教學(xué)、生產(chǎn)、科研一體化本科教學(xué)模式研究

劉崇宇 楊霞

摘?要：本研究通過(guò)對(duì)桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬專(zhuān)業(yè)本科生的校外生產(chǎn)實(shí)習(xí)進(jìn)行改革，探索出新型教學(xué)、生產(chǎn)、科研一體化本科教學(xué)模式。通過(guò)該模式，學(xué)生不但鞏固了課堂知識(shí)，而且能夠做到學(xué)以致用，這一方面激發(fā)了學(xué)生探索新知識(shí)的動(dòng)力，另一方面為本科生畢業(yè)后的就業(yè)及繼續(xù)從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：教學(xué);生產(chǎn);科研

Abstract：In this study，we explore a new integration teaching mode of teaching，production，and scientific research，by the reform of production practice of the undergraduates in the metal materials science and engineering major，Guilin University of Technology.By this mode，the students study more knowledge，and could learn in order to practice.On the one hand，the undergraduates more like study the professional knowledge，on the other hand to improve the ability of research and practice.

Keywords：Teaching;Production;Scientific research

1 緒論

改革開(kāi)放的30年時(shí)間里，我國(guó)的高等院校為國(guó)家培養(yǎng)了一大批科學(xué)、工程以及技術(shù)人才[1-6]。在各類(lèi)科技人才的帶動(dòng)下，我國(guó)無(wú)論科學(xué)技術(shù)還是工業(yè)化水平均得到了飛速發(fā)展[7]。

然而，我國(guó)的高等教育還表現(xiàn)出一系列的問(wèn)題。例如，多數(shù)非985、211以及雙一流高校的學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，這不但影響了大學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握，而且極大地降低了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，如何提高大學(xué)生，特別是普通高校學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性亟待解決。

經(jīng)過(guò)分析，大學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足主要有以下幾個(gè)原因：（1）學(xué)習(xí)無(wú)用論盛行。很多學(xué)生并不清楚本專(zhuān)業(yè)發(fā)展歷史、前沿科技以及就業(yè)前景，以金屬專(zhuān)業(yè)本科生為例，學(xué)生很難將課堂上教授的相變、析出、固溶、再結(jié)晶等書(shū)本里的理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際的金屬材料生產(chǎn)、加工及應(yīng)用相結(jié)合。這樣，很多學(xué)生認(rèn)為大學(xué)所教授的知識(shí)將來(lái)無(wú)用武之地，以后用到再學(xué)業(yè)完全來(lái)得及。因此，教學(xué)無(wú)用論在大學(xué)課堂上較為流行，這極大地影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力;（2）專(zhuān)業(yè)教師引導(dǎo)不足。在目前的體制下，高校很難對(duì)教師的教學(xué)進(jìn)行公平、有效、合理的定量考核。而教師的評(píng)職、績(jī)效等更多地依靠學(xué)術(shù)論文、科研項(xiàng)目、指導(dǎo)學(xué)生競(jìng)賽等方便定量化的科研或者教學(xué)工作。這樣很多教師并不愿意把過(guò)多的時(shí)間用在課堂教學(xué)上，這直接導(dǎo)致了專(zhuān)業(yè)教師的教學(xué)動(dòng)力與對(duì)本科生學(xué)習(xí)引導(dǎo)的不足;（3）客觀條件不足。雖然近年來(lái)，國(guó)家對(duì)高校的資金投入越來(lái)越多，但是，普通非985、211以及雙一流高校的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備仍嚴(yán)重欠缺，學(xué)生課堂上更多的是“填鴨式”地學(xué)習(xí)理論知識(shí)，無(wú)法親自動(dòng)手操作甚至認(rèn)識(shí)各類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。例如，材料成形課程中所教授的加工方法均需要較大的澆注、焊接、軋制、擠壓等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，而普通高校很難有場(chǎng)地及資金購(gòu)置這些設(shè)備，這無(wú)疑進(jìn)一步弱化了學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的興趣。

因此，本研究以桂林理工大學(xué)，金屬專(zhuān)業(yè)學(xué)生為對(duì)象，在第六至第七學(xué)期之間的暑假校外生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)、生產(chǎn)、科研一體化本科教學(xué)模式探索的研究。以期解決普通高等院校的上述問(wèn)題。

2 教學(xué)改革方法

第六學(xué)期期末，教授桂林理工大學(xué)材料成形課程的教師對(duì)金屬專(zhuān)業(yè)的全體選課大三本科生進(jìn)行暑假的生產(chǎn)實(shí)習(xí)動(dòng)員，最終有23人自愿報(bào)名參加為期一個(gè)假期（2個(gè)月）的生產(chǎn)實(shí)習(xí)活動(dòng)。生產(chǎn)實(shí)習(xí)地點(diǎn)為廣西壯族自治區(qū)平果縣某生產(chǎn)鋁合金導(dǎo)線的工廠。生產(chǎn)實(shí)習(xí)期間，給本科生布置如下任務(wù)：

