強化實踐能力的無損檢測技術課程教學改革研究

摘 要：無損檢測技術課程是過程裝備與控制工程專業的重要課程，然而該課程由于教學內容多、課時少，授課中偏重各種檢測方法的理論教學，出現實踐操作不足、學生掌握困難等現象，導致核電設備、航空航天等重大裝備領域無損檢測人才稀缺。因此，該文根據作者多年教學經驗，結合自身用自旋電子器件TMR設計多通道電磁檢測的研究方向，從優化教材、教學內容、教學模式、融合思政、實踐教學和考核模式等多方面入手，深入探究教學方法的有效改革措施，為無損檢測技術課程建設提供參考。

關鍵詞：無損檢測技術；TMR多通道電磁檢測；教學改革；教學模式；實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0158-04

Abstract： The course of Nondestructive Testing Technology is an important course for undergraduates majoring in process equipment and control engineering. However， due to the large teaching content and few class hours， the course focuses on the theoretical teaching， resulting in insufficient practical operation. Therefore， it is difficulties for students to master. The non-destructive testing talents are scarce in nuclear power equipment， aerospace and other major equipment fields. Furthermore， based on the author's years of teaching experience， combined using TMR to design multi-channel electromagnetic testing， this paper explores the effective reform measures of the optimization of teaching materials， teaching content， teaching mode， integration of ideology and politics， practical teaching， assessment mode. This study aims to provide reference and application practice for the curriculum construction of Nondestructive Testing Technology.

Keywords： Nondestructive Testing Technology; TMR multi-channel electromagnetic detection; teaching reform; teaching mode; practical teaching

教育部提出我國高校工科專業要在工程科技創新和產業創新中發揮主體作用，以此來提高教育質量，推動產業發展[1-3]。無損檢測技術是過程裝備與控制工程本科生的重要專業課程，該課程具有理論性較強、概念多、綜合性和實踐操作性較強的特點。該課程傳統教學方法以教材理論授課為主，學生經過32學時的學習后進行考試，以考試成績來評定學習效果。在新工科背景下，應該對該課程教學方法進行改革，注重培養學生的理論知識和實踐能力[4-6]。

筆者有著多年的無損檢測技術課程教學經驗，也教授了多年本科的機械設備故障診斷與狀態監測課程，對化工設備及重大裝備常見故障非常熟悉。結合筆者從事新型無損檢測技術研究，思考如何融入核電裝備、航空發動機缺陷無損檢測應用案例，形成更加有效的教學拓展，著手工程實習與學生實踐能力強化培養具有對過程裝備和航空裝備無損檢測、評估理論知識和應用能力，并能在重大裝備領域從事檢測技術高素質的應用型專業人才。本文對無損檢測技術優化教學內容、融入思政教育、拓展實踐教學和改革考核模式等幾方面進行探索研究。

一 無損檢測技術課程現狀

（一） 課程現狀分析

過程裝備與控制工程（以下簡稱“過控”）專業開設的無損檢測技術課程授課內容和測控技術與儀器本科專業的側重點不同，華東理工大學過控專業的無損檢測技術課程是本科大三開設的一門32學時選修課，而許多高校的測控技術與儀器專業中無損檢測技術課程則為80學時或32學時必修課。該課程雖然是選修課程，但屬于本科學位的核心課，要求必須考試。另外，該課程同時在碩士生中也開設了。由于該課程涉及超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測與滲透檢測、聲發射、工業CT和光纖檢測等無損檢測新技術[7-8]，課程設計旨在培養學生掌握利用物理方法，借助先進設備器材和檢測技術，對試件內部及表面的結構、狀態及缺陷進行檢測的能力，同時該課程涉及的物理知識點多、理論性強，還強調實踐應用，注重培養本科生的實際操作技能，以便在將來的工作實踐中能夠快速、準確地完成各種檢測需求。因此，本課程在教學過程中，應盡量簡化復雜的無損檢測基礎物理的理論推導，重視檢測技術和檢測國家標準的應用與實踐。

