新工科背景下焊接学科的《材料测试分析方法》课程改革与实践 ——以天津大学材料成型及控制工程专业为例

杨振文， 韩雅静， 王 颖， 杨立军， 王东坡， 胡绳荪

（天津大学材料科学与工程学院， 天津 300350）

在国家重大战略需求和复杂的国际竞争形势要求下，2017年以来教育部积极推动“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”三部曲[1-2]。新工科的人才培养目标是要培养具有可持续竞争力的创新人才，即具备“专”与“通”两方面能力的人才[3]。在“中国制造2025”和“互联网+”等重大发展战略背景下，焊接专业作为典型的传统工科专业，各高校也在积极探索新的人才培养模式。

天津大学材料成型及控制工程专业（焊接）始建于1952年，是全国最早建立该专业的院校之一，于2013年通过国际工程教育专业认证。《材料测试分析方法》课程是本专业本科生的必修课程，与工程应用密切联系，为解决实际焊接工程问题提供技术手段。近年来，很多院校开设同类课程，教学形式多种多样，教学效果参差不齐，教学方法和教学模式有许多值得探索与拓展的地方。本文从课堂教学、实践操作、课程考核方式等方面进行了改革与实践研究，注重多学科交叉融合，强化理论与实践的结合，重视创新能力及实践能力的提高，为培养复合型及创新型人才奠定基础。

一、 现状调研与分析

1. 面对多样化的教学方案如何选择

各高校越来越重视《材料测试分析方法》这类课程，不少高校在传统的理论授课基础上提出了多样化的教学方案。例如：采用动画演示、实验模拟等辅助教学手段，探索和实践了“期终考试+课内实践+Project+学习报告”多模式考试方法[4]；开展理论与实践相结合的教学模式，增加学生自主设计方案对样品进行结构分析和性能测试的实践部分，提高了学生分析和解决问题的能力[5]。面对多样化的教学方案，如何选择真正对学生有帮助的授课方式，是我们教学过程中面临的问题之一。

为了解各高校关于此类课程的授课模式，我们进行了问卷调研，调研对象为国内材料专业水平较高的52所院校的86名同学。调研结果表明，大多数高校开设了此类课程，其中55%的高校将其作为学科基础类必修课开设，见图1。图2是部分被调研高校课程形式及占比分析，可以看出不同高校的课程理论课时与实践课时分配差异明显，实践教学部分多数高校以仪器讲解和演示为主，仅有极少数高校学生能够动手操作相关仪器。另外，调研显示50%以上的同学认为课程授课效果一般，缺少吸引力，少部分同学认为课程内容丰富，效果良好。综合调研结果可以得出，虽然部分高校正在对材料测试分析方法这门课尝试教学改革，但是大多数仍然过于注重理论授课，忽视了学生实际动手能力的培养。因此，如何改进教学模式，提高学生的积极主动性，使学生能够从这门课中受益更多仍需探索。

图1 材料类高校开设《材料测试分析方法》相关课程信息

图2 典型调研高校课程形式及占比

2. 不同专业对知识体系的需求各异，如何因材施教

材料领域涉及专业面广，不同专业的课程要求和教学重点各异，一些高校开设了专业针对性强的材料测试分析方法课程。华侨大学[6]结合自身科研特点，课程中增加荧光光谱、紫外-可见吸收光谱及比表面积测试分析方法的讲解；佳木斯大学材料学院[7]通过让铸造专业学生针对本专业亲自动手并设计实验方案，让学生更多了解大型仪器设备的原理和使用。虽然部分高校已经进行了相关教改，但调研结果表明约70%的高校跨专业开展本课程教学，见图1，其中超过50%高校开设的课程同时面向金属、材料成型及控制工程和高分子等知识体系差异度较大的专业。这种现象导致了课程内容广度有余但深度不足，难以满足毕业设计等实践应用要求。因此，根据不同专业的应用需要，如何设计专业性更强的课程，也是一个亟需解决的问题。

