軟件工程技術(shù)在《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》教學(xué)改革中的應(yīng)用

陳大志，崔國棟，蔣小松，張程菘，曹寶寶

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

新材料作為國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)和高端制造及國防工業(yè)發(fā)展等的關(guān)鍵保障，是各國戰(zhàn)略競爭的焦點(diǎn)[1]。根據(jù)《〈中國制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》及《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，新材料產(chǎn)業(yè)總體分為先進(jìn)基礎(chǔ)材料、 關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料3 個(gè)重點(diǎn)方向。2017年12月，教育部出臺(tái)了雙一流高校的建設(shè)名單，在140 所入圍高校名單中，材料科學(xué)與工程專業(yè)是所有一流學(xué)科中入選次數(shù)最多的學(xué)科。在材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)施國家級(jí)一流專業(yè)建設(shè)中，以提高學(xué)生研究能力、 綜合素質(zhì)和社會(huì)競爭力為目標(biāo)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，努力培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新性人才。

《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是一個(gè)理論與工程實(shí)踐并重且涉及知識(shí)面較廣的工程應(yīng)用型課程，旨在培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的綜合素質(zhì)人才。該門課程的教學(xué)改革，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)、應(yīng)用型材料科學(xué)與工程專業(yè)工程師至關(guān)重要。當(dāng)前，《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程的改革多側(cè)重于課程內(nèi)容本身，如調(diào)整教學(xué)目標(biāo)、修訂完善教學(xué)大綱、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、制定合理考核機(jī)制等[2-3]，很少在教學(xué)形式上給予考慮。軟件工程是一門研究有效的、實(shí)用的和高質(zhì)量軟件的學(xué)科，各個(gè)行業(yè)幾乎都有計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用，該文擬將軟件工程技術(shù)運(yùn)用到《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》教學(xué)改革中，淺析其應(yīng)用價(jià)值與產(chǎn)生效果。

1 《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程改革的意義

1.1 促進(jìn)新材料的開發(fā)

材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[4]。根據(jù)《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，未來的新材料發(fā)展重點(diǎn)在特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無機(jī)非金屬材料、高性能復(fù)合材料以及前沿新材料等方面，在這6 個(gè)領(lǐng)域中，金屬材料占據(jù)了兩個(gè)位置，分別為具有獨(dú)特聲、電、光、熱、磁等性能的特種金屬材料以及具有更高強(qiáng)度、韌性和耐高溫、 抗腐蝕等性能的高端金屬結(jié)構(gòu)材料。《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》是一門應(yīng)用型課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，通過該門課程的改革，能夠讓學(xué)生更加具有獨(dú)立思考解決問題的能力，更加具有綜合分析的能力，更加具有創(chuàng)新意識(shí)，為將來走向科研崗位開發(fā)新型金屬材料奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 促進(jìn)材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展

金屬材料工程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一個(gè)重要方向，《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》 是金屬材料工程方向的一門專業(yè)課。金屬材料工程是一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)，對(duì)金屬材料制備工藝及其原理深入探索后，研究成果可以直接應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中。同時(shí)，金屬材料工程也是一門集應(yīng)用、實(shí)踐、理論為一體的學(xué)科。《金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程是一個(gè)理論與工程實(shí)踐并重且涉及知識(shí)面較廣的工程應(yīng)用型課程，在教學(xué)過程中，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)，獨(dú)立設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整淬火溫度、回火溫度、淬火時(shí)間、回火時(shí)間、冷卻時(shí)間等參數(shù)，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，再用實(shí)踐修正理論，完全將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來。該門課程的教學(xué)改革對(duì)促進(jìn)金屬材料工程方向的探究，以及材料科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

1.3 促進(jìn)卓越工程師的培養(yǎng)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是教育部貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010～2020年）》的重大改革項(xiàng)目[5-6]。旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)，是促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強(qiáng)國的重大舉措。就目前的形勢來看，在校本科生乃至畢業(yè)生距離企業(yè)對(duì)員工具有豐富的生產(chǎn)安全、項(xiàng)目管理、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備的操作與維修經(jīng)驗(yàn)方面的要求相差甚遠(yuǎn)，所以大部分畢業(yè)生到企業(yè)工作后，都要經(jīng)歷一個(gè)磨合期，短則幾個(gè)月，長則幾年，這無形中提高了企業(yè)培養(yǎng)成本，不利于企業(yè)效益的提升[7]。鑒于此，我們必須在校內(nèi)開展能夠增加學(xué)生工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)活動(dòng)，而《金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》就是一門很好的課程，通過對(duì)該門課程的有效設(shè)計(jì)與實(shí)施，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，達(dá)到企業(yè)實(shí)踐的部分效果，促進(jìn)卓越工程師的培養(yǎng)。

