高职智能焊接技术专业《复合钢结构件焊接工艺与实训》教学设计

高职智能焊接技术专业《复合钢结构件焊接工艺与实训》教学设计

一、课程定位与背景分析

（一）课程性质与地位

本课程是高职智能焊接技术专业（学制三年）二年级下学期的专业核心技能课程，属于【核心】岗课赛证融通模块。其在课程体系中起着承上启下的关键作用：前导课程为《金属学与热处理》、《熔焊原理》、《焊接方法与设备》等理论基础课程；后续课程为《焊接自动化技术应用》、《焊接生产管理》及顶岗实习。本课程旨在培养学生针对大型、异种钢复合结构件进行焊接工艺制定、实际操作和过程控制的高阶职业技能，是学生从单一技能向综合工艺设计与实施能力跨越的【重要】转折点。

（二）教学背景与理念

本设计深度融入工程教育认证理念（OBE），以“学生中心、产出导向、持续改进”为核心，对标《国家职业教育改革实施方案》中关于“三教”改革的要求。课程内容直接对接《焊工国家职业技能标准》高级工及技师部分要求，并引入1+X特殊焊接技术职业技能等级证书（中级/高级）的考核要点。教学过程强调真实生产环境下的任务驱动，融合信息化教学手段与课程思政元素，致力于培养具有精湛技艺、严谨作风和创新意识的“能工巧匠”。

二、教学内容重构与目标设定

（一）项目化教学内容重构

基于企业真实案例，本课程将传统章节体系重构为三个递进式教学模块，本课时选取的是模块二中的子项目五。

模块一：基础认知与准备（复合钢材料学基础、焊接性分析、标准解读）。

模块二：【难点】【重点】典型复合钢结构件焊接工艺实施（涵盖Q345/316L复合板、耐磨复合钢、钛/钢复合过渡接头等）。

模块三：【高频考点】焊接质量检验与缺陷返修（无损检测、力学性能试验、失效分析）。

本次课内容：子项目五——大型储罐用Q345R/316L复合钢板对接横焊位置焊接。

（二）教学目标设计

根据布鲁姆教育目标分类学，确立三位一体教学目标。

1、知识层面：学生能准确阐述Q345R/316L复合钢板基层、过渡层、复层的焊接冶金特点；能复述焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）的选择原则与烘干规范；能理解并解释防止复层晶间腐蚀和基层冷裂纹的工艺措施。【基础】

2、能力层面：学生能独立完成复合钢板横焊位置的坡口制备、组对及点固；能根据焊接工艺指导书（WPS），正确设置焊接参数（电流、电压、速度、层间温度）；能规范操作手工电弧焊（SMAW）打底/填充及钨极氩弧焊（GTAW）盖面，实现单面焊双面成形，且焊缝成形美观，复层颜色合格（无氧化）；能对焊接过程中出现的夹渣、未熔合等常见缺陷进行初步分析与排除。【非常重要】【核心】

3、素养层面：通过严格的工艺纪律培养，树立“按图施工、按章操作”的规则意识；通过追求完美的焊缝成形，锤炼精益求精、追求卓越的工匠精神；通过小组协作与互检，养成团队协作与诚实守信的职业品格；通过清洁现场的6S管理，根植安全生产与绿色环保理念。【重要】【课程思政融入点】

三、学情分析与教学策略

（一）授课对象

高职二年级学生，已完成基础理论学习和基本位置平板对接焊（碳钢）的实训，掌握了SMAW、GTAW的基本操作手法。具备初步的识图能力和工艺查询能力。

（二）认知特点

学生对常规焊接操作有一定手感，但对复合钢这种异种材料焊接的复杂性认知不足，缺乏对“层道顺序”与“冶金质量”关联性的深刻理解。对横焊位置铁水重力下淌的控制存在畏难情绪。思维活跃，乐于接受信息化手段辅助，但系统分析问题和解决复杂工艺难题的能力尚显稚嫩。【难点】

