面向航空制造人才培养的《凝固技术》课程教学改革

南昌航空大学“因航空而生，伴航空而长”，坚持“立足江西、面向全国，服务地方、服务国防”的服务面向，积极服务国家航空工业和江西地方经济社会发展，秉承“航空报国”的崇高使命，致力于为我国航空工业培养航空制造人才。《凝固技术》课程是我校航空类专业——材料成型及控制工程专业的一门专业任选课，是一门技术性、理论性很强的专业课程，重点探讨金属材料在液—固相变中的一些本质规律以及凝固过程中分析问题的方法，使学生掌握凝固原理及铸件制备相应的凝固技术手段，为未来从事凝固技术相关领域的工作打下良好基础。

< 课程内容与航空零件的生产密切相关[1-2]，例如航空发动机单晶/ 定向凝固叶片生长、中介机匣离心铸造、尾喷管一体化成形等，是铸造、锻压、焊接、增材制造等技术的核心基础，在航空航天领域具有广泛而重要的应用。

但是《凝固技术》课程理论性较强且涉猎面较广，特别是凝固过程的传热与传质，公式推导晦涩难懂；凝固技术的制备原理和操作方法，课堂讲述乏味枯燥 [3- ；且课程相关教材内容均未聚焦航空，不利于达成我校航空制造卓越人才的培养目标。近年来，结合南昌航空大学实际，同时针对学生在学习过程中面临的困难，将教学内容和结构体系进行改革，针对航空发动机及结构件的凝固过程进行整合，形成更具针对性的航空特色教学体系；以航空案例驱动，提供航发企业在铸造过程中具体、真实的问题情境，将学生学习置于一个互动性更强和参与度更高的环境中，激发学生的探究兴趣和学习内驱力；融合科研竞赛，组织学生参与凝固技术相关的国家级竞赛，将课堂所学应用于工程实际，努力培养具有扎实理论基础、实践创新能力的卓越航空制造人才。

1 以航空案例为引线，重组知识模块

《凝固技术》课程所涉及的知识点多，公式推导复杂，向来是理工科相关专业中“学生难学、教师难教”的一门代表性课程，卷面不及格率普遍偏高，已成为部分授课教师和学生共同的、亟待解决的难题[6]。基于此，根据《凝固技术》课程的知识结构体系，将知识模块化处理，简化结构体系，知识模块主要划分为四个部分，如图1 所示：一是解决凝固机理问题模块，即金属凝固理论基础，包括液态结构、凝固过程的热力学、动力学、凝固过程的传热和传质等；二是解决凝固组织问题模块，即金属凝固组织的控制，包括铸件的宏观组织及控制技术、铸态组织的控制途径等；三是解决凝固缺陷问题模块，即铸件凝固缺陷及控制，包括缩松缩孔、应力、变形和裂纹等；四是拓展凝固技术发展模块，即凝固新技术，包括定向凝固、快速凝固、半固态铸造等。

四个模块中，将知识点分类为难点知识和重点知识。难点知识简化内容，化难为易，结合学生的实际基础，针对难度过大的知识点只讲解含义和功能，理论上够用为度。例如在讲解凝固过程的传热时，重点讲解一维导热问题（稳态和非稳态），只强调导热微分方程的作用及各参数的含义、初始条件和边界条件的确定原则，而不做微分方程的推导。重点知识在讲解过程中以航空案例为引线，启发引导，互动交流，让枯燥的教学生动化。例如在凝固缺陷偏析的讲解过程中，以航空发动机高温合金叶片表面的雀斑缺陷为例，展示现场实例和叶片的制备过程，引导学生分析雀斑缺陷的形成原因和机理，驱动学生对偏析的理解；结合航发企业对雀斑缺陷的改进方案，引发学生对复杂工程问题的思考；对比分析不同方案下雀斑的微观形貌，让学生充分了解实际—理论—再实践的螺旋式发展规律；最后提出相关问题并进行思考、调研和解决：

