教學、生產、科研一體化本科教學模式研究

劉崇宇 楊霞

摘?要：本研究通過對桂林理工大學材料科學與工程學院金屬專業本科生的校外生產實習進行改革，探索出新型教學、生產、科研一體化本科教學模式。通過該模式，學生不但鞏固了課堂知識，而且能夠做到學以致用，這一方面激發了學生探索新知識的動力，另一方面為本科生畢業后的就業及繼續從事科研工作打下良好的基礎。

關鍵詞：教學;生產;科研

Abstract：In this study，we explore a new integration teaching mode of teaching，production，and scientific research，by the reform of production practice of the undergraduates in the metal materials science and engineering major，Guilin University of Technology.By this mode，the students study more knowledge，and could learn in order to practice.On the one hand，the undergraduates more like study the professional knowledge，on the other hand to improve the ability of research and practice.

Keywords：Teaching;Production;Scientific research

1 緒論

改革開放的30年時間里，我國的高等院校為國家培養了一大批科學、工程以及技術人才[1-6]。在各類科技人才的帶動下，我國無論科學技術還是工業化水平均得到了飛速發展[7]。

然而，我國的高等教育還表現出一系列的問題。例如，多數非985、211以及雙一流高校的學生普遍存在學習動力不足，這不但影響了大學生對專業知識的掌握，而且極大地降低了學生的就業競爭力。因此，如何提高大學生，特別是普通高校學生的學習積極性亟待解決。

經過分析，大學生學習積極性不足主要有以下幾個原因：（1）學習無用論盛行。很多學生并不清楚本專業發展歷史、前沿科技以及就業前景，以金屬專業本科生為例，學生很難將課堂上教授的相變、析出、固溶、再結晶等書本里的理論知識點與實際的金屬材料生產、加工及應用相結合。這樣，很多學生認為大學所教授的知識將來無用武之地，以后用到再學業完全來得及。因此，教學無用論在大學課堂上較為流行，這極大地影響了學生的學習動力;（2）專業教師引導不足。在目前的體制下，高校很難對教師的教學進行公平、有效、合理的定量考核。而教師的評職、績效等更多地依靠學術論文、科研項目、指導學生競賽等方便定量化的科研或者教學工作。這樣很多教師并不愿意把過多的時間用在課堂教學上，這直接導致了專業教師的教學動力與對本科生學習引導的不足;（3）客觀條件不足。雖然近年來，國家對高校的資金投入越來越多，但是，普通非985、211以及雙一流高校的實驗基礎設備仍嚴重欠缺，學生課堂上更多的是“填鴨式”地學習理論知識，無法親自動手操作甚至認識各類實驗設備。例如，材料成形課程中所教授的加工方法均需要較大的澆注、焊接、軋制、擠壓等專業設備，而普通高校很難有場地及資金購置這些設備，這無疑進一步弱化了學生對本專業的興趣。

因此，本研究以桂林理工大學，金屬專業學生為對象，在第六至第七學期之間的暑假校外生產實習環節進行教學、生產、科研一體化本科教學模式探索的研究。以期解決普通高等院校的上述問題。

2 教學改革方法

第六學期期末，教授桂林理工大學材料成形課程的教師對金屬專業的全體選課大三本科生進行暑假的生產實習動員，最終有23人自愿報名參加為期一個假期（2個月）的生產實習活動。生產實習地點為廣西壯族自治區平果縣某生產鋁合金導線的工廠。生產實習期間，給本科生布置如下任務：

（1）跟隨工廠師傅，進行一線生產，主要分配到熔煉車間、拉拔成型車間、產品檢測車間三個部門;

（2）積極發現并研究企業生產、產品檢測、過程管理等各環節所存在的問題，并在實習期結束前一周形成紙質調研報告;

（3）針對所發現的問題提出改進方法并提供相關的理論依據;

（4）進入大四選擇畢業設計課題時，鼓勵參加生產實習的學生采用企業所提供的材料進行進一步的科學研究，對自己所生產的產品進行深入了解，最終完成畢業設計，并撰寫畢業論文。

