軟件工程技術(shù)在《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》教學(xué)改革中的應(yīng)用

陳大志，崔國棟，蔣小松，張程菘，曹寶寶

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

新材料作為國民經(jīng)濟的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)和高端制造及國防工業(yè)發(fā)展等的關(guān)鍵保障，是各國戰(zhàn)略競爭的焦點[1]。根據(jù)《〈中國制造2025〉重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》及《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，新材料產(chǎn)業(yè)總體分為先進基礎(chǔ)材料、 關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料3 個重點方向。2017年12月，教育部出臺了雙一流高校的建設(shè)名單，在140 所入圍高校名單中，材料科學(xué)與工程專業(yè)是所有一流學(xué)科中入選次數(shù)最多的學(xué)科。在材料科學(xué)與工程專業(yè)實施國家級一流專業(yè)建設(shè)中，以提高學(xué)生研究能力、 綜合素質(zhì)和社會競爭力為目標(biāo)，加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，努力培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、動手能力強、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新性人才。

《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是一個理論與工程實踐并重且涉及知識面較廣的工程應(yīng)用型課程，旨在培養(yǎng)具有較強實踐能力的綜合素質(zhì)人才。該門課程的教學(xué)改革，對培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用型材料科學(xué)與工程專業(yè)工程師至關(guān)重要。當(dāng)前，《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》課程的改革多側(cè)重于課程內(nèi)容本身，如調(diào)整教學(xué)目標(biāo)、修訂完善教學(xué)大綱、優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、制定合理考核機制等[2-3]，很少在教學(xué)形式上給予考慮。軟件工程是一門研究有效的、實用的和高質(zhì)量軟件的學(xué)科，各個行業(yè)幾乎都有計算機軟件的應(yīng)用，該文擬將軟件工程技術(shù)運用到《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》教學(xué)改革中，淺析其應(yīng)用價值與產(chǎn)生效果。

1 《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》課程改革的意義

1.1 促進新材料的開發(fā)

材料工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[4]。根據(jù)《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，未來的新材料發(fā)展重點在特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進高分子材料、新型無機非金屬材料、高性能復(fù)合材料以及前沿新材料等方面，在這6 個領(lǐng)域中，金屬材料占據(jù)了兩個位置，分別為具有獨特聲、電、光、熱、磁等性能的特種金屬材料以及具有更高強度、韌性和耐高溫、 抗腐蝕等性能的高端金屬結(jié)構(gòu)材料。《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》是一門應(yīng)用型課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，通過該門課程的改革，能夠讓學(xué)生更加具有獨立思考解決問題的能力，更加具有綜合分析的能力，更加具有創(chuàng)新意識，為將來走向科研崗位開發(fā)新型金屬材料奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.2 促進材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展

金屬材料工程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一個重要方向，《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》 是金屬材料工程方向的一門專業(yè)課。金屬材料工程是一門實用性很強的專業(yè)，對金屬材料制備工藝及其原理深入探索后，研究成果可以直接應(yīng)用于現(xiàn)實生產(chǎn)、生活中。同時，金屬材料工程也是一門集應(yīng)用、實踐、理論為一體的學(xué)科。《金屬材料綜合實驗技術(shù)》課程是一個理論與工程實踐并重且涉及知識面較廣的工程應(yīng)用型課程，在教學(xué)過程中，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)理論知識，獨立設(shè)計綜合實驗方案，并根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整淬火溫度、回火溫度、淬火時間、回火時間、冷卻時間等參數(shù)，用理論指導(dǎo)實踐，再用實踐修正理論，完全將理論與實踐有機結(jié)合起來。該門課程的教學(xué)改革對促進金屬材料工程方向的探究，以及材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

1.3 促進卓越工程師的培養(yǎng)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》的重大改革項目[5-6]。旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、 適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)，是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。就目前的形勢來看，在校本科生乃至畢業(yè)生距離企業(yè)對員工具有豐富的生產(chǎn)安全、項目管理、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備的操作與維修經(jīng)驗方面的要求相差甚遠(yuǎn)，所以大部分畢業(yè)生到企業(yè)工作后，都要經(jīng)歷一個磨合期，短則幾個月，長則幾年，這無形中提高了企業(yè)培養(yǎng)成本，不利于企業(yè)效益的提升[7]。鑒于此，我們必須在校內(nèi)開展能夠增加學(xué)生工程實踐經(jīng)驗的教學(xué)活動，而《金屬材料綜合實驗技術(shù)》就是一門很好的課程，通過對該門課程的有效設(shè)計與實施，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，達(dá)到企業(yè)實踐的部分效果，促進卓越工程師的培養(yǎng)。