（1）跟隨工廠師傅，進(jìn)行一線生產(chǎn)，主要分配到熔煉車(chē)間、拉拔成型車(chē)間、產(chǎn)品檢測(cè)車(chē)間三個(gè)部門(mén);

（2）積極發(fā)現(xiàn)并研究企業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品檢測(cè)、過(guò)程管理等各環(huán)節(jié)所存在的問(wèn)題，并在實(shí)習(xí)期結(jié)束前一周形成紙質(zhì)調(diào)研報(bào)告;

（3）針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出改進(jìn)方法并提供相關(guān)的理論依據(jù);

（4）進(jìn)入大四選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)課題時(shí)，鼓勵(lì)參加生產(chǎn)實(shí)習(xí)的學(xué)生采用企業(yè)所提供的材料進(jìn)行進(jìn)一步的科學(xué)研究，對(duì)自己所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行深入了解，最終完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，并撰寫(xiě)畢業(yè)論文。

進(jìn)行上述工作，可以使學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)有更加全面、清晰的認(rèn)識(shí)。將課本上所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。例如，“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課程中講授變形態(tài)金屬材料在熱處理過(guò)程中發(fā)生了回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒異常長(zhǎng)大、位錯(cuò)湮滅及重新排列等一系列行為，無(wú)疑，這對(duì)于未參加生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)室實(shí)驗(yàn)的本科生而言非常抽象，學(xué)生很難將上述行為與科學(xué)研究或?qū)嶋H生產(chǎn)加工相結(jié)合。而在企業(yè)實(shí)習(xí)期間，學(xué)生發(fā)現(xiàn)5系鋁合金在塑性變形后，要進(jìn)行一次短時(shí)間的高溫退火才能進(jìn)入下個(gè)階段的塑性變形。通過(guò)這一簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過(guò)程，可以給學(xué)生講解，高溫退火的目的是為了使變形后的鋁合金在高溫作用下位錯(cuò)密度發(fā)生一定程度的湮滅及重新排列，最后達(dá)到減少的目的。同時(shí)高溫還能促進(jìn)變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶，使其由伸長(zhǎng)率較低的纖維狀轉(zhuǎn)化為伸長(zhǎng)率較高的等軸狀。在位錯(cuò)密度減少與基金晶粒發(fā)生再結(jié)晶的雙重作用下，金屬的強(qiáng)度必然降低，塑性必然增加。這為下個(gè)道次的變形做好了準(zhǔn)備，能夠確保下一道次的塑性變形不發(fā)生材料的斷裂與失效，保證成品率。通過(guò)上述實(shí)習(xí)以及講解，學(xué)生便對(duì)熱處理過(guò)程中位錯(cuò)、晶粒的變化，以及上述變化對(duì)材料力學(xué)性能影響有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，也會(huì)更好地將“材料科學(xué)基礎(chǔ)”課本知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了結(jié)合。

再如，在“材料成形工藝學(xué)”課程中教師給學(xué)生講授的非均質(zhì)形核也比較抽象，學(xué)生難以理解。而在生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在5系鋁合金熔鑄過(guò)程中，工人向合金液中加入一定量的Cr元素，而Cr在鋁中溶解度較低且無(wú)法與Al基體或者其他合金元素形成高密度、小尺寸的化合物相，因此，加Cr既無(wú)法起到第二相強(qiáng)化也無(wú)法起到固溶強(qiáng)化作用。這樣便可以給學(xué)生講解Cr在鋁液中的作用，主要是形成高溫難熔化合物相，該相的熔點(diǎn)高于鋁合金基體的熔點(diǎn)，因此，優(yōu)先于鋁合金基體發(fā)生凝固。這樣含Cr的領(lǐng)先相可為鋁合金基體晶粒的形核提供基底，進(jìn)而促進(jìn)鋁合金基體晶粒在多個(gè)形核點(diǎn)上發(fā)生形核（非均勻形核），而每個(gè)晶粒的生長(zhǎng)空間又極為有限，最終達(dá)到細(xì)化鋁合金基體晶粒的目的。同時(shí)，也可以向?qū)W生們講解熔鑄過(guò)程中促進(jìn)非均勻形核的目的，非均勻形核就是為了細(xì)化晶粒，而細(xì)化鋁合金晶?？赏瑫r(shí)優(yōu)化合金強(qiáng)度、塑性、耐疲勞、耐腐蝕等一系列力學(xué)性能，同時(shí)晶粒細(xì)化還可以減少偏析及夾渣，減輕凝固過(guò)程中的熱裂傾向，最終提高鑄造的成功率。通過(guò)上訴講解與實(shí)踐，學(xué)生便將非均質(zhì)形核這一知識(shí)點(diǎn)與生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了很好結(jié)合。因此，學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手操作，更加深入地了解了金屬材料的知識(shí)點(diǎn)，并將所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了較好的結(jié)合，這為今后的繼續(xù)甚至和就業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