進行上述工作，可以使學生對本專業有更加全面、清晰的認識。將課本上所學到的知識點與生產實際相結合。例如，“材料科學基礎”課程中講授變形態金屬材料在熱處理過程中發生了回復、再結晶、晶粒異常長大、位錯湮滅及重新排列等一系列行為，無疑，這對于未參加生產實踐或實驗室實驗的本科生而言非常抽象，學生很難將上述行為與科學研究或實際生產加工相結合。而在企業實習期間，學生發現5系鋁合金在塑性變形后，要進行一次短時間的高溫退火才能進入下個階段的塑性變形。通過這一簡單的生產過程，可以給學生講解，高溫退火的目的是為了使變形后的鋁合金在高溫作用下位錯密度發生一定程度的湮滅及重新排列，最后達到減少的目的。同時高溫還能促進變形晶粒發生再結晶，使其由伸長率較低的纖維狀轉化為伸長率較高的等軸狀。在位錯密度減少與基金晶粒發生再結晶的雙重作用下，金屬的強度必然降低，塑性必然增加。這為下個道次的變形做好了準備，能夠確保下一道次的塑性變形不發生材料的斷裂與失效，保證成品率。通過上述實習以及講解，學生便對熱處理過程中位錯、晶粒的變化，以及上述變化對材料力學性能影響有了更加深刻的認識，也會更好地將“材料科學基礎”課本知識與生產實際進行了結合。

再如，在“材料成形工藝學”課程中教師給學生講授的非均質形核也比較抽象，學生難以理解。而在生產實習過程中，學生發現在5系鋁合金熔鑄過程中，工人向合金液中加入一定量的Cr元素，而Cr在鋁中溶解度較低且無法與Al基體或者其他合金元素形成高密度、小尺寸的化合物相，因此，加Cr既無法起到第二相強化也無法起到固溶強化作用。這樣便可以給學生講解Cr在鋁液中的作用，主要是形成高溫難熔化合物相，該相的熔點高于鋁合金基體的熔點，因此，優先于鋁合金基體發生凝固。這樣含Cr的領先相可為鋁合金基體晶粒的形核提供基底，進而促進鋁合金基體晶粒在多個形核點上發生形核（非均勻形核），而每個晶粒的生長空間又極為有限，最終達到細化鋁合金基體晶粒的目的。同時，也可以向學生們講解熔鑄過程中促進非均勻形核的目的，非均勻形核就是為了細化晶粒，而細化鋁合金晶粒可同時優化合金強度、塑性、耐疲勞、耐腐蝕等一系列力學性能，同時晶粒細化還可以減少偏析及夾渣，減輕凝固過程中的熱裂傾向，最終提高鑄造的成功率。通過上訴講解與實踐，學生便將非均質形核這一知識點與生產實際進行了很好結合。因此，學生通過親自動手操作，更加深入地了解了金屬材料的知識點，并將所學知識與生產實際進行了較好的結合，這為今后的繼續甚至和就業打下良好基礎。

另外，一線生產的環境的確不盡如人意，工作還實行倒班制，在學校過習慣了安逸生活的大學生在工作初期非常不適應，但23位本科生均堅持到實習期結束，通過一個暑假的實習，還培養了學生的吃苦耐勞的精神，并且讓學生更早地認識和適應未來的工作。同時讓學生了解現實中的工作環境，可以激發部分學生的考研熱情，使學生有更加明確的考研動力及目標。

學生在發現問題的過程中，可以培養學生工作過程中的思考問題、解決問題能力，另外，運用課堂理論知識，提出工廠生產過程中相關不足點的解決辦法，理論指導實踐，帶動學生對學習本專業的興趣，提高學生的自信心。例如，有學生發現部分批次的產品在拉拔過程中，經常發生斷裂。引導學生對拉拔前的工藝進行了系統的回顧，最終發現這些批次的合金在前期的加工生產過程中有如下問題：

（1）熔鑄的時候加入過多的三級和四級廢料，而三級以下廢料由于其過高的比表面積，會帶入更多的非金屬夾渣物，如果非金屬夾雜物未能及時清理干凈則會滯留在金屬中，形成夾渣，最終破壞金屬的連續性，進而惡化材料的塑性，因此，合金在拉拔過程中容易出現斷裂行為;（2）合金液內通入氮氣時間較短，氮氣泡在上浮過程中因其內部較小的氫氣壓，可較好地對金屬進行吸氣及除渣處理、而通入氮氣時間較短導致了合金液內大量氫氣和非金屬夾雜物無法及時排除，因此合金鑄造成形后內部有一定數量的氣孔和夾雜物，這也導致了合金在拉拔過程中的斷裂;

（3）部分操作工人為對爐料進行充分破碎就匆忙投料，這樣在相同的熔煉時間里，大塊爐料必然會導致合金的成分不均勻，出現更加嚴重的偏析現象，尺寸部分含Cr的孕育劑未能起到充分促進非均勻形核的目的，因此，所獲得的鑄件晶粒尺寸過大，并導致材料在后期拉拔過程中更容易發生斷裂;

