金属材料工程专业拓展实验模块化构建

金属材料工程专业拓展实验模块化构建

张平

交大（宁夏）检测科技有限公司

摘要：随着我国社会经济飞速发展，文化理念得到人们的重视。在大四年级上学期开设的专业拓展实验课中对实际工程问题进行抽象与凝练，实现实验课的模块化构建。通过深挖培养目标，从经济社会发展的需求出发，并在实验课内引入国家标准，打造金属材料熔炼、加工、表征及半导体材料改性与表征四大模块，系统培养学生现代科技意识和独立思考能力，增强实际工程问题分析与解决能力。

关键词：金属材料工程；拓展实验；模块化；构建

引言

随着全国高校“双一流”建设、“新工科”的大力推进，以及国家“中国制造2025”和“中国制造2050”规划的确立，对现代企业的创新能力、质量效益、两化融合及绿色发展等方面都提出了新的挑战，这就要求从业人员具有对工程实际问题分析能力，与时俱进的创新能力，全面的发展观念等。工科本科阶段的人才培养如何确保与国家与行业发展、“双一流”与“新工科”等建设相一致、融合，成为了新形势下专业发展的挑战[1]。目前，金属材料工程实验课程内容侧重于加强学生对理论知识的理解与实践，以及实验基本技能传授，缺乏对综合实验能力的训练，以及分析、解决工程实际问题能力的培养。

1金属材料工程专业拓展实验的开设

本科阶段前期的实验课以培养学生基本实验认知、能力、技能为主，如“金相显微镜的构造与使用”旨在培养学生规范、熟练使用金相显微镜的能力，“金属材料的显微组织观察”旨在培养学生准确辨别金属材料中常见金相组织的能力。这些实验常配有详细的实验指导书，给出实验目的、实验原理及步骤，要求学生在实验报告中给出准确的实验结果。

在学生已完成前期实验课，掌握专业基本实验技能的前提下，本专业于2015年起在大四第一学期开设金属材料专业实验课C，后更名为金属材料工程专业拓展创新实验，部分实验仅给出实验目的与要求，没有具体实验指导书。该实验由学生独立查阅资料、制订实验方案完成特定的设计和实验，并将结果撰写成详细的实验报告。例如，“塑性加工及回复再结晶对材料性能的影响”实验要求学生自主研究材料微观组织与力学性能的关系，在教师的指导下制定实验方案并执行，分析所得实验结果，完成实验报告。学生拿到这样的题目，需要查阅相关书本知识并进行文献调研，经过小组讨论制定出合理可行的方案，选择合适的设备实施实验并进行数据处理与曲线拟合得出实验结果，最后还需对所得实验结果进行分析，并讨论实验过程中遇到的问题与解决方法，提高创新与思辨能力。由此全面训练学生在金属材料制备、性能测试与表征等方面从发现问题、分析问题、制定实验方案、解决问题、及时总结反思的思维与能力，为日后走向工程技术岗位，成长为合格的专业技术人员奠定良好的专业基础。

2专业拓展实验模块化构建

2.1全面契合培养目标，深入结合课程体系

金属材料工程专业的本科培养目标是具备材料、机械、冶金领域基础知识和应用能力，能够在金属材料设计、组织性能调控、使役分析、设备与仪表方面进行技术开发、科学研究、组织管理和决策；具备创新能力、国际视野、团队合作意识、沟通交流能力和自主学习能力，在考虑社会、健康、安全、文化以及环境的前提下，利用现代工具解决金属材料设计、开发、制备、应用相关的复杂工程问题的研究型或应用型技术人才；成为在生产企业、科研单位从事金属材料工程领域相关的科学研究、材料及工装设计、使役分析、技术开发和生产管理及组织决策等方面工作的团队负责人、技术骨干或中层管理人员。