另外，一線生產(chǎn)的環(huán)境的確不盡如人意，工作還實(shí)行倒班制，在學(xué)校過(guò)習(xí)慣了安逸生活的大學(xué)生在工作初期非常不適應(yīng)，但23位本科生均堅(jiān)持到實(shí)習(xí)期結(jié)束，通過(guò)一個(gè)暑假的實(shí)習(xí)，還培養(yǎng)了學(xué)生的吃苦耐勞的精神，并且讓學(xué)生更早地認(rèn)識(shí)和適應(yīng)未來(lái)的工作。同時(shí)讓學(xué)生了解現(xiàn)實(shí)中的工作環(huán)境，可以激發(fā)部分學(xué)生的考研熱情，使學(xué)生有更加明確的考研動(dòng)力及目標(biāo)。

學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程中，可以培養(yǎng)學(xué)生工作過(guò)程中的思考問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，另外，運(yùn)用課堂理論知識(shí)，提出工廠生產(chǎn)過(guò)程中相關(guān)不足點(diǎn)的解決辦法，理論指導(dǎo)實(shí)踐，帶動(dòng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)本專(zhuān)業(yè)的興趣，提高學(xué)生的自信心。例如，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)部分批次的產(chǎn)品在拉拔過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生斷裂。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)拉拔前的工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧，最終發(fā)現(xiàn)這些批次的合金在前期的加工生產(chǎn)過(guò)程中有如下問(wèn)題：

（1）熔鑄的時(shí)候加入過(guò)多的三級(jí)和四級(jí)廢料，而三級(jí)以下廢料由于其過(guò)高的比表面積，會(huì)帶入更多的非金屬夾渣物，如果非金屬夾雜物未能及時(shí)清理干凈則會(huì)滯留在金屬中，形成夾渣，最終破壞金屬的連續(xù)性，進(jìn)而惡化材料的塑性，因此，合金在拉拔過(guò)程中容易出現(xiàn)斷裂行為;（2）合金液內(nèi)通入氮?dú)鈺r(shí)間較短，氮?dú)馀菰谏细∵^(guò)程中因其內(nèi)部較小的氫氣壓，可較好地對(duì)金屬進(jìn)行吸氣及除渣處理、而通入氮?dú)鈺r(shí)間較短導(dǎo)致了合金液內(nèi)大量氫氣和非金屬夾雜物無(wú)法及時(shí)排除，因此合金鑄造成形后內(nèi)部有一定數(shù)量的氣孔和夾雜物，這也導(dǎo)致了合金在拉拔過(guò)程中的斷裂;

（3）部分操作工人為對(duì)爐料進(jìn)行充分破碎就匆忙投料，這樣在相同的熔煉時(shí)間里，大塊爐料必然會(huì)導(dǎo)致合金的成分不均勻，出現(xiàn)更加嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，尺寸部分含Cr的孕育劑未能起到充分促進(jìn)非均勻形核的目的，因此，所獲得的鑄件晶粒尺寸過(guò)大，并導(dǎo)致材料在后期拉拔過(guò)程中更容易發(fā)生斷裂;

（4）部分拉拔設(shè)備未充分潤(rùn)滑過(guò)程中進(jìn)行拉拔生產(chǎn)，不同于擠壓，拉拔過(guò)程中材料經(jīng)受了更多的拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力更容易使材料發(fā)生斷裂。加潤(rùn)滑劑對(duì)模具進(jìn)行潤(rùn)滑是一個(gè)很好地降低拉應(yīng)力的方式，因此，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行充分潤(rùn)滑;

