新工科背景下“焊接綜合實驗”課程教學改革與實踐

摘"要：針對新工科建設和新經濟發展對人才培養提出的新要求，結合西安石油大學焊接技術與工程專業“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，對實驗教學條件、教學手段、教學內容和方法、教材編寫等方面進行了改革，實現了焊接綜合實驗以教師為中心向學生為中心的轉變，解決了焊接操作技能教師短缺的問題。研究生參與實踐教學和校企合作編寫教材，使教學效率和效果顯著提高。階段性的教學實踐結果證明，通過自動化焊接教學手段的引入，學生自主實踐能力、創新意識和創新思維得到提升，滿足了社會對焊接技術新型人才的需求。

關鍵詞：新工科；焊接；綜合實驗；自動化；創新

全球新一輪的產業革命正在驅動著新經濟的形成與發展，現代經濟呈現出新理念、新技術、新方法、新模式和新標準等特點［12］。為滿足新經濟發展人才支撐的需求。2017年，以全球新經濟發展、國家重大戰略實施及我國產業轉型升級為背景的“新工科”建設，指明了新時代工科教育對人才培養的發展方向。即培養一批工程實踐和創新能力強，具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才［3］。

焊接技術與工程專業是對實踐能力要求很高的專業，特別強調培養學生的工程素養和解決工程生產實際問題的能力。“焊接綜合實驗”是焊接技術與工程專業開設的一門實踐性較強的專業課程，在學生工程素質培養過程中具有十分重要的作用和地位，因為綜合性實驗已經成為我國工程教育專業認證和高校教學工作水平評估中的主要觀測點，并且用來評價學校人才培養模式的效果［4］。筆者走訪石油、石化企業，并結合“焊接綜合實驗”課程實踐教學發現，本課程中的傳統手工焊接實踐環節相對落后，已遠遠不適應企業對智能化和自動化焊接技術發展的迫切要求，培養的學生與行業企業嚴重脫節，制約了本專業學生的培養質量和目標。以新工科背景為契機，深化焊接技術與工程專業“焊接綜合實驗”課程教學改革，對培養高素質焊接技術與工程專業應用創新型人才具有重要的意義。

一、“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題

（一）實驗教學手段落后

“焊接綜合實驗”課程教學中，學生通常采用手工電弧焊方法制備幾種不同參數的焊接結構試件，然后進行后續實驗。而焊接結構試件的手工制備，要求學生實踐動手能力強，操作技能掌握得扎實才可完成，否則后面的實驗將受到影響或無法實施，存在焊接基本訓練與工程應用脫節，焊接質量無法保證的難題。在實際教學中，試件制備通常由具有相對操作技能熟練的教師代為制作，學生成了旁觀者，沒有真正參與其中，這使得學生對焊接參數的選擇和焊接缺陷等的認知和理解不夠深入，不能達到“焊接綜合實驗”課程培養學生具有良好工程素養的目標。

（二）缺少智能化、自動化焊接教學設備

以西安石油大學材料科學與工程學院焊接實驗室為例。2007年，學校依托中央財政支持地方高校改革發展資金的經費為學院新成立的國際焊接工程師（IWE）培訓中心購置了12臺手工逆變焊機，包括手工電弧焊機、氬弧焊機和二氧化碳氣體保護焊機等。當時，這些手工焊機制造技術相對成熟，質量可靠，使用過程中較少發生故障，一直使用至今。然而，目前實驗室的其他實驗教學設備大多購置年代久遠，一些設備出現老化、損壞等現象。因此，學校每年下撥到學院的設備購置經費優先滿足這些設備的實驗需求，或滿足新建專業方向對設備的需求等，使得焊接實驗室缺少智能化和自動化先進焊接教學設備。

（三）缺乏具有焊接操作技能素養的專任教師

目前，高校實驗室招聘教師至少需具有研究生學歷，碩士及以上學位，而且畢業生所學專業需要與所從事的實驗課專業相同或相近。然而，研究生培養無專門的焊接專業，并且研究方向為焊接的研究生也較少。因而，焊接專業實驗室很難招聘到符合要求的教師。通常招聘的實驗教師為材料加工工程專業，焊接操作技能相對較弱。所以依賴新入職教師幫助學生提升焊接操作技能，并獨立完成實驗任務較為困難。

（四）教材陳舊，更新滯后

“焊接綜合實驗”課程適用的教材較少，僅有的幾本教材中，其內容主要圍繞焊接結構設計、焊接工藝評定和焊接質量檢測等展開，未涉及先進自動化焊接設備和焊接方法等內容，而且近幾年未見有新教材出版。這也是“焊接綜合實驗”課程教學中存在的突出問題。

