面向工程教育專業認證的無損檢測工藝實驗教學探索與實踐

李秋鋒， 宋 凱， 盧 超， 李 堅， 張士晶， 龍盛蓉

（南昌航空大學測試與光電工程學院，南昌330063）

0 引 言

《華盛頓協議》是國際間本科工程教育專業學位互認協議，促進了各成員國間的工程技術人員跨國流動［-3］。2016年6月，我國成為該協議的正式成員后，工程教育專業認證成為評價高校工科專業水平的新標準，全國工科高校都將通過專業認證作為學校發展的重點工作，每年的受理數迅速增長，截止到2017年底，包括所有工科為主的985和211高校在內的197個高校共833個專業接受認證。工程教育專業認證注重畢業生的自主創新能力和工程實踐能力的培養，對構建工科高校工程教育質量保障體系，培養國際化工程技術人才，促進畢業生走向世界舞臺發揮著重要作用［4-6］。

1 專業發展背景與課程現狀分析

1.1 專業發展背景

科技部2006年在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中明確提出：檢測監測技術是農業、制造業、公共安全多個重點領域的優先主題，把高溫超導無損檢測裝置、極端制造工藝和檢測技術、重大產品和重大設施壽命預測技術列為前沿技術，把加強科學儀器設備及檢測技術的自主研究開發和國家標準、計量和檢測技術體系作為科技投入與科技基礎條件平臺重點建設項目［7-8］。

我校測控技術與儀器專業前身是無損檢測專業，至今近40年，目前已成為全面、系統培養無損檢測人才的本科專業。1998年，為了適應教育部提出的“厚基礎，寬口徑”的培養目標，完成從專業教育向通識教育轉變的要求，學校果斷將“電子儀器及測量技術”專業并入“無損檢測”專業，結合兩個傳統優勢專業方向的共性，形成如今測控技術與儀器專業，始終堅持以“培養具有扎實理論基礎和較強工程實踐能力的高級無損檢測技術專業人才”作為人才培養目標［9］。目前，測控技術與儀器專業已經成長為國家級特色專業、教育部卓越工程師教育培養計劃專業，是“儀器科學與技術”江西省一流學科、無損檢測與光電傳感及應用國家工程實驗室、無損檢測技術教育部重點實驗室的主要支撐專業［10-11］。

1.2 課程現狀分析

由于社會對無損檢測專業人才的需求量較大，對于無損檢測專業人才培養，尤其注重學生實踐動手能力、獨立思考和解決問題能力的培養，掌握扎實的基本功［12-13］，能夠讓學生畢業到崗后縮短過渡期，盡快進入工程檢測主力隊伍，無損檢測工藝實驗就是其中重要的一門課程。該課程是測控技術與儀器專業（無損檢測方向）的一門主要專業方向課，包含5大常規檢測課程以及一些新型無損檢測技術的實驗教學環節，是從事無損檢測專業重要理論的鞏固和實際操作技能的初步訓練，是從理論知識到實踐應用的銜接。在工程教育專業認證評價體系中，實踐課程是培養工程技術人才的重要環節，能夠最直觀地體現目標達成度。本課程按照工程教育專業認證要求［14-15］，并結合本專業的特色，確定了以下4項課程學習目標：

（1）熟悉無損檢測的相關基礎理論，掌握無損檢測操作的基本過程，了解無損檢測設備的類型和使用方法，并正確掌握各類無損檢測設備的基本操作步驟。

（2）結合實驗加深理解無損檢測的理論運用，學會解決實際無損檢測中的常見問題，在學習過程中逐步提高無損檢測的缺陷識別能力，并了解和掌握基礎實驗設計過程。

（3）實驗操作時能夠在符合職業素養的前提下正確理解實驗意義，并能夠按照相關的職業規范對無損檢測基礎實驗過程進行正確分析。

（4）實驗過程中逐步學會以個人的角度理解無損檢測團隊作業的重要性，并能夠對自身的實驗過程提出基于團隊角度的良好建議。

課程目標對畢業要求的支撐關系見表1。但目前該課程的教學仍然存在如下一些問題：

表1 課程目標對畢業要求的支撐關系表

（1）實驗教學仍然按照原有的教學內容，以常規檢測儀器操作與理論知識驗證為主，如掌握超聲檢測儀的參數測量與設定方法、使用儀器進行典型工件的探測，通過工件檢測驗證超聲傳播反射、折射與波形轉換等理論知識，而對一些新型無損檢測技術，由于沒有相關實驗條件，所以涉及較少，很難讓學生與時俱進地學習和體會新技術、新方法的特點與優勢。

