焊接创新拓展实验教学的探索与实践

马晓丽， 陈秋龙， 张跃龙， 杨文红， 曹力军， 朱申敏

（上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240）

0 引 言

我校材料科学与工程学科是教育部双一流重点建设的学科之一，学生培养主要以材料科学基础和材料加工原理精品课程为代表的学科基础为本，以上海市实验教学示范中心材料综合实验配套实验教学课程的实践技能为用，材料综合实验系列课程主要包括基础技能培养、综合能力培养和专题创新拓展，其中专题创新拓展实验包括医用生物材料实验、能源材料实验、粉末冶金实验、材料制造焊接实验等，是增强知识跨度、丰富实验技能、提高研究能力的实践教学活动［1-4］。利用学院学科所拥有的科研资源和研究基地优势，将教学与科研紧密结合，可为学生提供专业化拓展性实验项目，由学院各平台提供现代化专业实验设备，以提高学生提出问题、分析问题和解决问题的实验技能和分析能力［5-9］。

1 焊接创新拓展实验设计与实施

焊接是我校材料科学与工程学科材料加工专业的主要研究方向之一，学院的“焊接与激光制造研究所”和“智能化焊接与材料精密成形研究所”是集焊接方向学生培养、理论研究和工程应用于一体的科研基地，另学院的实验教学中心已获批上海市实验教学示范中心，拥有先进的实验仪器分析设备。将基地优势、装备优势、人才优势和教学特色有机整合，具备了焊接创新专题拓展实验教学的雄厚条件。针对焊接方向的研究性、综合性、实践性和创新性特点［10-15］，设计焊接相关创新专题拓展实验，可有效地提高学生的专业素养和增强学生的创新能力。

1.1 实验教学设计

焊接创新拓展实验项目已经纳入上海市实验教学示范中心“材料综合实验”课程的MOOC建设内容（网址是https：／／www.icourse163.org／course／SJTU-1449795173）。焊接实验教学项目的设计主要依托于材料科学与工程学院的焊接研究基地，采用先进的机器人焊接技术，来源于焊接学科的科研项目，将教学和科研紧密结合，使学生提前进行实践锻炼，以更好地适应今后的毕业设计或研究生的科研工作。焊接创新拓展实验内容主要包括焊接试验设计、焊接质量评定和接头组织与性能分析，如图1所示。

图1 焊接创新拓展实验设计理念和内容

通过焊接试验设计，对焊接材料、工艺及参数的选择，培养学生对基础知识的理解和运用。因为学生还不具备熟练操作焊接设备的能力，所以实际的焊接过程采用预录演示和现场观摩的方式，使同学们理论联系实际，通过感性认识促进对焊接理论的理解。“焊接质量评定”包括焊缝外观和成形的评定，焊缝外观需均匀，无气孔、夹渣、咬边、裂纹等缺陷，焊缝成形参数需满足尺寸要求，且通过统计计算可以实现不同焊接工艺参数条件下的成形参数预测与分析。此部分的实验内容是整个焊接创新拓展实验的中间环节，既可以验证焊接试验设计的合理性，又可以保证后续焊接组织与力学性能分析的准确性。接头组织与性能实验包括从样品制备到组织与性能分析的一整套动手实践和理论分析内容。一方面使学生掌握材料科学与工程相关的试验设备使用规范，熟悉对材料加工原理分析和验证的实验技巧。另一方面可以了解材料组织结构和性能表征的标准分析方法，提升学生对材料科学基础知识运用于焊接学科的应用能力。

基于以上的实验教学设计理念，借助学科基地的先进焊接设备，学院开设了机器人焊接试验设计与分析实验，主要通过DOE实验设计方法，在保证获得高质量焊缝成形的条件下，确定焊接工艺参数的因素和水平，借助统计学软件，分析焊接工艺参数对成形参数的影响规律，并建立成形参数的预测回归模型；鉴于焊接方向组织与性能分析的研究前沿创新性，利用实验教学中心的微观组织和力学性能的先进分析设备，开设了异种材料焊接的组织与性能分析实验，主要包括热影响区微观组织分析、接头的成分测定和力学性能测试。以上的设计思路和内容使焊接实验具备了完整性、综合性、创新性，可以比较系统全面地提高学生的自主实践操作和科研创新能力。

1.2 实验教学实施

每个焊接创新拓展实验类似一个科研小项目，同学可进行自由选题。实验教学采用小班化的教学模式，每组人数为5～7人，实验项目以小组为单位，由组内成员共同合作完成。实验实施过程包括焊接实验演示、实验方案构思、实验技能学习、实验预约和自主操作、实验结果分析、实验问题提出与改进、撰写实验报告和实验项目答辩，如图2所示。