綜上所述，“焊接綜合實驗”課程實驗教學手段落后，缺少智能化和自動化先進焊接設備，師資專業素養不匹配和教材陳舊等，這些嚴重制約了“焊接綜合實驗”課程的順利開展和企業發展新技術、新結構、新標準對高素質應用型人才的需求［5］。本文通過改革“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，并付諸實踐，以進一步推動“焊接綜合實驗”課程教學改革。

二、“焊接綜合實驗”課程教學改革與實踐

（一）實驗教學條件的改善

為培養適應新時代產業需求的人才，為學生焊接綜合實驗的創新性開展提供硬件保障。2021年年初，西安石油大學材料科學與工程學院利用金屬材料工程創新實驗平臺資金購置了MIG/MAG焊、CO2焊和TIG焊機器人焊接設備，并且將設備安裝在一間80平方米的實驗室，配置了除塵設備等。同年，筆者在科研工作中與某企業合作研制的自動化焊接小車也可用于本科生焊接綜合實驗教學，教學硬件條件得到有效改善。

此外，近三年，學院分批共派出3名教師參加了國際焊接工程師培訓和1名教師參加國際焊接技士培訓，分別取得了國際焊接工程師資格證書和國際焊接技士證書。2022年年初，學院聘請企業富有經驗的工程師對所從事實驗教學的教師和輔助教師完成實驗任務的專業學位研究生進行了機器人和自動焊接小車焊接技能培訓。教師的培訓注重焊接參數的調節、焊接缺陷形成原因分析以及焊縫成形的優化等；研究生的培訓注重編程、操作技能和實踐創新能力培養等。研究生接受編程和自動化操作技能較快，創新意識強烈，為輔助教師完成實驗教學任務有較好的助力作用。教師教學素養和研究生實踐技能的提升將使得“焊接綜合實驗”課程教學改革質量得到有效保障。

（二）實驗教學手段的改革

首先，通過改革“焊接綜合實驗”課程以手工焊接為主的實驗教學手段，轉變為以自動化焊接為主。手工焊接對學生的基本操作技能要求較高，焊接質量不穩定、效率低、學生不易掌握，學習興趣不高。而自動化焊接則不同，操作靈活、方便，焊接質量和效率高，學生易于掌握，學習熱情高。其次，自動化焊接能充分體現以學生為中心的教學思想，讓學生能自主選擇，變被動為主動，達到在實踐中學習，在實踐中創造的效果。再次，學生利用自動化焊接設備實踐過程中，注意力主要集中在焊接結構工藝規程的制定和科學研究上，而不像手工焊接，注意力主要集中在焊一條焊縫上。同時，學生在進行自動化焊接時，可隨時發現焊接工藝設計中存在的問題，發現問題后，能自主對工藝設計方案進行修正和完善。在“設計—制作”的修正環節中，學生具有新鮮感，而且能運用所學知識探究工程應用中的科學內涵。

通過實驗教學手段的改革，一方面實現了以教師為中心向學生為中心的轉變。使學生的自主實踐能力、創新意識和創新思維得到了鍛煉，學生反饋良好，教學效果顯著。另一方面也解決了焊接操作技能教師短缺的問題。

（三）實驗教學內容和方法的改革

自2022年，學院實驗教學中心將機器人和焊接小車自動化焊接納入焊接綜合實驗樣件制備教學內容后，對原有綜合實驗教學目標、實施方案和項目內容進行了修訂和更新，更新后的綜合實驗項目內容如下表所示。這些項目實踐性較強，注重工程應用和學生創新思維能力的培養［6］，學生學習興趣和熱情濃厚。另外，利用專業學位研究生培養方案中需進行專業實踐學習的要求，前期對專業學位研究生進行了機器人和自動焊接小車的焊接操作技能培訓，目的讓研究生輔助教師參與本科生實踐教學，指導本科生熟練掌握機器人和自動焊接小車焊接，圖1為研究生參與本科生焊接實踐教學所用機器人。這既對研究生的專業實踐能力是一個很好的鍛煉，又能使本科生較快掌握設備的操作技能，并獨立完成樣件制備。通過研究生輔助實踐教學，教師將注意力主要集中在指導學生進行焊接工藝優化、焊接缺陷分析和解決實際問題等方面。研究生輔助實驗教學，創新性的教學改革破解了本科生由于問題簡單，礙于面子不敢問老師的難題，使得教學效率顯著提高。