（二） 主要教學內容

二十世紀八九十年代，華東理工大學機械系開設了無損檢測專業，針對五大常規無損檢測方法，注重專業重要理論的鞏固，并應用于壓力容器、鋼板、和氣瓶等焊縫等實際檢測中。無損檢測技術課程的內容主要分為超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測及新型無損檢測技術等。由于學時短，實際教學中通常會將工業CT、紅外、激光全息和光纖檢測等新型無損檢測技術進行縮減，課上對定理的推導過程省略或簡化，將其轉為課后自學強化。教學內容中，緒論部分增加了石化、冶金等行業中的承壓設備常見缺陷的分類，如氣孔、疏松、裂紋和焊縫中的常見缺陷，全面了解承壓設備中的缺陷特點，有利于準確、有針對性地選擇無損檢測方法。為提高學生的實踐應用能力，加強教學理論與工程實際的聯系，多數章節課堂上都插入了工程無損檢測案例分析，也有4學時本校編制的實驗操作課程。通過對本校過控專業的無損檢測技術課程的教學內容進行科學調整，彌補校內課時不足的缺陷。

由于無損檢測技術物理知識點多、理論性強，而且比較抽象，是一門具有一定學習深度和學習難度的課程。此外，該課程涉及較多超聲、現代傳感器、電磁學等方面的技術知識，比如渦流檢測技術中的被檢測工件的橫截面內磁通量計算模型如圖1所示，在磁通量計算的教學過程中，基于本科生在前兩年對數學物理方程掌握較好的前提，直接對磁通量公式進行了貝塞爾函數的轉換。但是，很多高校的過控專業沒有開設數學物理方程這門課程。

圖1 無損檢測技術課程中被檢測工件的橫截面內磁通量計算

（三） 教學中存在的問題

過控專業的本科學生對于無損檢測技術的接觸較少，對于無損檢測的認識只停留在基本物理概念的理解上，學生對本課程的學習主動性不足。無損檢測設備種類多，如超聲檢測儀、工業CT等設備價格昂貴，射線檢測設備大學不能配置，學生無法深入接觸。因此，教材和課程偏重理論知識，缺少工程應用案例的講授，無法實現學生自主鉆研創新的教學目標。無損檢測技術對工藝操作規范和熟練程度要求較高，需要經過一定的實踐操作鍛煉。對于過程專業的本科學生，實踐操作培訓機會較少。

綜合上述問題，必須對無損檢測技術課程教學內容和教學方法進行改革，加強實踐操作教學[9-12]，有效培養和提升學生解決工程應用問題的能力，以實現創新型無損檢測技術專業人才的大量產出。

二 教學內容改革

（一） 進行教材改革

現有的無損檢測技術教材通常內容較多，偏重五大傳統無損檢測技術，如超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測。通常教材內容較詳細，重視物理理論原理與公式推導，很少有針對實踐案例的詳細介紹，因此需要對教學內容進行優化，根據實際條件選擇偏重實踐操作的教材，包含超聲相控陣、微波檢測、紅外熱成像技術等新無損技術及應用。為培養在核電設備、航空航天等重大裝備領域的無損檢測工程師，在講授檢測新技術原理和檢測方法的基礎上，著重結合工程案例進行無損檢測新技術的操作規范、檢測結果的信號處理與分析。同時，對新型無損檢測技術的設備工作原理、儀器設置、應用條件等進行講述，使學生獲得更加系統的知識，在工作實踐中能夠根據檢測對象的材質、結構、形狀以及缺陷類型和位置等因素科學選擇檢測方法，大大提高檢測的準確性。

（二） 優化教學內容

本科大三學生在無損檢測技術開課之前，大學物理作為過控專業的必修課已先行完成授課。因此，多采用實驗和實踐教學，學生可以動手參與，深入理解超聲和電磁等相關的理論知識。為提高無損檢測技術課程與工程實踐關聯性，在各種課程教學過程結合典型工程案例進行知識點和實踐操作的講授。結合無損檢測技術課程項目和筆者多年教學經驗，探索將復雜結構的超聲檢測、焊縫表面裂紋的磁粉檢測及曲面微裂紋的渦流檢測作為典型案例，代替現有的板件試樣缺陷檢測案例。復雜結構和焊縫表面裂紋的檢測在工程中有廣泛應用，比如石化、核電、航空等行業，其反應器、換熱器、航空發動機等重大裝配的缺陷檢測，與復雜結構缺陷檢測和焊縫缺陷檢測方法相似，利用實驗案例的工程應用性，大大提高學生的學習興趣，提高教學效果。