（4）部分拉拔設備未充分潤滑過程中進行拉拔生產，不同于擠壓，拉拔過程中材料經受了更多的拉應力，而拉應力更容易使材料發生斷裂。加潤滑劑對模具進行潤滑是一個很好地降低拉應力的方式，因此，需要對設備進行充分潤滑;

（5）每個拉拔道次之間的退火時間不夠長，正如前文所述，道次間退火是為了充分軟化材料，以便后期的塑性加工。而退火時間短會造成部分位錯未發生湮滅，部分纖維狀變形晶粒在材料內部得以保留，因此，材料并未發生充分軟化，存在一定的內應力，這無疑提高了材料的塑性變形難度，增加了材料失效的風險，降低了產品的成材率。

學生發現上述問題后，建議企業方及時修改后續的生產工藝。最終企業在學生的協助下，通過計算，調整并優化了原鋁錠與廢料、廢料各級別間的比例，根據成本與性能確定了最優的各爐料比例;適當增加了通氣時間，進行了充分的除氣除渣處理;向一線員工說明了爐料尺寸與產品質量的關系，建議對爐料進行充分破碎，以免材料發生成分偏析與孕育不足;對材料模具進行充分的潤滑，降低材料的剪切應力，保證拉拔過程的順利進行;適當提高每個道次間的退火時間，保證材料在進行下一道次拉拔前發生充分軟化。工藝改進后，鋁材的拉拔性能得到大幅提高，斷裂現象得到明顯改進。再如，學生發現拉拔各道次間樣品的高溫退火溫度過高，這樣不利于企業控制生產成本。學生對鋁材進行和不同溫度及不同時間的退火實驗，繪制了各溫度條件下的退火軟化曲線，進而找到了不同直徑鋁合金線材的最優退火工藝，這樣在不影響下一道次順利拉拔的同時，還極大地減少企業能耗，降低產品生產成本。因此，學生在通過上述發現并且解決問題的過程中，專業業務水平得到大幅提高，這一方面提高學生的自信心，另一方面也極大地提升學生畢業后的就業競爭力。

經過一個暑假的實習，學生馬上進入大四的畢業設計環節。在這一過程中，教師鼓勵學生采用生產實習時所用的材料進行深一步的研究。例如，對比不同氣體以及氣體含量對合金鑄錠氣孔率、雜質偏析的影響，確定最佳的除氣工藝。對比不同拉拔道次材料的微觀結構及顯微硬度，探索變形量對合金微觀結構與力學性能的影響，確定最佳變形量與變形工藝參數;對比退火熱處理前后材料的微觀結構及顯微硬度，探索熱處理工藝參數對鋁合金微觀結構及力學性能的影響;對比單道次拉拔前后合金微觀結構和顯微硬度，探索變形量、變形方式、變形溫度等變形工藝參數對合金微觀結構及力學性能的影響等等。通過上述實驗，學生更加清楚了金屬材料的微觀結構與力學性能之間的對應關系。同時，也強化學生分析材料的強化機制、再結晶理論、析出相演化過程、液態金屬形核過程的能力，進一步培養學生的科學素養，提高學生對金屬專業的興趣，同時也為讀研學生的今后研究工作打下基礎。

在該生產實踐過程中，帶隊老師多達8人，并且輪流帶隊，這樣該實習并未過多地犧牲老師的時間。通過該生產實踐，高校與企業的聯系更加緊密，這進一步促進了地區的“產—學—研”發展。實習也拓展了專任教師的知識面，增加了教師的知識儲備。使得教師在今后的課堂授課過程中能夠更好地將課本知識點與企業生產相結合，提高學生的學習興趣，豐富課堂的授課內容。

最終本次參加暑期實習的23名同學中，有3人順利考取碩士研究生，18人畢業后進入金屬加工企業工作，其中5人在實習企業的推薦下進入本地區最大的鋁加工企業。畢業1年后，大部分學生成為企業生產崗位的技術骨干。因此，此次的生產實習改革獲得較大的成功。

3 結語

利用本科生產實習環節，在校外金屬加工企業進行為期長達2個月的生產實習，并進行教學、生產、科研一體化的本科教學模式探索，這改善了教學效果，培養了學生的專業興趣，提高了學生的操作能力，強化了學生的科研素養。

參考文獻：

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[4]高建華.培養創新型人才的“材料制備科學與技術”課程教學內容與教學方法研究[J].科技文匯，2017，403：59-60.

[5]李義兵，喻亮，羅鯤.《有色金屬冶金學》課程教學改革[J].科技視界，2015，26：24.

作者簡介：劉崇宇（1984—?），男，漢族，遼寧營口人，博士，副教授，研究方向：金屬塑性加工。