（5）每個(gè)拉拔道次之間的退火時(shí)間不夠長(zhǎng)，正如前文所述，道次間退火是為了充分軟化材料，以便后期的塑性加工。而退火時(shí)間短會(huì)造成部分位錯(cuò)未發(fā)生湮滅，部分纖維狀變形晶粒在材料內(nèi)部得以保留，因此，材料并未發(fā)生充分軟化，存在一定的內(nèi)應(yīng)力，這無(wú)疑提高了材料的塑性變形難度，增加了材料失效的風(fēng)險(xiǎn)，降低了產(chǎn)品的成材率。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題后，建議企業(yè)方及時(shí)修改后續(xù)的生產(chǎn)工藝。最終企業(yè)在學(xué)生的協(xié)助下，通過(guò)計(jì)算，調(diào)整并優(yōu)化了原鋁錠與廢料、廢料各級(jí)別間的比例，根據(jù)成本與性能確定了最優(yōu)的各爐料比例;適當(dāng)增加了通氣時(shí)間，進(jìn)行了充分的除氣除渣處理;向一線員工說(shuō)明了爐料尺寸與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，建議對(duì)爐料進(jìn)行充分破碎，以免材料發(fā)生成分偏析與孕育不足;對(duì)材料模具進(jìn)行充分的潤(rùn)滑，降低材料的剪切應(yīng)力，保證拉拔過(guò)程的順利進(jìn)行;適當(dāng)提高每個(gè)道次間的退火時(shí)間，保證材料在進(jìn)行下一道次拉拔前發(fā)生充分軟化。工藝改進(jìn)后，鋁材的拉拔性能得到大幅提高，斷裂現(xiàn)象得到明顯改進(jìn)。再如，學(xué)生發(fā)現(xiàn)拉拔各道次間樣品的高溫退火溫度過(guò)高，這樣不利于企業(yè)控制生產(chǎn)成本。學(xué)生對(duì)鋁材進(jìn)行和不同溫度及不同時(shí)間的退火實(shí)驗(yàn)，繪制了各溫度條件下的退火軟化曲線，進(jìn)而找到了不同直徑鋁合金線材的最優(yōu)退火工藝，這樣在不影響下一道次順利拉拔的同時(shí)，還極大地減少企業(yè)能耗，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。因此，學(xué)生在通過(guò)上述發(fā)現(xiàn)并且解決問(wèn)題的過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)水平得到大幅提高，這一方面提高學(xué)生的自信心，另一方面也極大地提升學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

經(jīng)過(guò)一個(gè)暑假的實(shí)習(xí)，學(xué)生馬上進(jìn)入大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在這一過(guò)程中，教師鼓勵(lì)學(xué)生采用生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)所用的材料進(jìn)行深一步的研究。例如，對(duì)比不同氣體以及氣體含量對(duì)合金鑄錠氣孔率、雜質(zhì)偏析的影響，確定最佳的除氣工藝。對(duì)比不同拉拔道次材料的微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度，探索變形量對(duì)合金微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響，確定最佳變形量與變形工藝參數(shù);對(duì)比退火熱處理前后材料的微觀結(jié)構(gòu)及顯微硬度，探索熱處理工藝參數(shù)對(duì)鋁合金微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響;對(duì)比單道次拉拔前后合金微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度，探索變形量、變形方式、變形溫度等變形工藝參數(shù)對(duì)合金微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響等等。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更加清楚了金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，也強(qiáng)化學(xué)生分析材料的強(qiáng)化機(jī)制、再結(jié)晶理論、析出相演化過(guò)程、液態(tài)金屬形核過(guò)程的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生對(duì)金屬專(zhuān)業(yè)的興趣，同時(shí)也為讀研學(xué)生的今后研究工作打下基礎(chǔ)。

在該生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，帶隊(duì)老師多達(dá)8人，并且輪流帶隊(duì)，這樣該實(shí)習(xí)并未過(guò)多地犧牲老師的時(shí)間。通過(guò)該生產(chǎn)實(shí)踐，高校與企業(yè)的聯(lián)系更加緊密，這進(jìn)一步促進(jìn)了地區(qū)的“產(chǎn)—學(xué)—研”發(fā)展。實(shí)習(xí)也拓展了專(zhuān)任教師的知識(shí)面，增加了教師的知識(shí)儲(chǔ)備。使得教師在今后的課堂授課過(guò)程中能夠更好地將課本知識(shí)點(diǎn)與企業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富課堂的授課內(nèi)容。

最終本次參加暑期實(shí)習(xí)的23名同學(xué)中，有3人順利考取碩士研究生，18人畢業(yè)后進(jìn)入金屬加工企業(yè)工作，其中5人在實(shí)習(xí)企業(yè)的推薦下進(jìn)入本地區(qū)最大的鋁加工企業(yè)。畢業(yè)1年后，大部分學(xué)生成為企業(yè)生產(chǎn)崗位的技術(shù)骨干。因此，此次的生產(chǎn)實(shí)習(xí)改革獲得較大的成功。

3 結(jié)語(yǔ)

利用本科生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，在校外金屬加工企業(yè)進(jìn)行為期長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，并進(jìn)行教學(xué)、生產(chǎn)、科研一體化的本科教學(xué)模式探索，這改善了教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣，提高了學(xué)生的操作能力，強(qiáng)化了學(xué)生的科研素養(yǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：劉崇宇（1984—?），男，漢族，遼寧營(yíng)口人，博士，副教授，研究方向：金屬塑性加工。