2 《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在問題

西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》 課程是在學(xué)生做畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）之前開設(shè)的，綜合了材料多種分析測試原理和方法相關(guān)的知識(shí)，向?qū)W生講授常用的宏觀、微觀分析測試原理、方法及在材料分析過程中的應(yīng)用。旨在培養(yǎng)學(xué)生的4 種能力：（1）基本能力：熟悉材料宏觀分析，金屬材料微觀分析，失效與失效分析，金相試樣的制備，普通熱處理工藝、性能及組織分析和表面處理技術(shù)；（2）分析能力：在牢固掌握基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的原理前提下，對(duì)如何控制具體材料的宏微觀分析、性能檢測有較強(qiáng)的分析能力；（3）實(shí)踐能力：理解工程材料的成分、工藝、組織與性能之間的關(guān)系，掌握材料的選擇、制定工藝、宏微觀分析、性能檢測的基本方法與手段；（4）自學(xué)能力：具有自學(xué)各種具體材料科學(xué)與工程教學(xué)參考書的能力。使得學(xué)生學(xué)會(huì)撰寫綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課題研究的提綱，為即將開展的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）奠定基礎(chǔ)。

在教學(xué)方面，首先向?qū)W生傳授金屬材料基礎(chǔ)理論知識(shí)，之后再開展綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前、中、后都有實(shí)驗(yàn)教師專門指導(dǎo)，以保障學(xué)生在安全、有序的條件下順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在目前的教學(xué)過程中主要存在如下的幾個(gè)問題。

（1）學(xué)生參與度低。一般同時(shí)參與上課的學(xué)生人數(shù)在30～90 人，而金相顯微鏡、加熱爐等無法保證每人一臺(tái)，尤其是加熱爐，全校用于教學(xué)的也只有幾臺(tái)而已，所以學(xué)生們會(huì)被分成幾組，5～8 人一組。這樣一來，在實(shí)驗(yàn)過程中，往往只有幾個(gè)同學(xué)進(jìn)行實(shí)際操作，大部分學(xué)生都處于觀望的狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果掌握有限。

（2）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)不合理。學(xué)生接受的理論知識(shí)在前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在后，學(xué)生往往在綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)摸不著頭腦，胡亂設(shè)計(jì)，存在不合理、不精簡等情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)反復(fù)做，既耽誤時(shí)間又浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)耗材，同時(shí)學(xué)生的綜合分析能力也得不到有效提升。

（3）實(shí)驗(yàn)安全難以保障。實(shí)驗(yàn)安全問題一直是學(xué)校關(guān)注的重點(diǎn)問題，實(shí)驗(yàn)過程與知識(shí)的掌握對(duì)學(xué)生而言固然重要，但這些務(wù)必在安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下開展方可，犧牲安全的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常不可取的。金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)需要用到高溫爐，淬火和回火的過程中都涉及把高溫樣品放入水或油中冷卻處理等操作，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生安全問題。按照現(xiàn)在的教學(xué)模式，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、步驟、注意事項(xiàng)等掌握不扎實(shí)，極易產(chǎn)生安全問題。

（4）學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限。金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼，根據(jù)應(yīng)用實(shí)例選擇最適宜的材料，制定合理的熱處理工藝，通過宏微觀分析、性能檢測等基本方法與手段，理解特定熱處理工藝下的微觀組織形態(tài)與材料最終性能之間的關(guān)系。然而，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，耗材不足，在實(shí)驗(yàn)過程中往往只能提供1～2 種金屬材料供學(xué)生演練，學(xué)生雖然能掌握宏微觀分析、性能檢測等基本方法，但無法深入理解材料內(nèi)的化學(xué)成分與組織、性能之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限。

3 軟件工程技術(shù)在《金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程改革中的應(yīng)用

在《金屬材料綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中間設(shè)置集理論知識(shí)掌握、實(shí)驗(yàn)操作模擬、綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等為一體的模擬仿真操作，提高理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合度，加強(qiáng)綜合能力訓(xùn)練，具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（見圖1）方式如下。

