《专业综合实验》课程学生工程能力培养的教学案例探索

周昌荣 袁昌来 陈国华 许积文

【摘 要】相比理论课教学，实验课程更能训练学生的工程能力，进而实现培养新兴领域工程科技人才的新工科建设的任务。本文基于提升学生的工程能力素养，在专业综合实验课的教学过程中，针对新工科背景下材料科学与工程学科的教学问题，通过一个压电陶瓷生产具体的工程案例，分析如何训练学生解决工程问题的能力。

【关键词】专业综合实验;工程能力训练;材料科学与工程;教学改革

中图分类号： G642;TF0-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）08-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.032

【Abstract】Experimental course can provide more engineering ability training for students compared with teaching of theory course. Thus， engineering science and technology talents in emerging field can be trained in view of new subject construction. Aiming to promote engineering ability training for students and solve the teaching problems of material science and engineering in view of new subject construction， the engineering ability training for students has been conducted. The solving complex engineering ability by experimental course has been promoted by a specific engineering case of piezoelectric ceramics.

【Key words】Specialty comprehensive experiment; Engineering ability training; Material science and engineering; Teaching reform

0 前言

《專业综合实验》是我校材料科学与工程专业开始一门重要的专业实践课程，共24课时，设有基础实验项目2个，综合实验项目5个，主要完成功能陶瓷材料从制备到测试的整个过程，以及代表性的功能陶瓷如介电、压电、铁电、磁性、热敏、阻变等功能的性能测试与分析。主要目的是新工科背景下培养学生的工程能力，应对新兴产业对高技术人才的需求[1-4]。

课程在开设过程中，为了解决传统实验内容与工程应用脱节的问题，在具体的实验材料与性能参数测试过程中，引入企业实际生产过程中碰到的工程问题，以实际案例及解决过程来培养学生的工程能力，增加课程的针对性、时效性及趣味性。

1 专业综合实验中压电陶瓷制备与性能测试的一个工程案例实践

压电陶瓷材料是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，广泛应与于超声换能器、水声换能器、陶瓷变压器、电声换能器、陶瓷滤波器、声表面波器件、陶瓷鉴频器、高压发生器、压电陀螺电光器件、引燃引爆装置和红外探测器等日常生活与高技术产业。压电陶瓷材料因为电极面，极化方向及电场方向不同，陶瓷振子类型不同，其性能参数众多，不是从事研发的专业人士，很难完全理解很多压电性能参数的意义与应用价值。

因此，在开始压电陶瓷的制备与性能测试分析实验中，只能选择常见的压电性能参数，比如压电常数d33，机电耦合系数kp/kt，机械品质因数Qm及压电频率常数N等参数。但是只是简单介绍这些参数的公式，测试过程及应用情况，教学过程将会非常乏味，学生也不容易掌握。因此，我们在教学过程中，将生产企业制备相关产品时出现的工程问题引入课堂，说明如何可以通常这些压电性能参数来寻找出现问题的原因，以及解决问题的方法与措施。

比如，一家公司生产一款出口到欧洲的超声雾化器用陶瓷片，在发货到组装雾化器的分公司后，出厂前检测发现雾化效果明显降低，经技术人员分析后发现部分样品平面谐振频率正常，厚度谐振频率有明显分叉如图1所示，另一部分样品的银电极出现氧化、脱落，假如你就是该公司负责解决该问题的技术人员，请说明原因及解决的措施。

一般技术人员很难找到原因，实际上的原因很简单。我们在课堂上引导学生从原理上探究为什么会出现厚度谐振峰出现分叉，先询问学生与谐振频率相关的压电参数有哪些？学生们很容易就答出是压电频率常数N=fr*d（fr是谐振频率，d是样品厚度），谐振频率fr与d样品厚度的乘积是一个常数，不同的样品厚度，谐振频率频率不同。产品出现厚度谐振频率有明显分叉，说明同一个样品在不同的地方厚度不同，即样品的厚度存在不均匀现象。可以通过螺旋测微计测量样品的厚度来验证，通过测量，果然发现样品的厚度在不同的位置读数不一样。在生产过程中控制样品厚度及表面状态的是磨片仪，因为使用时间过久，轴承磨损过大，出现偏心旋转，导致样品厚度不均匀。这样，通过跟换轴承或者磨片设备即可解决问题。

在此基础上，进一步说明，为什么平面谐振频率不容易出现分叉。从频率N=fr*d可以看出，平面谐振的尺寸是样品直径，远远大于样品厚度，尺寸出现一些改变，相比厚度的改变比例要低得多。另外，平面谐振频率相比厚度谐振频率也低得多，所以平面谐振频率一般不会出现分叉现象。

对于压电陶瓷材料，电极材料起非常重要的作用。由于超声雾化器用陶瓷片的表明银电极通常是侵泡在不同的液体中，在振动的作用下容易氧化脱落。如何解决这个问题，先不直接说明问题，从电子材料常见的封装说起，通过循循诱导，让学生们自己想什么办法在表面可以通过不同的表面处理方法或者包封技术，解决表面电极脱落问题。

通过企业生产产品的真实案例，引入实验课程的原理与测量过程，一方面增加课堂教学的趣味性与教学气氛，同时也可以培养学生提高解决复杂工程问题的能力，适用新产业对创新型人才的需求，产生了很好的教学效果。

2 结语

本文在我校材料科学与工程专业实践新工科教学改革的背景下，在《专业综合实验》实践课程中，对课堂教学内容与方式进行变革探索，将真实的产品生产工程问题与实验课堂压电陶瓷性能参数的测试与应用有机结合起来，通过一个具体案例说明如何发现工程问题的原因，找到解决问题的办法及措施，提升课堂教学的有效性与趣味性，明显提高了学生解决复杂工程与创新能力的效果。

【参考文献】

[1]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求， 高等工程教育研究， 2016， 5， 17-38.

[2]付广艳，李荣广，张金萍，于永梅，宗琳.基于应用型人才培养的课程体系构建与课程建设，化工高等教育，2019，36， 57-59+102.

[3]蔡剑红，霍亮，朱凌.新工科理念下的实验课程教学改革与实践探索，测绘通报，2019，2，147-152.

[4]马杰，李同杰，柳伟续.专业认证背景下专业课程能力培养教改研讨，教育教学论坛，2019，8，113-115.