焊接創新拓展實驗教學的探索與實踐

馬曉麗， 陳秋龍， 張躍龍， 楊文紅， 曹力軍， 朱申敏

（上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200240）

0 引 言

我校材料科學與工程學科是教育部雙一流重點建設的學科之一，學生培養主要以材料科學基礎和材料加工原理精品課程為代表的學科基礎為本，以上海市實驗教學示范中心材料綜合實驗配套實驗教學課程的實踐技能為用，材料綜合實驗系列課程主要包括基礎技能培養、綜合能力培養和專題創新拓展，其中專題創新拓展實驗包括醫用生物材料實驗、能源材料實驗、粉末冶金實驗、材料制造焊接實驗等，是增強知識跨度、豐富實驗技能、提高研究能力的實踐教學活動［1-4］。利用學院學科所擁有的科研資源和研究基地優勢，將教學與科研緊密結合，可為學生提供專業化拓展性實驗項目，由學院各平臺提供現代化專業實驗設備，以提高學生提出問題、分析問題和解決問題的實驗技能和分析能力［5-9］。

1 焊接創新拓展實驗設計與實施

焊接是我校材料科學與工程學科材料加工專業的主要研究方向之一，學院的“焊接與激光制造研究所”和“智能化焊接與材料精密成形研究所”是集焊接方向學生培養、理論研究和工程應用于一體的科研基地，另學院的實驗教學中心已獲批上海市實驗教學示范中心，擁有先進的實驗儀器分析設備。將基地優勢、裝備優勢、人才優勢和教學特色有機整合，具備了焊接創新專題拓展實驗教學的雄厚條件。針對焊接方向的研究性、綜合性、實踐性和創新性特點［10-15］，設計焊接相關創新專題拓展實驗，可有效地提高學生的專業素養和增強學生的創新能力。

1.1 實驗教學設計

焊接創新拓展實驗項目已經納入上海市實驗教學示范中心“材料綜合實驗”課程的MOOC建設內容（網址是https：／／www.icourse163.org／course／SJTU-1449795173）。焊接實驗教學項目的設計主要依托于材料科學與工程學院的焊接研究基地，采用先進的機器人焊接技術，來源于焊接學科的科研項目，將教學和科研緊密結合，使學生提前進行實踐鍛煉，以更好地適應今后的畢業設計或研究生的科研工作。焊接創新拓展實驗內容主要包括焊接試驗設計、焊接質量評定和接頭組織與性能分析，如圖1所示。

圖1 焊接創新拓展實驗設計理念和內容

通過焊接試驗設計，對焊接材料、工藝及參數的選擇，培養學生對基礎知識的理解和運用。因為學生還不具備熟練操作焊接設備的能力，所以實際的焊接過程采用預錄演示和現場觀摩的方式，使同學們理論聯系實際，通過感性認識促進對焊接理論的理解。“焊接質量評定”包括焊縫外觀和成形的評定，焊縫外觀需均勻，無氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等缺陷，焊縫成形參數需滿足尺寸要求，且通過統計計算可以實現不同焊接工藝參數條件下的成形參數預測與分析。此部分的實驗內容是整個焊接創新拓展實驗的中間環節，既可以驗證焊接試驗設計的合理性，又可以保證后續焊接組織與力學性能分析的準確性。接頭組織與性能實驗包括從樣品制備到組織與性能分析的一整套動手實踐和理論分析內容。一方面使學生掌握材料科學與工程相關的試驗設備使用規范，熟悉對材料加工原理分析和驗證的實驗技巧。另一方面可以了解材料組織結構和性能表征的標準分析方法，提升學生對材料科學基礎知識運用于焊接學科的應用能力。

基于以上的實驗教學設計理念，借助學科基地的先進焊接設備，學院開設了機器人焊接試驗設計與分析實驗，主要通過DOE實驗設計方法，在保證獲得高質量焊縫成形的條件下，確定焊接工藝參數的因素和水平，借助統計學軟件，分析焊接工藝參數對成形參數的影響規律，并建立成形參數的預測回歸模型；鑒于焊接方向組織與性能分析的研究前沿創新性，利用實驗教學中心的微觀組織和力學性能的先進分析設備，開設了異種材料焊接的組織與性能分析實驗，主要包括熱影響區微觀組織分析、接頭的成分測定和力學性能測試。以上的設計思路和內容使焊接實驗具備了完整性、綜合性、創新性，可以比較系統全面地提高學生的自主實踐操作和科研創新能力。

1.2 實驗教學實施

每個焊接創新拓展實驗類似一個科研小項目，同學可進行自由選題。實驗教學采用小班化的教學模式，每組人數為5～7人，實驗項目以小組為單位，由組內成員共同合作完成。實驗實施過程包括焊接實驗演示、實驗方案構思、實驗技能學習、實驗預約和自主操作、實驗結果分析、實驗問題提出與改進、撰寫實驗報告和實驗項目答辯，如圖2所示。