大部分专业基础课如材料科学基础、材料工程基础、材料性能学、热处理原理与工艺等都已学习完成，相关专业基础实验业已完成，学生已初步具备一定的专业问题实验能力，可以进行基础的金相分析、硬度分析。但是，面对复杂工程问题，如何对材料、工艺、检测方法进行灵活的选择与应用，学生仍缺乏相关训练。因此，从本专业培养目标出发，根据学生前期所学的基础理论知识与实验技能，本专业于大四上学期开始拓展实验，旨在对将复杂的工程问题拆为若干核心模块，然后带领学生进行实验设计与训练，培养分析工程问题，设计实验方案，自主进行实验验证与解决问题能力。同时，作为毕业设计的“预演”，训练学生实验方案设计能力、实验方法灵活应用能。

2.2材料生产与热处理是现代工业的基础

课程拟在材料科学基础、热处理原理与工艺、热处理设备与仪表等课程基础上设计综合实验-金属材料的加工与再结晶，旨在全面训练学生从自主设计实验、自主选择实验设备、独立完成实验并进行实验结果分析，来持续夯实学生的金属学基础与工程实践能力。除了传统的金属材料处理系列模块，结合国家、地方经济发展与学生所学基础知识及本专业特色，本项目拟创新地引入半导体材料模块，内设半导体材料的离子注入改性及改性后的表征。此模块可以在前期金属物理学、材料性能学课程的基础上，带领学生复习材料的导电性能、半导体导电原理、掺杂进行带隙调控原理等基本理论，并引导学生将所学的理论知识转化为工程应用——半导体材料的改性原理及工艺，同时引导学生思考半导体材料产业升级中的核心问题以及本专业对此可做的贡献。

2.3引入国家行业标准，夯实工程应用基础

国家标准简称“国标”，是由国家标准化机构批准发布，在全国范围内统一的具有法律效力的技术要求[5]。国家标准以及相关行业标准、企业标准等是现代企业生产的规范，更是保证产品质量与提升企业竞争能力的重要标准。

随着“中国制造2025”计划的推进及近年来国家对夯实制造基础、打造现代科技企业的进程，现代社会对高端工程技术人员的需求越来越多，要求所培养的学生走入工作岗位后具有理解、运用以及制定、修订国家标准以及行业标准的能力。

在此背景下，金属材料工程拓展实验着力在各模块中引入对应国家标准，培养学生对国家标准、行业标准的认知。例如，在金属材料的拉伸试验、压缩试验中引入对应的国家标准，《GBT228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》、《GBT7314-2017金属材料室温压缩试验方法》。在实验课授课过程中首先讲解国标组成、要求与应用，带领学生按照国标要求设计试样尺寸并判断样品是否符合标准要求，根据实验仪器选择对的国标版本与内容并自行根据国标要求计算试验参数，按照国标内对物理量的规定撰写合乎要求的实验报告。在再结晶实验中，要求学生按照国标《GBT6394-2002金属平均晶粒度测定法》测定材料晶粒度，并在此基础上分析样品晶粒度与硬度之间的关系，据此讨论霍尔佩奇效应，实现工程试验与科学研究的结合。

结语

经过持续打磨，金属材料工程专业拓展实验现设四大模块：金属材料制备、加工、表征及半导体材料改性与表征。其中，模块1为金属材料的制备模块，实验内容包括金属材料的放电等离子体烧结、真空电弧熔炼、真空感应熔炼等，旨在教授多种材料制备方法的原理、步骤及所获得材料的组织特征。模块2为金属材料的加工模块，实验内容包括金属材料的塑性变形与再结晶，旨在引导学生探讨塑性变形与再结晶过程中组织、硬度变化，从晶粒熟化过程分析力学性能的变化原因。模块3为金属材料的性能表征模块，实验内容包括金属材料的室温拉伸与压缩试验、疲劳试验，旨在讲授力学性能测试的原理及方法、国家标准的引入、应力状态、应变速率对力学性能的影响。模块4为半导体材料的改性及表征模块，实验内容包括半导体材料的离子注入改性、纳米硬度及扫描电镜测试，旨在讲解半导体生产工艺，离子注入、纳米硬度、导电性测试的原理与方法。

参考文献

[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]王永胜，李咏梅，周禾丰，等.金属材料工程专业实验教学改革探讨[J].科技展望，2017，27(27)：211-213.

[3]蒋建清，梅建平，睢良兵，等.金属材料专业实验课的改革与实践[J].实验技术与管理，2004，21(1)：23-27.