《專業綜合實驗》課程學生工程能力培養的教學案例探索

周昌榮 袁昌來 陳國華 許積文

【摘 要】相比理論課教學，實驗課程更能訓練學生的工程能力，進而實現培養新興領域工程科技人才的新工科建設的任務。本文基于提升學生的工程能力素養，在專業綜合實驗課的教學過程中，針對新工科背景下材料科學與工程學科的教學問題，通過一個壓電陶瓷生產具體的工程案例，分析如何訓練學生解決工程問題的能力。

【關鍵詞】專業綜合實驗;工程能力訓練;材料科學與工程;教學改革

中圖分類號： G642;TF0-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.032

【Abstract】Experimental course can provide more engineering ability training for students compared with teaching of theory course. Thus， engineering science and technology talents in emerging field can be trained in view of new subject construction. Aiming to promote engineering ability training for students and solve the teaching problems of material science and engineering in view of new subject construction， the engineering ability training for students has been conducted. The solving complex engineering ability by experimental course has been promoted by a specific engineering case of piezoelectric ceramics.

【Key words】Specialty comprehensive experiment; Engineering ability training; Material science and engineering; Teaching reform

0 前言

《專業綜合實驗》是我校材料科學與工程專業開始一門重要的專業實踐課程，共24課時，設有基礎實驗項目2個，綜合實驗項目5個，主要完成功能陶瓷材料從制備到測試的整個過程，以及代表性的功能陶瓷如介電、壓電、鐵電、磁性、熱敏、阻變等功能的性能測試與分析。主要目的是新工科背景下培養學生的工程能力，應對新興產業對高技術人才的需求[1-4]。

課程在開設過程中，為了解決傳統實驗內容與工程應用脫節的問題，在具體的實驗材料與性能參數測試過程中，引入企業實際生產過程中碰到的工程問題，以實際案例及解決過程來培養學生的工程能力，增加課程的針對性、時效性及趣味性。

1 專業綜合實驗中壓電陶瓷制備與性能測試的一個工程案例實踐

壓電陶瓷材料是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，廣泛應與于超聲換能器、水聲換能器、陶瓷變壓器、電聲換能器、陶瓷濾波器、聲表面波器件、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、壓電陀螺電光器件、引燃引爆裝置和紅外探測器等日常生活與高技術產業。壓電陶瓷材料因為電極面，極化方向及電場方向不同，陶瓷振子類型不同，其性能參數眾多，不是從事研發的專業人士，很難完全理解很多壓電性能參數的意義與應用價值。

因此，在開始壓電陶瓷的制備與性能測試分析實驗中，只能選擇常見的壓電性能參數，比如壓電常數d33，機電耦合系數kp/kt，機械品質因數Qm及壓電頻率常數N等參數。但是只是簡單介紹這些參數的公式，測試過程及應用情況，教學過程將會非常乏味，學生也不容易掌握。因此，我們在教學過程中，將生產企業制備相關產品時出現的工程問題引入課堂，說明如何可以通常這些壓電性能參數來尋找出現問題的原因，以及解決問題的方法與措施。

比如，一家公司生產一款出口到歐洲的超聲霧化器用陶瓷片，在發貨到組裝霧化器的分公司后，出廠前檢測發現霧化效果明顯降低，經技術人員分析后發現部分樣品平面諧振頻率正常，厚度諧振頻率有明顯分叉如圖1所示，另一部分樣品的銀電極出現氧化、脫落，假如你就是該公司負責解決該問題的技術人員，請說明原因及解決的措施。

一般技術人員很難找到原因，實際上的原因很簡單。我們在課堂上引導學生從原理上探究為什么會出現厚度諧振峰出現分叉，先詢問學生與諧振頻率相關的壓電參數有哪些？學生們很容易就答出是壓電頻率常數N=fr*d（fr是諧振頻率，d是樣品厚度），諧振頻率fr與d樣品厚度的乘積是一個常數，不同的樣品厚度，諧振頻率頻率不同。產品出現厚度諧振頻率有明顯分叉，說明同一個樣品在不同的地方厚度不同，即樣品的厚度存在不均勻現象。可以通過螺旋測微計測量樣品的厚度來驗證，通過測量，果然發現樣品的厚度在不同的位置讀數不一樣。在生產過程中控制樣品厚度及表面狀態的是磨片儀，因為使用時間過久，軸承磨損過大，出現偏心旋轉，導致樣品厚度不均勻。這樣，通過跟換軸承或者磨片設備即可解決問題。

在此基礎上，進一步說明，為什么平面諧振頻率不容易出現分叉。從頻率N=fr*d可以看出，平面諧振的尺寸是樣品直徑，遠遠大于樣品厚度，尺寸出現一些改變，相比厚度的改變比例要低得多。另外，平面諧振頻率相比厚度諧振頻率也低得多，所以平面諧振頻率一般不會出現分叉現象。

對于壓電陶瓷材料，電極材料起非常重要的作用。由于超聲霧化器用陶瓷片的表明銀電極通常是侵泡在不同的液體中，在振動的作用下容易氧化脫落。如何解決這個問題，先不直接說明問題，從電子材料常見的封裝說起，通過循循誘導，讓學生們自己想什么辦法在表面可以通過不同的表面處理方法或者包封技術，解決表面電極脫落問題。

通過企業生產產品的真實案例，引入實驗課程的原理與測量過程，一方面增加課堂教學的趣味性與教學氣氛，同時也可以培養學生提高解決復雜工程問題的能力，適用新產業對創新型人才的需求，產生了很好的教學效果。

2 結語

本文在我校材料科學與工程專業實踐新工科教學改革的背景下，在《專業綜合實驗》實踐課程中，對課堂教學內容與方式進行變革探索，將真實的產品生產工程問題與實驗課堂壓電陶瓷性能參數的測試與應用有機結合起來，通過一個具體案例說明如何發現工程問題的原因，找到解決問題的辦法及措施，提升課堂教學的有效性與趣味性，明顯提高了學生解決復雜工程與創新能力的效果。

【參考文獻】

[1]林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求， 高等工程教育研究， 2016， 5， 17-38.

[2]付廣艷，李榮廣，張金萍，于永梅，宗琳.基于應用型人才培養的課程體系構建與課程建設，化工高等教育，2019，36， 57-59+102.

[3]蔡劍紅，霍亮，朱凌.新工科理念下的實驗課程教學改革與實踐探索，測繪通報，2019，2，147-152.

[4]馬杰，李同杰，柳偉續.專業認證背景下專業課程能力培養教改研討，教育教學論壇，2019，8，113-115.