图2 焊接创新拓展实验实施过程

焊接实验演示在焊接学科基地开展，不仅要为同学们展示先进的焊接工艺与技术，而且也要强调焊接的实验安全问题，使同学们在了解先进焊接工艺和技术的同时，具备焊接实验的安全意识。焊接实验方案需要借助查阅参考文献、实验教学导师的指导和小组成员的反复讨论而制定，这样突破了传统的实验教学模式、拓展了实验教学内容、克服了以往实验教学与科学研究脱节的缺点、增强了师生互动交流和拓展了实验教学空间。制定实验方案后，需要进行软件和硬件的实验技能学习，以培养学生系统、连贯地掌握理论知识和实验技能，提高学生对基础知识的创新应用和科学研究实践能力。统计学相关软件通过学生的自主学习完成，硬件实验分析设备由实验指导教师负责培训，主要涉及焊接实验分析的设备：如样品制备设备（镶嵌机、磨抛机、凹坑仪、离子减薄仪等）、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和力学性能设备（如硬度测试仪和拉伸试验机等）。对于操作步骤简单的设备，同学们自主完成实验操作；而对于操作复杂的设备，学生与实验教学负责老师或助教进行实验预约，安排实验教学时间段后开展实验，以满足同学们的实验测试和分析需求。完成实验后，小班化组员对实验结果梳理和分析，主要包括焊接样品的制备方法和过程、焊接试验设计与结果分析、接头组织与性能结果分析等。组员通过分工协作、共同参与，最终整合1份完整的实验报告，并按照实验教学时间节点进行汇报答辩工作。

通过把焊接类的科研项目引入到实验教学，提高了学生对焊接基础知识的运用，同学们对实际的科研有了感性认识，具备了材料学科焊接专业方向的科研素质，系统地提升了学生完成科研目标的能力、提高了本科实验教学的效率。

2 焊接创新拓展实验考核与评价

2.1 实验考核内容

焊接创新拓展实验项目考核内容包含实验过程跟踪、实验结果记录、实验分析能力、实验研究成果4个方面的综合考核评价。实验教学指导教师应充分考虑每个学生在整个焊接实验过程的参与性、小组合作度及实验动手和分析能力，过程跟踪考核指标设定为学生在实验中的出勤率、焊接实验样品的制备情况、自主操作的实验项目以及实验设备的操作水平。实验结果记录应体现实验过程的真实性、可靠性、准确性和完整性，考核指标包括焊缝成形参数测量与记录、焊接热影响区微观组织选区、成分分析和力学性能测试结果等。根据实验结果的记录，学生完成对应的实验分析内容，考察指标包括软件操作与自主分析、组织表征与力学性能行为分析、提出实验问题与改进分析等，这些实验结果记录和实验分析内容均应详实地体现在实验报告中。鼓励学生提炼实验报告的创新性内容，撰写并发表焊接类的科技论文，并作为实验考核内容的加分项。通过系统地考察学生实验完成情况，可显著地激发学生的科研兴趣，挖掘有潜力的科研储备人才。

2.2 多元化实验考核模式

由于焊接创新拓展实验项目的实施过程形式多样，实施内容包括实践动手操作和理论分析，实验项目必须由实验教师负责指导和小组成员分工协作共同完成，因此采用实验指导教师评估和小组成员互评打分的多元化考核模式，考核评分比例为7∶3。实验指导教师主要对学生在实验过程的整体表现、撰写的实验报告以及答辩的交流展示进行实验效果评估；小组成员则根据实验项目工作量分配、团队交流合作情况，以互评的方式进行实验贡献评价。通过两种考核模式的结合，可以客观、公正地综合反映每位学生在焊接实验项目中的参与和完成情况。

3 结 语

基于“材料综合实验”课程，结合焊接专业的创新应用研究特点，依托材料科学与工程学院焊接学科建设基地的科研优势和上海市实验教学示范中心的先进实验设备资源，开设试验设计、综合分析的多层次焊接类专题创新拓展实验项目，涉及焊接演示实验、仪器设备自主操作、软件统计验证和材料实验分析等内容，通过指导教师的过程跟踪实验效果评价以及小组互评实验贡献指标的考核模式，使学生加深了对基础理论知识的理解、增强了自主创新意识、提高了动手实践能力、提升了科研分析素养以及发扬了团队协作精神。焊接创新拓展实验项目的设计和实施，将科研实践和实验教学紧密结合，不仅提高了本科实验教学质量，还为材料综合实验教学的其他拓展创新项目提供了借鉴。