（三）教学策略

针对上述学情，本课采用“虚-实-评-升”四位一体的教学策略。

虚拟仿真破难点：利用焊接虚拟仿真软件，让学生在“数字孪生”环境中反复演练横焊多层多道排布，消除恐惧，降低耗材。

任务驱动为主线：以真实的储罐制造任务书为引领，明确岗位角色，激发学习内驱力。

工艺规程为依据：强调WPS的严肃性，培养学生严谨的工作习惯。

即时反馈促提升：通过数字化焊接管理系统实时采集电压、电流曲线，结合焊缝外观检测尺和光谱分析仪（复层成分速检），构建多维度的即时评价体系。

四、教学资源与环境准备

（一）教学环境

智慧焊接实训中心：配备数字化逆变焊机（兼容SMAW/GTAW）、焊接操作架、除尘系统、焊接过程参数采集终端、多媒体教学一体机、高清示教台。

虚拟仿真工位：安装焊接虚拟仿真软件的计算机，与实物焊机操作界面一致。

（二）教学材料

试件：Q345R(16mm)+316L(4mm)复合钢板，规格300mm×150mm×20mm，单V型坡口。

焊接材料：E309Mo-16不锈钢焊条（φ3.2/φ4.0）、ER309LSi不锈钢焊丝（φ2.0）、HJ260焊剂（埋弧自动焊备用）、ER50-6焊丝（打底备用）。

工量具：焊条烘干箱、保温筒、角向磨光机、钢丝刷、敲渣锤、焊缝检验尺、放大镜、红外测温仪。

（三）信息化教学资源

教学云平台（含微课视频、三维工艺动画、虚拟仿真任务包）、数字化焊接工艺设计系统、投屏互动软件。

五、教学实施过程（详案）【核心部分，占比80%】

（一）课前导学——任务发布与预案构思（线上）

1、教师活动：在教学云平台推送“大型LNG储罐内罐用复合钢板焊接”背景资料、本节课的焊接工艺指导书（WPS）草案、导学任务单。任务单要求学生通过资料查阅，回答三个问题：[1]复合钢板三层（基层、过渡、复层）焊接的核心难点分别是什么？[2]WPS中规定的焊接材料（E309Mo-16、ER309LSi）与焊接碳钢的焊材有何本质区别？为什么？[3]观看横焊位虚拟仿真操作视频，尝试在脑海中预演焊接轨迹。

2、学生活动：登录平台学习资料，小组讨论，形成初步认知，将不理解的问题（如“为什么过渡层必须控制热输入”）带入课堂。

（二）课中实施——理实一体，六步进阶（约4学时，180分钟）

第一步：情境导入，明确任务（10分钟）【重要】

1、教师通过多媒体展示某化工企业大型储罐现场组焊的实景图，以及因复合层焊接质量导致泄漏的事故案例（隐去敏感信息）。提问：“是什么原因导致了价值数亿的设备失效？”引出复合钢板焊接质量对整个结构安全性的决定性作用。

2、发布本次课的岗位任务：“作为某压力容器制造厂的焊接工艺员兼焊工，你需要根据生产任务单和WPS，完成一块20mm厚Q345R/316L复合钢板在横焊位置的对接焊接，最终试件需通过外观检测和PT（渗透）探伤。”

3、师生共同解读任务书，明确质量标准：焊缝余高0-2mm，宽度差≤2mm，复层表面颜色为银白或淡黄（无氧化），背面（基层）无焊瘤、未焊透。

第二步：信息查询，工艺复述（15分钟）【基础】

1、教师引导学生回顾复合钢板的焊接冶金学原理。重点讲解：

【核心】基层（Q345R）：采用SMAW，选用E5015（J507）碱性焊条，主要解决冷裂纹问题。

【难点】过渡层（E309Mo-16）：这是关键！必须稀释基层对复层的“稀释效应”。解释为什么选用高Cr、Ni且含Mo的奥氏体焊材，以及为什么必须采用小电流、快速度、窄焊道的工艺来减少熔合比。

