s后，可看出微观组织不断为细小圆整的晶粒过渡，见图3（c）所示。视野内很少见到气孔，这与图2（c）吻合。

图3 Al-5Cu合金铸锭超声处理微观组织观察

2 探索分析与创新能力培养

针对上面实验结果，进行了相关分析。从文献［15］中可知，合金熔体除气率η为：

式中：ρ0为未除气合金试样密度，g/cm3；ρa为除气合金试样密度，g/cm3；ρb为合金试样理论密度（Al-5Cu合金是2.796 6 g/cm3。

在此基础上，测定并计算出了试样的密度及除气率。结果发现，自然冷却时，铸锭的密度仅有2.683 1 g/cm3；底部水冷时，铸锭密度有所提升，达到2.698 7g/cm3，但除气效果不明显，仅为13.7%；但是底部水冷后加入超声120 s后，试样密度高达2.791 1 g/cm3，除气率可达95.1%，测定实验结果如表1所示。

表1 不同处理条件的铸锭密度和除气率

分析可知，当施加适宜的超声波处理熔体时，产生的空化气泡吸附周围的氢原子，此时气泡会迅速长大析出，达到除气目的。对于本实验过程，在黏土-石墨坩埚底部放置铜板进行通水冷却时，超声振动形成的细小等轴晶会不断向下掉落后会很快凝固，而它们之间的空隙会被上方的金属液所填补，进而形成致密的组织，如图2（c）。而在黏土-石墨坩埚底部非强制冷却的情况下，此时熔体是由四周开始凝固的，各个方向的冷却速度相当，这使得熔体中的大部分气体还未完全逸出就被凝固前熔体形成的枝晶所阻碍，残留在熔体中形成气孔。因此，得出结论：在实际生产应用过程中，可采用铸锭底部强制冷却+外场处理的复合方法来处理可得到组织均匀、细小且内部缺陷很少的铸锭。

3 创新创业项目与专业实验教学深度融合

实验结束后对实验结果和方法进行了对比和分析，通过查阅文献对高强超声处理对Al-5Cu合金细化及除气的影响实验有了进一步的了解，材料成形专业实验不同于基础学科，重视拓展学生们的专业知识，培养学生们对于材料加工的进一步创新。以前，材料成形实验教学中大多采用验证性操作试验，其思维模式较为固定，而大学生创新创业训练是培养学生创新思维最好的学习方式。因此大学生创新创业以专业实验教学为依托，避免了学生立项没有依据，缺乏理论知识与实践技能，有利于学生探索新问题，深入探究书本上知识的来龙去脉，深入理解并发现更新的问题从而加以解决，且能大大提高学生的学习兴趣。材料成形实验教学与大学生创新创业深度融合，可以起到更好的教学效果，可充分利用学校现有的实验条件，调动学生学习的浓厚兴趣，还可将大学生创新创业成果反馈实验教学，很大程度上调动与发挥学生的求知欲，契合新工科专业实验教学的培养目标。

4 结 语

材料成形及控制工程专业以创新创业训练计划项目为导向，将大学生创新创业训练计划更好地融合到课堂实验的教学中。深度融合结果不仅将优秀教学资源高效整合，使教学更生动，而且可让学生深入理解材料成形相关对应知识点，增强学生的创新能力和积极探索能力，对培养应用型人才意义重大。专业实验取得的阶段性成果，可为下一阶段大创计划项目的立项提供一条可行的选项，同时也可为液态成形的金属材料性能的提高提供了一条探索途径。