另外，可以在超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測章節中，分別以復雜結構件、焊縫及曲面件為檢測對象，從檢測原理、實驗步驟與操作和無損檢測結果分析幾個方面來優化教學內容。比如，在超聲檢測教學中，以航空發動機高溫合金盤復雜結構件的陣列超聲檢測為例，推導其陣列超聲換能器超聲發射和接收、聲束形成算法，通過旋轉掃查裝置完成對整個高溫合金盤的圓柱面的C掃描成像；在磁粉檢測教學中，以換熱器20號鋼管子焊縫缺陷的磁粉檢測為例，采用交叉磁軛法對換熱管進行連續磁化，采用噴灑法均勻施加熒光磁懸液，4個磁極端面與檢測面之間應盡量貼合，移動速度要盡量均勻，用紫外線探傷燈照射觀察表面缺陷磁痕；在渦流檢測教學中，以復雜曲面件表面缺陷的渦流檢測為例，建立柔性探頭對曲面件渦流檢測的電磁場模型，設計適用于復雜曲面件渦流檢測的柔性探頭和檢測系統，用阻抗平面分析法提取檢測信號中的特征來進行缺陷分析。

另外，增加“超聲檢測儀的使用和性能測試”這一實驗，讓學生動手操作超聲檢測，利于增強缺陷識別理論的學習與理解。在磁粉檢測教學中，課程內容安排上突出應用性、實踐性，更有針對性加強綜合實訓和強化訓練，培養扎實的基本操作技能。在渦流檢測章節的教學中，以航空產業為應用場景，展示渦流檢測技術在航空領域缺陷檢測中的實際操作視頻，鏈接美國無損檢測教育網，使學生具備一定的渦流檢測分析能力，以增強學生社會適應性。

（三） 輔助實驗內容

傳統無損檢測教材的超聲檢測技術的應用中多以標準試塊中缺陷檢測案例輔助教學，這些年出現了超聲TOFD（超聲波衍射時差法）成像檢測、超聲相控陣成像檢測等新型方法，但在現有教材中往往沒有涉及，而這些檢測方法在工程中越來越應用廣泛，這使得學生在畢業后難以出色勝任無損檢測工作。隨著機器人和人工智能專業的發展，學生們對這一熱門專業方向越來越感興趣。因此，可增加機器人在超聲檢測中的應用內容，以提高案例的實用性和學生興趣。在超聲檢測工業案例分析中，補充裝載超聲探頭的機器人如何應用先進的定位技術和相應的控制算法，實現對大型或復雜結構材料的自動化檢測，另外，還補充新型多角度機器人如何根據需要改變探頭的角度和位置，實現對材料全方位的檢測。這樣可以大幅度提高檢測精度和效率，同時還能夠減少誤檢、漏檢的情況，提高檢測的可靠性。

此外，在原有的渦流檢測章節內容基礎上，擴充電磁超聲、遠場渦流、巴克豪森磁噪聲等新方法。近年來，隨著前沿的量子傳感器興起，如自旋電子器件TMR（隧穿磁阻結）通過檢測弱磁場來識別金屬材料內部微缺陷。結合多通道TMR陣列電磁渦流檢測儀器的開發，如圖2所示，成功檢測郵金屬板試件表面6 mm處的深層缺陷，克服了渦流檢測只能檢測表面或近表面的缺陷。

圖2 多通道TMR陣列電磁渦流的深層缺陷檢測

從階段教學過程與成效來看，通過探討在基礎實驗中增加實踐，并從實踐中結合理論知識，整理出所需掌握的內容、解決問題的思路，更容易引導學生思考實際安全具體檢測方案和如何分析檢測結果。同時采用實踐互動方法，使教師和學生互換角色，讓學生講述具體案例檢測方法，教師輔助評價。另外，提高綜合性實驗比例，加強學生檢測研究分析素質培養。通過強化和提升學生無損檢測專業實踐能力，拓寬學生就業渠道。