3. 课时少、资源紧缺如何协调

材料分析测试设备多是大型精密仪器，以透射电子显微镜（TEM）为例，设备价格昂贵，台数较少，预约设备进行科研实验尚且需要较长周期，更无法保证每个学生都有充足的时间进行操作实训，这也是在调研结果中“能够保证学生动手操作仪器的学校”较少的原因。而学生无法通过实践操作巩固自己的理论知识，课程结束一段时间后，理论知识所剩无几，等到需要运用时又要重新学习。因此，如何协调紧缺的实验资源，让学生掌握仪器操作并学会利用设备分析测试，使学生学有所得，这是面临的一大问题。

二、 基于工程认证的教学大纲定制

综合上述问题，总结多年教学实践经验，从培养目标出发，面向天津大学焊接专业的学生设计了更具有针对性和实用性的材料测试分析方法教学方案，课程目标与毕业目标对应如表1所示，通过课程提高学生分析焊接接头的形貌、物相与成分并解决工程问题的能力，培养高层次焊接人才。

表1 课程目标与毕业目标对应表

三、 材料分析测试方法课程教改方案

1. 探索教学新模式，虚实结合，多渠道培养学生能力

学生的学习效果与教师的教学方式密切相关，理论为主的授课模式导致学生掌握仪器设备基本原理和操作要点的效果不佳，难以调动学生的积极性。因此，要探索新的教学模式，使学生在了解设备基本原理的基础上，能够结合焊接冶金学等知识选择合适的现代材料测试分析技术解决焊接工程问题。

本课程在理论知识讲授的基础上，探索“自学+讲授+实验+虚拟仿真”四位一体的教学模式，以学习效果最优化为目标，建立反馈机制并灵活调整教学方式和学时分配，适当减少理论课时，强化实验操作。制定弹性的实验学时，让学生具有实验自主权。学生在焊接接头的试样制备实验中需要对试样进行打磨、抛光、喷金等，根据实验记录不少同学为了获得满意的试样，实际的操作学时远超规定的实验学时，达到了沉浸式自主学习的效果，实现了实践促学的目的。同时，对于后续分析测试用到的光镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等设备的学习，教师会在实验室结合实物为学生讲授设备组成和工作原理，学生可以根据自己的实验要求进行动手操作，例如在学习扫描电镜的操作后，学生可以自由选择采用二次电子模式进行断口形貌的观察，或者采用背散射模式辨别焊接接头中不同产物的形态。

考虑到该课程涉及的一些实验仪器是价格昂贵的大型精密仪器，学校资源配置有限，让每个学生都有足够时间动手操作仪器十分困难，另一方面，测试仪器的更新换代速度也较快。为此，针对性地搭建了虚拟仿真实验平台，可视化了解设备构造、工作原理和操作流程，在学生进行设备操作前，先在平台上进行模拟实验，平台会根据操作流程给出正确性评判，指导改进实验。在实际操作之后，学生也可以通过虚拟仿真平台进行实验的回顾与复习，从而实现教学与实验环节的互补，多渠道促进学生理解和掌握课程知识。

2. 链条式实验设计，突出个体，强化团队合作

采用项目链条式实验设计，基于不同的焊接方法和工艺进行实验分组，建立与其他专业基础课之间的关联，如表2所示。实验由组长负责，组长根据每位组员的兴趣合理安排实验内容，每位成员负责完成焊接接头测试分析工作中的一项任务，完成之后撰写相关实验报告并把试样和结果交给下一位组员进行后续实验，如图3所示。每个环节由一名学生具体负责，并要求小组全员全流程参与，确保熟练掌握仪器操作，充分了解实验流程，并在课程答辩环节采用交叉提问的方式对小组成员进行考核。

图3 小组成员分工图示及整体安排

表2 课程分组项目设置信息表

上述实验设置充分体现了兴趣导向的实验自主选择权，有效保证了每位组员都有动手实践的机会，提高了学生的积极性，真正做到对各类分析设备的熟练掌握。项目要求学生自主设计实验、掌握仪器操作、分析处理数据并获得有效结论，培养学生撰写实验方案与研究报告、表达分析测试结果的能力。学生在合作中各施所长，既突出个体，又强调团队合作；教师根据学生的表现与贡献进行客观评判，通过学生汇报来了解学生的自学情况，以便及时整理归纳知识难易点，在后续的授课中进行针对性的教学改进。这样既可以解决本门课程的资源短缺问题，同时又培养学生独立思考和实际操作的能力。