2 《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》 課程是在學(xué)生做畢業(yè)論文（設(shè)計）之前開設(shè)的，綜合了材料多種分析測試原理和方法相關(guān)的知識，向?qū)W生講授常用的宏觀、微觀分析測試原理、方法及在材料分析過程中的應(yīng)用。旨在培養(yǎng)學(xué)生的4 種能力：（1）基本能力：熟悉材料宏觀分析，金屬材料微觀分析，失效與失效分析，金相試樣的制備，普通熱處理工藝、性能及組織分析和表面處理技術(shù)；（2）分析能力：在牢固掌握基本實驗技術(shù)的原理前提下，對如何控制具體材料的宏微觀分析、性能檢測有較強的分析能力；（3）實踐能力：理解工程材料的成分、工藝、組織與性能之間的關(guān)系，掌握材料的選擇、制定工藝、宏微觀分析、性能檢測的基本方法與手段；（4）自學(xué)能力：具有自學(xué)各種具體材料科學(xué)與工程教學(xué)參考書的能力。使得學(xué)生學(xué)會撰寫綜合實驗報告和課題研究的提綱，為即將開展的畢業(yè)論文（設(shè)計）奠定基礎(chǔ)。

在教學(xué)方面，首先向?qū)W生傳授金屬材料基礎(chǔ)理論知識，之后再開展綜合實驗，實驗前、中、后都有實驗教師專門指導(dǎo)，以保障學(xué)生在安全、有序的條件下順利完成實驗任務(wù)。在目前的教學(xué)過程中主要存在如下的幾個問題。

（1）學(xué)生參與度低。一般同時參與上課的學(xué)生人數(shù)在30～90 人，而金相顯微鏡、加熱爐等無法保證每人一臺，尤其是加熱爐，全校用于教學(xué)的也只有幾臺而已，所以學(xué)生們會被分成幾組，5～8 人一組。這樣一來，在實驗過程中，往往只有幾個同學(xué)進行實際操作，大部分學(xué)生都處于觀望的狀態(tài)，對實驗過程與結(jié)果掌握有限。

（2）實驗方案設(shè)計不合理。學(xué)生接受的理論知識在前，實驗教學(xué)在后，學(xué)生往往在綜合實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)摸不著頭腦，胡亂設(shè)計，存在不合理、不精簡等情況，導(dǎo)致實驗反復(fù)做，既耽誤時間又浪費實驗耗材，同時學(xué)生的綜合分析能力也得不到有效提升。

（3）實驗安全難以保障。實驗安全問題一直是學(xué)校關(guān)注的重點問題，實驗過程與知識的掌握對學(xué)生而言固然重要，但這些務(wù)必在安全的實驗環(huán)境下開展方可，犧牲安全的情況下進行實驗教學(xué)是非常不可取的。金屬材料綜合實驗需要用到高溫爐，淬火和回火的過程中都涉及把高溫樣品放入水或油中冷卻處理等操作，稍有不慎就會產(chǎn)生安全問題。按照現(xiàn)在的教學(xué)模式，學(xué)生對實驗內(nèi)容、步驟、注意事項等掌握不扎實，極易產(chǎn)生安全問題。

（4）學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限。金屬材料工程專業(yè)綜合實驗主要針對低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼，根據(jù)應(yīng)用實例選擇最適宜的材料，制定合理的熱處理工藝，通過宏微觀分析、性能檢測等基本方法與手段，理解特定熱處理工藝下的微觀組織形態(tài)與材料最終性能之間的關(guān)系。然而，由于實驗時間有限，耗材不足，在實驗過程中往往只能提供1～2 種金屬材料供學(xué)生演練，學(xué)生雖然能掌握宏微觀分析、性能檢測等基本方法，但無法深入理解材料內(nèi)的化學(xué)成分與組織、性能之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限。

3 軟件工程技術(shù)在《金屬材料工程專業(yè)綜合實驗技術(shù)》課程改革中的應(yīng)用

在《金屬材料綜合實驗技術(shù)》課程理論教學(xué)與實驗教學(xué)中間設(shè)置集理論知識掌握、實驗操作模擬、綜合實驗設(shè)計等為一體的模擬仿真操作，提高理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合度，加強綜合能力訓(xùn)練，具體設(shè)計與實現(xiàn)（見圖1）方式如下。