（1）系統(tǒng)登錄。設(shè)置用戶名和密碼框，與學(xué)校統(tǒng)一通訊平臺(tái)對(duì)接，在校學(xué)生和教師都可以登錄系統(tǒng)，學(xué)生需要輸入學(xué)號(hào)與教務(wù)密碼，教師需要輸入201300+工資號(hào)，密碼為身份證號(hào)后六位。學(xué)生登錄系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，教師登錄系統(tǒng)可以進(jìn)行成績查詢，另設(shè)管理員賬戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)管理。

（2）溫馨提示。提示學(xué)生：①答題與操作時(shí)間為40 分鐘；②允許3 次選錯(cuò)答案，第四次再選錯(cuò)答案，將自動(dòng)終止答題，系統(tǒng)自動(dòng)退出，成績?yōu)?，且不允許實(shí)際操作；③每選錯(cuò)一次答案，扣除10 分；④點(diǎn)擊“開始答題”按鈕后，答題開始，并開始計(jì)時(shí)。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。綜合實(shí)驗(yàn)分為三類：常規(guī)熱處理綜合實(shí)驗(yàn)、特種熱處理綜合實(shí)驗(yàn)、表面熱處理綜合實(shí)驗(yàn)。

常規(guī)熱處理綜合實(shí)驗(yàn)零部件為螺栓與軸、 彈簧和彈條、機(jī)加工工具和刀具，根據(jù)各個(gè)零部件的技術(shù)要求 進(jìn) 行 選 材 （Q235、T10、45 鋼、20 鋼、15CrMo、60Si2Mn 等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—淬火加熱溫度—淬火加熱時(shí)間—冷卻介質(zhì)-硬度測試—回火溫度—回火加熱時(shí)間—回火冷卻介質(zhì)—硬度測試—微觀組織觀察—觀看常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)操作錄像—操作規(guī)范。

特種熱處理綜合實(shí)驗(yàn)零部件為汽車曲軸、 礦石破碎機(jī)的鄂板，根據(jù)各個(gè)零部件的技術(shù)要求進(jìn)行選材（球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、55Si2MnMoV 鋼、15CrMo、20 鋼等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—淬火加熱溫度—淬火加熱時(shí)間—等溫溫度—等溫介質(zhì)—等溫保溫時(shí)間—硬度測試—微觀組織觀察—觀看特種熱處理實(shí)驗(yàn)操作錄像—操作規(guī)范。

圖1 金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)部分界面

表面熱處理綜合實(shí)驗(yàn)零部件為低碳鋼板沖壓件、 齒輪，根據(jù)各個(gè)零部件的技術(shù)要求進(jìn)行選材（16Mn、20CrNiMo、GCr15、15CrMo、60Si2Mn 等），接下來的工藝分別為：熱處理工藝選擇—加熱溫度（多元共滲/滲碳）—加熱時(shí)間—冷卻方式—表面處理方式/淬火溫度—烘干工藝/淬火保溫時(shí)間—冷卻方式—腐蝕試驗(yàn)/低溫回火時(shí)間—滲層深度測試—硬度測試—微觀組織觀察—觀看表面熱處理綜合實(shí)驗(yàn)操作錄像-操作規(guī)范。

（4）模擬結(jié)束。所有的熱處理綜合實(shí)驗(yàn)工藝/操作完成后，自動(dòng)生成熱處理綜合實(shí)驗(yàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)窗口，學(xué)生設(shè)計(jì)完實(shí)驗(yàn)后，點(diǎn)擊“模擬結(jié)束”按鈕，界面上顯示學(xué)號(hào)和成績，彈出個(gè)性化設(shè)計(jì)文件供拍照留存，同時(shí)學(xué)生成績與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫供教師查閱。

（5）功能實(shí)現(xiàn)。計(jì)時(shí)器功能、提示錯(cuò)誤功能、自動(dòng)生成成績功能、自動(dòng)生成個(gè)性化設(shè)計(jì)文檔功能、三維動(dòng)畫模擬操作功能。

4 結(jié)語

近兩年來，通過上述改革我們收獲了實(shí)質(zhì)性的成果，在一定程度上解決了由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限、學(xué)生人數(shù)較多、理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)而產(chǎn)生的學(xué)生參與度低、實(shí)驗(yàn)安全難以保障、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)不合理、學(xué)生綜合能力培養(yǎng)有限等問題，提升了學(xué)生主動(dòng)思考的能力和綜合分析能力。接下來，我們準(zhǔn)備將研究成果與成功經(jīng)驗(yàn)推廣到其他同類型的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中，為材料科學(xué)與工程專業(yè)雙一流建設(shè)保駕護(hù)航，進(jìn)而為國家新材料工程貢獻(xiàn)力量。