【重要】复层（316L）：采用GTAW（或SMAW盖面），选用ER309LSi（或A022焊条），核心是防止晶间腐蚀和保证耐蚀层表面质量。强调层间温度必须控制在60℃以下（红外测温仪检测）。

2、学生分组核对WPS上的参数：焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量、预热温度（若有）、层间温度、焊材规格等。

第三步：虚拟演练，攻克难点（30分钟）【非常重要】【难点突破】

1、教师利用多媒体教学一体机，慢速回放复合钢板横焊位多层多道焊的3D动态工艺仿真动画。重点展示：

（1）坡口形式与组对间隙（3-4mm）及钝边（1mm）的精确控制。

（2）打底焊（SMAW）的运条角度（下倾5-10度）与“看铁水、听声音”的操作要领，防止熔池铁水下坠形成焊瘤或内凹。

（3）填充焊（SMAW）的层道排布顺序：强调后一道焊缝应覆盖前一道焊缝的1/3-1/2，以利于改善应力分布和脱渣性。

（4）【核心】过渡层焊接的独特手法：焊道必须严格控制在基层坡口面上，不得直接熔化到复层，且焊后必须彻底清渣，并用放大镜检查是否露出复层。

（5）盖面焊（GTAW）的摆动技巧：采用小幅锯齿形或月牙形摆动，两侧坡口边缘停留稍长，保证熔合良好且表面平滑，收弧时注意填满弧坑，防止弧坑裂纹。

2、学生进入虚拟仿真工位，登录仿真软件，选择“复合钢横焊”任务包。在虚拟环境中，手持仿真实体焊枪，进行反复练习。软件实时给出熔池状态、温度场分布和焊道成形评分。教师巡回指导，针对普遍存在的“运条不稳”、“熔池温度过高”等问题进行集中纠偏。虚拟演练合格者，方可进入实体操作。

第四步：实体操作，精益求精（90分钟）【核心】【产出导向】

1、【安全与6S强调】教师进行岗前安全喊话，检查学生个人防护用品（PPE）穿戴，强调设备安全操作规范，并划分清洁责任区。

2、分组实训：学生每两人一组，一人主操作，另一人作为“工艺监理”，负责按照WPS检查参数设置、测量层间温度、记录操作过程，并协助清渣。角色轮换。

3、教师巡回指导与个别纠偏：

（1）坡口准备与组对：检查学生打磨坡口、清除油污的情况，指导组对间隙和错边量的控制。强调必须使用相应规格的焊条/焊丝进行点固，点固长度、厚度符合工艺要求。

（2）打底层焊接：重点关注学生引弧、收弧质量及运条时的“顶弧”感觉。对出现内凹趋势的学生，及时提示“电弧压低、稍作停留”。

（3）填充层焊接：【难点】关注层间温度的控制。要求学生每焊完一道，立即用红外测温仪检测，温度超标则暂停，待自然冷却。检查焊道表面是否平整，有无明显夹渣、未熔合。

（4）过渡层焊接：【非常重要】这是评价本次实训成败的关键。教师需反复巡视，提醒学生换用E309Mo-16焊条，并再次强调：“这是你的‘防火墙’，一定要把它焊在基层的坡口上，别让它碰到复层！焊条不摆动，直线运条。”对操作规范的学生予以肯定，对违规操作立即制止。