（1）系統(tǒng)登錄。設(shè)置用戶名和密碼框，與學(xué)校統(tǒng)一通訊平臺對接，在校學(xué)生和教師都可以登錄系統(tǒng)，學(xué)生需要輸入學(xué)號與教務(wù)密碼，教師需要輸入201300+工資號，密碼為身份證號后六位。學(xué)生登錄系統(tǒng)可以進行實驗操作，教師登錄系統(tǒng)可以進行成績查詢，另設(shè)管理員賬戶對系統(tǒng)進行后臺管理。

（2）溫馨提示。提示學(xué)生：①答題與操作時間為40 分鐘；②允許3 次選錯答案，第四次再選錯答案，將自動終止答題，系統(tǒng)自動退出，成績?yōu)?，且不允許實際操作；③每選錯一次答案，扣除10 分；④點擊“開始答題”按鈕后，答題開始，并開始計時。

（3）實驗內(nèi)容。綜合實驗分為三類：常規(guī)熱處理綜合實驗、特種熱處理綜合實驗、表面熱處理綜合實驗。

常規(guī)熱處理綜合實驗零部件為螺栓與軸、 彈簧和彈條、機加工工具和刀具，根據(jù)各個零部件的技術(shù)要求 進 行 選 材 （Q235、T10、45 鋼、20 鋼、15CrMo、60Si2Mn 等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—淬火加熱溫度—淬火加熱時間—冷卻介質(zhì)-硬度測試—回火溫度—回火加熱時間—回火冷卻介質(zhì)—硬度測試—微觀組織觀察—觀看常規(guī)熱處理實驗操作錄像—操作規(guī)范。

特種熱處理綜合實驗零部件為汽車曲軸、 礦石破碎機的鄂板，根據(jù)各個零部件的技術(shù)要求進行選材（球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、55Si2MnMoV 鋼、15CrMo、20 鋼等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—淬火加熱溫度—淬火加熱時間—等溫溫度—等溫介質(zhì)—等溫保溫時間—硬度測試—微觀組織觀察—觀看特種熱處理實驗操作錄像—操作規(guī)范。

圖1 金屬材料工程專業(yè)綜合實驗?zāi)M系統(tǒng)部分界面

表面熱處理綜合實驗零部件為低碳鋼板沖壓件、 齒輪，根據(jù)各個零部件的技術(shù)要求進行選材（16Mn、20CrNiMo、GCr15、15CrMo、60Si2Mn 等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—加熱溫度（多元共滲/滲碳）—加熱時間—冷卻方式—表面處理方式/淬火溫度—烘干工藝/淬火保溫時間—冷卻方式—腐蝕試驗/低溫回火時間—滲層深度測試—硬度測試—微觀組織觀察—觀看表面熱處理綜合實驗操作錄像-操作規(guī)范。

（4）模擬結(jié)束。所有的熱處理綜合實驗工藝/操作完成后，自動生成熱處理綜合實驗個性化設(shè)計窗口，學(xué)生設(shè)計完實驗后，點擊“模擬結(jié)束”按鈕，界面上顯示學(xué)號和成績，彈出個性化設(shè)計文件供拍照留存，同時學(xué)生成績與實驗設(shè)計保存在后臺數(shù)據(jù)庫供教師查閱。

（5）功能實現(xiàn)。計時器功能、提示錯誤功能、自動生成成績功能、自動生成個性化設(shè)計文檔功能、三維動畫模擬操作功能。

4 結(jié)語

近兩年來，通過上述改革我們收獲了實質(zhì)性的成果，在一定程度上解決了由于實驗設(shè)備有限、學(xué)生人數(shù)較多、理論與實驗脫節(jié)而產(chǎn)生的學(xué)生參與度低、實驗安全難以保障、實驗方案設(shè)計不合理、學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限等問題，提升了學(xué)生主動思考的能力和綜合分析能力。接下來，我們準(zhǔn)備將研究成果與成功經(jīng)驗推廣到其他同類型的專業(yè)綜合實驗中，為材料科學(xué)與工程專業(yè)雙一流建設(shè)保駕護航，進而為國家新材料工程貢獻(xiàn)力量。