3. 考核方式多元化，强化全过程评价

调研发现，各高校对于此类课程的考核均以笔试为主，仅30%的高校会辅以实验报告或操作考核进行评价。材料测试分析方法这门课实用性较强，传统考核模式难以达到预期效果。因此课程探索多元化考核方式，建立“操作评价+实验报告+综合分析报告+现场答辩”的考核体系，对学习效果进行全过程评价。最终成绩包括平时表现及作业成绩占总成绩的20%（理论考核），实验教学及实验报告40%（个人考核），综合分析报告及课程答辩40%（团队考核）。

考核方式的变化主要体现在两方面：一是加大实验技能的考核权重，增加课程答辩环节，邀请负责仪器设备的老师参与评判，对学生的操作技能、实验报告和答辩内容进行评价，增加了考核体系的专业性和全面性。二是在答辩过程中采用交叉提问的考核方式，强化小组成员全流程参与和自主学习能力。

四、 材料分析测试方法课程教改成效与分析

1. 教学评价及教学结果反馈

笔者采用调查问卷的形式检验课程改革效果，以2018—2019年度为例，调研人数共58人。其中关于“通过课程的学习，大纲规定的能力点三提升情况——能够基于现代材料测试分析技术的基本原理，合理采用SEM、TEM、XRD等工具对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与处理数据，并通过信息综合得到合理有效的结论”的调查结果显示，44.83%的同学分别认为自己处于最高层次和第二层次，表明通过教改方案的实施，学生能够理解各种分析测试技术的基本原理，能够进行实验设计、数据处理与分析并最终得出合理有效的综合分析，培养了学生解决实际工程问题的能力。关于“通过本课程的学习，哪些方面对你今后学习和掌握新的相关知识帮助大”的调查结果表明，超过60%的学生认为本课程对于今后学习和掌握基础知识、分析测试方法、工程案例分析都有较大的帮助。

2. 大学生创新实践成果

教学手段的多样化不仅体现在课程教学过程中，本课程的学习也为学生进入实验室参与课题研究打下了基础。教师鼓励学生申报大学生创新创业项目，在科研项目实践中促进了课程的教学广度。

自课程开设以来，本专业学生利用所学金相试样制备的知识，在大学生金相技能大赛中，连续三年代表天津大学参加国家级比赛，并获得一等奖等荣誉；学生利用所学的测试分析方法，在全国大学生焊接创新大赛中多次斩获一等奖；学生所掌握的对焊接接头的分析过程和测试方法，为毕业设计的顺利进行奠定了基础；本专业大学生创新创业训练计划立项数目逐年增加，多个项目获评国家级优秀项目。学生通过参与科研项目解决工程实际难题，从中增加对材料测试分析方法的认识，激发学习兴趣和参与科研的热情。

五、 结 语

材料测试分析方法课程始终坚持以学生为中心，以成果为导向，注重全过程评价，持续改进，形成环环相扣的全过程教学模式。探索出“自学+讲授+实验+虚拟仿真”四位一体的新模式，针对性地搭建了虚拟仿真实验平台，实现与教学、实验环节的互补，多渠道促进学生理解和掌握课程知识。采用项目链条式实验设计，既突出个体，又强化团队合作，建立“操作评价+实验报告+综合分析报告+现场答辩”的考核体系，对学习效果进行全过程评价。

以实践促学，在传授理论知识的同时，重点培养学生学以致用的能力。鼓励学生自主设计实验，激发了学生的创造性、积极性。见微知著，在课程实践过程中，学生打开了通往微观世界的大门，掌握了从微观结构到宏观性能的分析方法。以小见大，在一次次考核比赛中，学生体会到动手实践的重要，团队合作的力量。本课程的改革培养了学生运用工程知识、使用现代工具，发现、思考和解决问题的能力，提高了学生创新创业水平，使其在今后的学习和科研中都受益无穷，成为能适应社会、经济、科技发展需要，具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的高层次专门人才。