偏析的种类有哪些？高温合金叶片表面雀斑缺陷属于哪种偏析？

雀斑缺陷的形成与那些金属元素相关？为什么？

高温合金叶片定向凝固过程中重力对偏析有哪些影响？

再如，在凝固缺陷气孔的讲解过程中，以航空发动机中介机匣铸坯表面的荧光显示缺陷为例，跟踪中介机匣的缺陷位置，外环外壁、外环内壁、内环外壁、内环内壁中荧光显示缺陷的形貌和数量，引导学生分析缺陷产生的原因和机理，驱动学生对气孔缺陷的理解。同时分析离心铸造工艺参数对气孔缺陷的防治效果，展示不同转速、充型时间下气孔的分布模拟图，引发学生对复杂工程问题的思考。最后提出相关问题进行讨论：

航空发动机中介机匣在离心铸造过程中气孔缺陷的形成机理是什么？

荧光显示缺陷的形成与那些缺陷有关？如何区分缺陷的种类？学生通过思考、调研和讨论，不仅加深对凝固缺陷的理解，而且接触到航空工业中的复杂工程问题，得到将工程问题转化为科学问题的基本训练，强化了学生工程实践能力。2 以航空案例为载体，厚植思政根基

教学的根本任务是培养人，为了真正实现《凝固技术》课程建设以培养航空卓越人才的目标，针对课程案例进行航空特色化。结合《凝固技术》知识要点，以典型案例为载体，融入家国情怀、责任担当、专业精神等思政主题。如图2 所示，激发学生对课程的学习兴趣，确立人生成长目标。

在绪论章节讲解凝固技术在材料成型中的作用时，重点介绍金属凝固技术的发展历史，阐明凝固技术在古代对于政治（祭祀用礼器）、军事（青铜武器）、艺术（编钟）等领域的深远影响，将古代灿烂的青铜文明一一展现出来。同时导入关注度较高的“天下第剑” —越王勾践剑，介绍青铜剑的成分组成、制备工艺过程中，代入越王勾践的人物故事，提醒学生在遇到挫折时，要有坚韧不拔的精神，卧薪尝胆，发愤图强，同时也要不忘国耻、珍惜和平、维护国家的独立和尊严。

以与航空息息相关的经典案例为内容，通过案例导入、分组讨论、研究分析，让学生了解各种经典凝固理论以及凝固技术的内涵，培养学生解决航空领域复杂工程问题的能力。例如定向凝固技术章节，讲解定向凝固技术的发展及应用，介绍定向凝固设备使用原理时，导入材料先驱师昌绪先生与空心涡轮叶片，师昌绪先生采用定向凝固技术，领导开发中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片，使我国成为继美国之后第二个自主开发这一关键技术的国家，为国家科技政策的制定以及科技机构的设置和发展做出了突出贡献，当选“感动中国 2014 年度人物”。课程讲解过程中，将“热爱祖国、责任担当、协同创新、攻坚克难”的精神融入教学，诠释社会主义核心价值观，培养学生爱岗敬业、勇于探索的职业品格。

再如，在快速凝固章节中，结合快速凝固的发展史，讲解我们真正实现金属液滴106 /s 冷却速度的艰辛，使学生认识到快速凝固所蕴含的基本科学原理。通过选择合适的实验设备，在实现金属快速凝固的同时，发现了包括亚稳合金、非晶合金、纳米材料等系列新材料。尤其是超细晶纳米抗菌材料，除了引入航天服的面料要求、基本特性和功能外，结合中国实事，拓展至医用抗菌材料，导入抗疫脊梁钟南山，让同学感受抗疫中国力量，将“举国同心、敢于斗争、生命至上、无私奉献”的精神融入教学，领略中国共产党的领导力、中华民族的凝聚力和中国人民的奋进力。

3 以科研竞赛为平台，激发实践创新潜能

为显著提升学生解决复杂工程问题的能力，我们积极引导学生参与课外实践活动，组织他们报名参加“中国大学生机械工程创新创意大赛铸造工艺设计赛”等高水平的国家级竞赛。这些竞赛以企业的真实案例为题目，为课程提供了宝贵的实践素材。例如，在竞赛中，学生需要运用INVENTOR、UG 等先进的三维建模软件，对零件的结构与浇冒系统进行精确建模。然后，借助 Pro-Cast 等专业的仿真模拟软件，对铸件的充型凝固过程以及潜在的缺陷分布进行深入模拟分析。通过对模拟结果的三维可视化效果进行深入剖析，学生能够更加直观地理解液态金属的流动行为和凝固过程中的各种现象，进而探讨缺陷的防治措施，不断优化工艺方案，最终获取最佳的凝固技术工艺参数。