（2）實驗教學過程中仍然采用傳統教學模式，教師按部就班的講解實驗操作步驟和檢測方法，學生大都是模仿學習，很難培養學生運用理論知識進行創新性探索能力。

（3）實驗課上學生始終限制在實驗臺旁，與工程檢測環境基本脫節，缺乏綜合性工程實踐訓練，難以培養學生的獨立思考和解決實際工程問題的能力。

2 實驗教學思考與探索

2.1 實驗教學思考

無損檢測領域人才培養過程一般分為理論知識學習、檢測技能培養和工程實踐鍛煉3個階段，如圖1所示。

圖1 無損檢測人才培養一般過程與內容

前兩個階段分別通過課堂理論教學與實驗課程完成，工程實踐鍛煉通常要通過工作崗位實踐實現。但是由于社會對無損檢測人才需求量較大，而且希望工程實踐鍛煉時間減少，盡快成為工程檢測主力成員，服務社會，這就給高校培養提出了更高要求，能夠讓學生在高校就盡早進入工程實踐鍛煉階段。

按照目前的實驗課程內容，在教學資源和實驗條件有限的情況下，學生很難整體性的接受工程實踐鍛煉。然而，結合目前教師結構現狀，具有博士學歷的教師比例不斷增加，其中許多都承擔著與工程實踐密切相關的科研項目，因此，對該實驗課程內容進行調整，調整結果如圖2所示。

圖2 實驗課程內容調整結果

實際上就是在原來的教學內容中增加一項拓展訓練，該項內容就是鼓勵學生以科研助手的身份參與教師科研項目研究，①可以拓寬視野、豐富知識面，接觸更多的無損檢測新技術、新設備、新方法；②學生在專業教師啟發性指導下，通過問題分析、現場考察、方案設計、實驗探索、發現規律和解決問題等一系統研究過程，對相關無損檢測理論知識的理解更深刻；③可以初步進入開展工程實踐鍛煉，不斷培養自己的獨立思考能力、學習能力、動手能力和解決問題能力，積累工程檢測經驗，提升自信心，還可以提高學生對無損檢測專業繼續學習的興趣。

2.2 教學模式探索

該實驗課程增加拓展訓練內容后，需要在學時安排、課程內容、教學形式、課程考核結構等方面進行調整。

由于課程總學時為48學時，為了保證學生有足夠時間開展拓展訓練，將原先用于介紹各種無損檢測新技術、新方法的學時進行調整，給拓展訓練安排8學時。這樣安排可以保證儀器基本操作和工件檢測實驗內容基本不變，然后按照學生意愿通過拓展訓練有針對性地深入學習一種新技術和新方法，這樣比原來籠統地介紹有更好的學習效果。

拓展訓練內容是由系里統一向各位教師征集，教師根據自己的科研項目內容，以創新實驗項目形式提出相關拓展訓練內容，但是必須符合課程教學要求，涉及無損檢測新技術和新方法，如漸變直徑管材超聲導波檢測實驗探索、蜂窩結果復合材料脈沖渦流檢測實驗研究等，同時提供現場工程實踐鍛煉的機會。

征集到訓練內容后，向學生發布，由學生根據自己的興趣或者簽約單位的行業特征選擇相應創新實驗項目。每個項目不限定人數要求，教學形式可以靈活安排，學生與相應實驗項目責任教師聯系，以科研助手身份分散進入到各科研實驗室，由責任教師負責指導和安排各項訓練內容，利用責任教師具備的實驗條件開展學習和實踐。

最后教師根據學生的表現和實驗報告進行該項內容的成績評定。因此，對于整個課程的考核結構需要進行調整，原來是5種常規無損檢測實驗按照1＋2＋3＋4（實驗解說10%、考勤20%、實驗報告30%和實驗操作40%）模式給出成績后取平均值為最后課程成績，調整后為9＋1模式，即計算出的平均值占90%，拓展訓練責任教師成績占10%。

3 拓展訓練教學實踐案例

3.1 拓展訓練過程

3.1.1 項目來源

波形鋼腹板結構超聲相控陣檢測實驗研究是我系教師從承接南昌市建筑科學研究所委托的科研項目中衍生出的一個拓展訓練內容，該研究所在承擔南昌市朝陽大橋波形鋼腹板箱梁結構的無損檢測中遇到困難時，發現傳統的無損檢測方法都無能為力，因此與我系合作開展相關新技術和新方法的探索［16-17］。在該拓展訓練中學生可以通過超聲相控陣對該復雜結構的實踐檢測，了解到超聲相控陣儀器使用方法和相控陣檢測優勢，體會到工程實踐中可能遇到的實際困難，從中將得到許多收獲。