（5）复层盖面：换用GTAW，检查气体流量和钨极伸出长度。指导学生控制好焊接速度和送丝节奏，力求鱼鳞纹均匀细密。强调复层表面不得有飞溅、弧伤。

4、过程数据采集：焊接管理软件自动采集每台焊机的实时电流、电压曲线，教师可在大屏幕上调阅，分析学生操作的稳定性，作为过程性评价依据。

第五步：质量检验，对标找差（20分钟）【高频考点】

1、自检与互检：学生完成焊接后，首先进行自检，使用焊缝检验尺测量外形尺寸，并清理飞溅。随后，同组“工艺监理”进行互检，填写《焊接质量外观检查记录表》。

2、教师抽检与点评：教师使用光谱分析仪对复层表面进行快速成分检测（验证有无因操作不当导致的合金元素烧损），并选取典型试件（优质件、问题件）进行集中讲评。

（1）展示优质件：表扬操作规范、焊缝美观的同学，请其分享操作心得（如：“我焊复层时，手把特别稳，送丝时机把握得好，所以颜色发亮”）。

（2）剖析问题件：针对试件中出现的夹渣、咬边、背面内凹、复层发蓝氧化等问题，引导学生分析原因（如“层间清渣不彻底导致夹渣”、“盖面时电弧拉得太长导致氧化”），并提出改进措施。教师强调：“焊缝的颜色，就是你职业操守的颜色。”

3、无损检测预告：告知学生后续将对这些试件进行PT渗透检测，只有PT合格，才能算作最终合格品，进一步强化质量意识。

第六步：总结提升，课后延伸（15分钟）【重要】

1、小组汇报：请1-2个小组代表汇报本次任务的学习收获、遇到的困难及解决办法。

2、教师总结：系统梳理复合钢板焊接的“三要三不要”口诀（“要分清材料，不要混用焊材；要控好层温，不要盲目施焊；要精磨细检，不要放过缺陷”）。再次强调工艺纪律和工匠精神的重要性。

3、课后作业与拓展：

（1）基础作业：撰写实训报告，详细记录本次焊接的工艺参数和操作体会。

（2）进阶作业：【难点】思考题：“如果复合钢板的厚度增加至40mm，焊接工艺需做哪些调整？为什么？”要求查阅资料，形成简要分析报告上传云平台。

（3）拓展任务：感兴趣的同学可登录虚拟仿真平台，尝试完成立焊位置的复合钢板焊接模拟，提前预习下次课内容。

（三）课后提升——反思与迁移（线上+线下）

1、教师活动：在云平台批阅学生实训报告和思考题，筛选优秀回答进行展示；发布PT检测结果，建立“优秀焊缝案例库”与“典型缺陷案例库”，供学生持续学习；根据课堂表现和数据，反思教学设计的不足，为后续教学改进积累素材。

2、学生活动：完成实训报告撰写；根据PT检测结果，反思自身操作问题；参与线上论坛关于“厚板复合钢焊接工艺”的讨论，实现知识与技能的迁移。

六、教学评价设计

本课程摒弃单一的终结性评价，构建了过程性评价（50%）与终结性评价（50%）相结合的多元评价体系，全面考核学生的知识、技能与素养。

（一）过程性评价（50%）

课前（10%）：云平台学习任务完成度、预习问题质量。

课中（60%）：虚拟仿真操作成绩（10%）、实体操作规范度（20%，含参数设置、层温控制、6S执行）、焊缝外观质量（20%，按评分表）、团队协作与沟通（10%，含“工艺监理”履职情况）。

课后（30%）：实训报告质量（20%）、拓展思考题完成深度（10%）。

（二）终结性评价（50%）

理论考核（30%）：期末闭卷考试，涵盖复合钢材料学、焊接工艺、缺陷分析等【高频考点】。

技能考核（70%）：期末实操考试，独立完成另一规格复合钢板对接，试件需通过外观检测和无损探伤（PT或UT）。成绩由第三方评价（企业技师）和教师共同评定，直接对接1+X证书实操考核标准。

（三）增值评价

关注学生个体进步幅度，对操作技能进步显著、学习态度端正的学生给予额外加分鼓励，激发每位学生的潜能。

七、教学反思与诊改

（一）预设成效

通过本次课“虚-实-评-升”的闭环设计，预计90%以上的学生能够掌握复合钢板横焊的基本工艺，能够按照WPS规范操作，焊缝外观一次合格率较传统教学有显著提升，且对“过渡层”这一核心概念的理解更加深刻。学生在任务驱动下，规则意识、质量意识和协作能力得到有效锻炼。

（二）潜在挑战与预案

挑战1：少数学生实体操作时，对横焊位熔池控制仍有困难，易产生缺陷。

预案：增加虚拟仿真练习时间，确保“手熟”后再上机；