在这一过程中，学生不仅能够将课堂所学的理论知识，如液态金属流动性、凝固缺陷的防治等，与实际工程问题紧密结合，加深对重难点知识的理解和掌握，更能在实践中锻炼和提升解决复杂工程问题的能力，特别是针对航空铸件在凝固过程中常见的缺陷问题，如缩孔、缩松、变形、开裂等，提出切实可行的解决方案。近年来，通过这种以赛促学、以赛促练的模式，我校材料成型及控制工程专业的本科生参与国家级竞赛的热情高涨，参赛学生人数比例已超过 40%，并呈现出逐年上升的趋势，获奖率也实现了显著提升，学生作品及获奖情况如图3 所示。这不仅体现了竞赛对提升学生专业素养和综合能力的积极作用，也为学生的未来发展奠定了坚实的基础。

4 教学成效

评价体系是检验教学效果的重要依据，采用多元化的考核机制，可以更广泛地关注班级同学的个体潜力和发展空间，助力学生全面发展。例如针对凝固机理问题掌握情况，采用闭卷考核方式客观评价，反映学生的实际学习效果；针对凝固缺陷中的案例分析能力，采用研讨法和翻转课堂组织教学的方法，以“课堂表现 +PPT 答辩”考核学生对实际问题的分析。自 2023～2025 年，为我校材料成型及控制工程专业本科生开设课程，每年的上课人数分别为 60、44、44，考核的平均分依次为 77、79、87 分，表明学生对课程的理解和掌握效果逐年上升。这一趋势反映出航空案例驱动的课堂教学模式有助于加深学生对强化学习内容的理解，2023 年和2024 年，学生对教师的评教分数分别达到97.68、98.68 分，说明学生对课堂效果满意度也逐渐提升。

面对当今工程技术飞速发展的态势，教育的中心亟需从传统“知识灌输型”教学向“能力导向型”教学转变。以航空案例驱动的教学模式成功实现了课程内容与产业需求的深度融合。同时，巧妙地将大国工匠、行业先锋的先进事迹融入教学，以榜样的力量激励学生，有效践行了思政促教学、教学助实践的立德树人初心。实践证明：通过重组知识模块、强化课程思政、聚焦航空案例以及积极组织科研竞赛等一系列改革措施，该课程显著提升了学生的专业素养和综合能力，特别是在解决复杂工程问题方面取得了长足进步。为南昌航空大学航空制造人才培养目标的实现提供了有力支撑，也为其他相关课程的教学改革提供了有益的借鉴和参考。

参考文献：

[1] 沙明红 ， 李娜 ， 李雪 ， 等 . 金属凝固原理及技术课程思政设计与实践 [J].中国冶金教育 ， 2023（3）： 102-105.

[2] 杨文超. “凝固技术”专业基础课程建设与教学改革实践——以西北工业大学材料成型及控制工程专业课程为例 [J]. 科技风 ， 2021（35）： 153-155.

[3] 邹建新， 丁义超， 陈湘. 以学生为中心背景下" 凝固原理" 课程教学模式改革 [J]. 黑龙江教育 （ 理论与实践 ）， 2024（3）： 90-93.

[4] 陈宗民 ， 盛文斌 ， 翟慎秋 ， 等 . 《金属凝固原理》课程教学方法改进 [J].铸造设备与工艺 ， 2019（2）： 47-49.

[5] 陈峥， 王松林， 马艺. “凝固原理”课程的可视化教学探索——面向金属材料专业 [J]. 铜陵学院学报 ， 2017， 16（1）： 121-123.

[6] 张从阳， 赵光伟， 袁有录， 等. 新工科背景下《凝固原理》课程教学改革与实践 [J]. 中国电力教育 ， 2019（12）： 71-72.

致谢：江西省高等学校教学改革研究项目（一般项目），JXJG-23-8-11。