圖2 焊接創新拓展實驗實施過程

焊接實驗演示在焊接學科基地開展，不僅要為同學們展示先進的焊接工藝與技術，而且也要強調焊接的實驗安全問題，使同學們在了解先進焊接工藝和技術的同時，具備焊接實驗的安全意識。焊接實驗方案需要借助查閱參考文獻、實驗教學導師的指導和小組成員的反復討論而制定，這樣突破了傳統的實驗教學模式、拓展了實驗教學內容、克服了以往實驗教學與科學研究脫節的缺點、增強了師生互動交流和拓展了實驗教學空間。制定實驗方案后，需要進行軟件和硬件的實驗技能學習，以培養學生系統、連貫地掌握理論知識和實驗技能，提高學生對基礎知識的創新應用和科學研究實踐能力。統計學相關軟件通過學生的自主學習完成，硬件實驗分析設備由實驗指導教師負責培訓，主要涉及焊接實驗分析的設備：如樣品制備設備（鑲嵌機、磨拋機、凹坑儀、離子減薄儀等）、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和力學性能設備（如硬度測試儀和拉伸試驗機等）。對于操作步驟簡單的設備，同學們自主完成實驗操作；而對于操作復雜的設備，學生與實驗教學負責老師或助教進行實驗預約，安排實驗教學時間段后開展實驗，以滿足同學們的實驗測試和分析需求。完成實驗后，小班化組員對實驗結果梳理和分析，主要包括焊接樣品的制備方法和過程、焊接試驗設計與結果分析、接頭組織與性能結果分析等。組員通過分工協作、共同參與，最終整合1份完整的實驗報告，并按照實驗教學時間節點進行匯報答辯工作。

通過把焊接類的科研項目引入到實驗教學，提高了學生對焊接基礎知識的運用，同學們對實際的科研有了感性認識，具備了材料學科焊接專業方向的科研素質，系統地提升了學生完成科研目標的能力、提高了本科實驗教學的效率。

2 焊接創新拓展實驗考核與評價

2.1 實驗考核內容

焊接創新拓展實驗項目考核內容包含實驗過程跟蹤、實驗結果記錄、實驗分析能力、實驗研究成果4個方面的綜合考核評價。實驗教學指導教師應充分考慮每個學生在整個焊接實驗過程的參與性、小組合作度及實驗動手和分析能力，過程跟蹤考核指標設定為學生在實驗中的出勤率、焊接實驗樣品的制備情況、自主操作的實驗項目以及實驗設備的操作水平。實驗結果記錄應體現實驗過程的真實性、可靠性、準確性和完整性，考核指標包括焊縫成形參數測量與記錄、焊接熱影響區微觀組織選區、成分分析和力學性能測試結果等。根據實驗結果的記錄，學生完成對應的實驗分析內容，考察指標包括軟件操作與自主分析、組織表征與力學性能行為分析、提出實驗問題與改進分析等，這些實驗結果記錄和實驗分析內容均應詳實地體現在實驗報告中。鼓勵學生提煉實驗報告的創新性內容，撰寫并發表焊接類的科技論文，并作為實驗考核內容的加分項。通過系統地考察學生實驗完成情況，可顯著地激發學生的科研興趣，挖掘有潛力的科研儲備人才。

2.2 多元化實驗考核模式

由于焊接創新拓展實驗項目的實施過程形式多樣，實施內容包括實踐動手操作和理論分析，實驗項目必須由實驗教師負責指導和小組成員分工協作共同完成，因此采用實驗指導教師評估和小組成員互評打分的多元化考核模式，考核評分比例為7∶3。實驗指導教師主要對學生在實驗過程的整體表現、撰寫的實驗報告以及答辯的交流展示進行實驗效果評估；小組成員則根據實驗項目工作量分配、團隊交流合作情況，以互評的方式進行實驗貢獻評價。通過兩種考核模式的結合，可以客觀、公正地綜合反映每位學生在焊接實驗項目中的參與和完成情況。

3 結 語

基于“材料綜合實驗”課程，結合焊接專業的創新應用研究特點，依托材料科學與工程學院焊接學科建設基地的科研優勢和上海市實驗教學示范中心的先進實驗設備資源，開設試驗設計、綜合分析的多層次焊接類專題創新拓展實驗項目，涉及焊接演示實驗、儀器設備自主操作、軟件統計驗證和材料實驗分析等內容，通過指導教師的過程跟蹤實驗效果評價以及小組互評實驗貢獻指標的考核模式，使學生加深了對基礎理論知識的理解、增強了自主創新意識、提高了動手實踐能力、提升了科研分析素養以及發揚了團隊協作精神。焊接創新拓展實驗項目的設計和實施，將科研實踐和實驗教學緊密結合，不僅提高了本科實驗教學質量，還為材料綜合實驗教學的其他拓展創新項目提供了借鑒。