（四）實驗教材的編寫

教材建設是深化教學改革、提高教學質量的重要保證。對于“焊接綜合實驗”課程教材較少，內容陳舊，與先進自動化焊接設備與焊接方法未涉及等問題。學院以“石油教材出版基金”資助項目為契機，鼓勵實驗室教師自編教材或與企業合作編寫教材，并申報立項。最終，實驗教學中心教師和以自動化焊接為主業的某企業合作編寫了《焊接綜合實驗》教材，企業提供了大量關于機器人等自動化焊接設備的硬件和軟件資料，比如設備的硬件組成、圖例、輔助工具、控制系統與焊機和回轉工作臺等設備之間的通信電路、安全使用規程、焊接案例及標準等資料。編寫的教材具有實踐性和前瞻性，與企業一線生產實際需求相結合，而且教材不僅注重內容和體系的改革，還注重方法和手段的改革。校企合作編寫的實踐性教材具有以下顯著特點和優勢：（1）教材內容與企業的需求和行業標準貼合，使學生所學知識和技能與實際工作緊密相關，提高了就業競爭力；（2）教師和企業專家共同編寫教材，實現了理論與實踐的有機結合；（3）根據企業的需求和技術發展可實時更新教材，能使學生跟上時代的步伐。2023年，該教材初稿經學院審核通過，并進行了試用，教學效果良好。

（五）焊接綜合實驗教學改革取得的階段性實踐成效

自2022年以來，教師指導焊接技術與工程專業學生利用自動化焊接技術獨立完成技能競賽作品3件，參與師生達30余人次。圖2是學生獨立完成的全國大學生焊接創新大賽作品。據統計，學生利用自動化焊接技術完成優秀畢業設計論文3篇，獲得全國大學生焊接創新大賽二等獎2項，三等獎1項。通過畢業設計論文和科技競賽的鍛煉，學生的自主實踐能力、探究能力、創新實踐能力和團隊協作能力得到顯著提升，從而增強了其綜合素質。對2023年焊接綜合實驗教學改革的第一屆焊接技術與工程專業畢業的學生跟蹤調查，調查了6家企業、10名畢業生。企業用人單位普遍反映我們的學生獨立完成工程實踐的能力較強，并且受到用人單位的青睞。

結語

為滿足新經濟發展對人才支撐的需求及新工科建設背景下創新人才的培養目標，焊接技術與工程專業的“焊接綜合實驗”課程建設勢在必行。本文分析了“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，對實驗教學條件、教學手段、教學內容和方法、教材編寫等方面進行了改革，實現了“焊接綜合實驗”教學以教師為中心向學生為中心的轉變，解決了焊接操作技能教師短缺的問題。研究生參與實驗教學和校企合作編寫教材，使得教學效率和教學效果顯著提高。自動化焊接教學手段的引入，使得培養的學生自主實踐能力和創新實踐能力顯著增強，并得到企業用人單位的青睞。今后，在鞏固焊接綜合實驗教學改革成果的基礎上，我們將不斷總結和完善，為培養出更多社會需要的優秀焊接技術新型人才做出貢獻。

參考文獻：

［1］吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟［J］.高等工程教育研究，2017（01）：19.

［2］李博川，鄭靜.新工科背景下工程中的數值方法課程教學改革［J］.高教學刊，2024，10（09）：127130.

［3］新工科建設指南（“北京指南”）［J］.高等工程教育研究，2017（04）：2021.

［4］張德芬，陳孝文，黃本生，等.基于工程素質培養的焊接綜合實驗教學體系研究與實踐［J］.科學咨詢（科技·管理），2021（11）：102104.

［5］孔曉紅，王超，寧欣.“新工科+工程教育專業認證”背景下基于產教融合的機電類專業人才培養模式研究［J］.中國現代教育裝備，2024（05）：151153.

［6］鄭春雷，閆志剛，王玉輝，等.基于CDIO模式的焊接專業綜合實驗的改革與探索［J］.教學研究，2016，39（04）：109112.

基金項目：西安石油大學教育教學改革研究項目“新工科背景下基于IWE實訓的焊接綜合實驗課程教學改革與實踐”（JGYB202310）；西安石油大學教育教學改革研究項目“《焊接檢驗與質量控制》課程思政建設方法和途徑研究”（JGQZ202308）；西安石油大學教育教學改革研究項目“雙碳”背景下“四驅一引”深化傳統專業產教協同育人（JGZD202308）

作者簡介：王洪鐸（1976—"），男，漢族，陜西寶雞人，博士研究生，高級實驗師，碩士生導師，主要從事先進金屬材料熔化焊、攪拌摩擦焊及電弧增材制造技術的研究。