3.1.2 問題分析

學生在接受任務后，首先由責任教師召集學生介紹主要檢測對象以及采用的檢測方法，并進行問題分析，說明檢測的主要難點。波形鋼腹板結構如圖3所示，圖中FD所指位置為波形鋼腹板拼接處焊縫；SY/XY是腹板與翼緣板角接焊縫。其中SY/XY就是本次實驗研究的對象。檢測困難是在檢測中，探頭只能在腹板上進行檢測，而檢測過程中波浪形腹板將給探頭移動、檢測靈敏度和分辨率帶來極大影響。因此，采用超聲相控陣檢測技術，利用其聲束偏轉和聚焦特性，控制檢測區域和范圍，完成對角接焊縫質量檢測的實驗探索。學生在進行問題分析后，必須查閱相關文獻，進一步學習超聲相控陣檢測方法，同時還根據現有條件，主動學習使用如圖4所示的相控陣儀器。這樣不僅讓學生可以深入掌握一種新技術，而且還可以鍛煉學生的自學能力。

圖3 波形鋼腹板結構與焊縫位置

圖4 相控陣檢測儀器

3.1.3 現場考察

為了讓學生對波形鋼腹板結構有一個直觀的感受，專門帶學生到生產單位現場考察，進一步了解產品的整個生產加工過程，圖5所示為在生產單位正在加工的波形鋼腹板實物圖。通過與工人溝通，可以了解材料尺寸、焊接方式、焊接工藝、缺陷類型和取向等信息。

圖5 波形鋼腹板實物圖

3.1.4 方案設計

在獲得以上必要信息后，學生結合自己學習的理論知識，獨立確定檢測方案。如檢測試樣結構、人工缺陷位置和尺寸、檢測工藝參數等，可以通過試樣檢測模擬實際結構檢測，探索檢測方法與效果。檢測試樣結構如圖6所示，總共制備了5塊，腹板和翼緣板厚度都為22 mm，在每塊試樣中都加工了人工缺陷1～2個，包括裂紋、未熔合、未焊透3種主要危害性較大的缺陷類型（見表2）。

圖6 波形鋼腹板試樣結構圖

表2 試樣人工缺陷設計參數

3.1.5 實驗檢測與分析

學生按照前期學習相控陣儀器的操作方法，采用不同的檢測參數對波形鋼腹板試樣進行實驗檢測，找到最佳儀器檢測參數和方法，使得缺陷反射靈敏度和檢測效果最佳。

實驗檢測時的耦合劑為機油，按照實際檢測條件，探頭只能在腹板上進行檢測，沿平行焊道方向進行檢測。圖7所示為檢測含未焊透缺陷超聲相控陣檢測成像圖，實驗結果是在對各項參數校準后獲得的。學生按照成像圖進行分析，根據波形鋼腹板結構特征和鋼材聲速，對焊縫根部未焊透缺陷回波進行分析并發現圖像特征具有線狀面積型圖像特征。同樣也對其他兩種人工缺陷進行了檢測，檢測結果見表3。

圖7 未焊透缺陷超聲相控陣檢測成像圖

表3 超聲相控陣缺陷檢測結果

3.1.6 實驗訓練總結

學生完成實驗檢測后，按照檢測結果和分析數據對本次拓展訓練進行實驗總結，包括檢測最佳參數、檢測操作過程、檢測數據分析、檢測結果比較、確定檢測結論等，并按照工程檢測要求填寫檢測報告，如圖8所示。責任教師根據學生表現與對整個訓練的效果進行成績評定。

圖8 學生模擬填寫檢測報告

3.2 教學成效分析

學生在完成自己選擇的拓展訓練項目后，通過責任教師指導，經過問題分析、現場考查對整個項目的情況進行了解，可以拓寬視野，認識到工程檢測問題的發現與提出過程，并明確解決問題的途徑；經過方案設計過程，可以培養學生獨立思考和解決問題能力，提出合理的方案開展項目研究，同時與項目內容類似的同學共同探討，提升團隊合作意識；經過實驗探索和總結，可以培養學生的動手能力、學習能力和歸納總結能力，找到解決問題的關鍵。

按照該教學模式進行實驗課程教學后，該實驗課程能夠達到工程教育專業認證所提出的各項指標和要求，滿足課程大綱中對畢業要求的支撐。

4 結 語

現代工程教育專業認證更注重學生創新精神與工程實踐能力的培養。為了培養出高素質無損檢測人才，對無損檢測工藝實驗課程教學進行了探索與實踐，結合用人單位需求，在課程中新增拓展訓練內容，學生通過拓展訓練，不僅能幫助解決教師科研項目中的一些工程問題，而且科研積累一些工程實踐經驗，提升自己的各項能力。學生也能找到一定的成就感、滿足感，有利于增強自信心，提高專業學習興趣，帶到今后的學習工作中，必將產生積極的效果。

經過新的課程教學的實踐，學生工程實踐能力顯著提高，連續3年參加由中國無損檢測學會舉辦的全國大學生無損檢測技能大賽，取得了3次團體一等獎和5次個人一等獎的好成績。同時在畢業生參加各個相關工作領域的無損檢測資格取證的通過率逐年提高。就業率始終保持在98%以上，用人單位對我系畢業生非常認可，都表示在工作中上手快、接受能力強，且具備一定的工程實踐經驗。