三 教學方法的改革

（一） 融合思政教育

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程”。無損檢測技術是一門理論與實踐相結合的課程，需將思政元素深度融合到專業知識中，工匠精神與安全意識貫穿課程全過程。在無損檢測技術課程教學中，將專業知識與思政建設有機融合，將“立德”和“樹人”有效結合，有利于學生在掌握專業知識技能，同時建立對專業的認同感、民族自豪感以及使命感。

比如，在介紹無損檢測技術典型應用時，會舉例我國集成超聲檢測與機器視覺的高鐵線路的鐵軌檢測技術，核電蒸發器換熱管高效機器人自動檢測，航空航天領域新型紅外成像、太赫茲檢測等新技術的突破，守護國家重大安全。扎扎實實學好課程專業知識，立志工程報國，做無損檢測新技術的引領者。

（二） 拓展實踐教學

由于無損檢測技術的教學課時較少，適當縮短了部分理論教學的課時，增加實踐教學課時。由于無損檢測儀器設備、實驗材料較貴，學校購置的實驗儀器數量少。加強校企業合作，采取聯合培養模式，由高校專業教師和企業工程師共同完成實踐教學。實踐教學過程以項目為導向，與行業龍頭企業建立實踐基地，結合企業優勢技術制訂科學的實踐教學方案，培養學生工程應用能力和實踐創新能力。

核電站蒸發器傳熱管的渦流檢測實踐研究是華東理工大學機械與動力工程學院（以下簡稱“我院”）教師從某核電設備檢測機構合作的科研項目中衍生出的一個拓展實踐訓練，該機構承擔解決核電站傳熱管無損檢測時遇到的缺陷漏檢問題，因此與我院合作開展環形陣列渦流探頭設計新技術和新方法的探索，如圖3所示。在該拓展訓練中學生可以通過環形陣列渦流探頭結構原理實現對核電蒸發器傳熱管壁周向缺陷的全部檢測，了解到陣列探頭的使用方法和檢測優勢，實現周向360度掃查，避免缺陷漏檢。通過實踐教學，激發學生的創新精神，通過培養學生提出問題和解決問題的能力，有利于他們形成科學思維和創新意識。

圖3 陣列渦流探頭設計及核電傳熱管缺陷檢測

（三） 考核模式的改革

無損檢測技術這門課程在理論和實踐結合的教學中，傳統的期末閉卷筆試為主的考核評定方式不足以甄別出真正優秀的學生。無損檢測技術課程具有很強的實踐性，增加實驗操作作為考核學生應用能力的重要評分項，全面綜合評價學生對這門課程的掌握程度。根據作者多年教學實踐與總結，調整該課程的綜合考核形式，增加實驗環節、實踐環節、作業案例分析等考核打分項目。將期末考試改革為試卷考試和實操考試，調整考核打分方法為：①平時成績打分項共計15分，其中，課堂討論占5分，課后案例分析作業占10分；②實踐操作考試共35分，其中，操作流程的規范性占5分，無損檢測儀器的設置占5分，檢測圖像的質量和缺陷識別能力是評分中的關鍵環節占25分；③期末考試成績50分，考試內容上減少基礎理論的填空題，增加2道不同檢測方法的實操案例分析。這樣注重實踐的考核模式更能評估學生對該課程理論知識掌握的程度，以及實踐靈活應用的能力，增強學生學習和實踐總結的主動性。

四 結束語

本文對過程專業的無損檢測技術課程教學改革進行了探索，結合無損檢測行業對相關技術人員的需求要求，倡導加強工程應用的教學理念，將實踐操作融入教學體系中。構建校企融合的實踐教學體系，結合工程案例，培養學生的實踐操作能力、分析問題能力，增強學生對無損檢測技術相關的理論方法和實際檢測工藝的掌握，達到增強學生實際工程應用能力的目的。

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