新工科背景下“焊接綜合實驗”課程教學改革與實踐

摘"要：針對新工科建設(shè)和新經(jīng)濟發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的新要求，結(jié)合西安石油大學焊接技術(shù)與工程專業(yè)“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，對實驗教學條件、教學手段、教學內(nèi)容和方法、教材編寫等方面進行了改革，實現(xiàn)了焊接綜合實驗以教師為中心向?qū)W生為中心的轉(zhuǎn)變，解決了焊接操作技能教師短缺的問題。研究生參與實踐教學和校企合作編寫教材，使教學效率和效果顯著提高。階段性的教學實踐結(jié)果證明，通過自動化焊接教學手段的引入，學生自主實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維得到提升，滿足了社會對焊接技術(shù)新型人才的需求。

關(guān)鍵詞：新工科；焊接；綜合實驗；自動化；創(chuàng)新

全球新一輪的產(chǎn)業(yè)革命正在驅(qū)動著新經(jīng)濟的形成與發(fā)展，現(xiàn)代經(jīng)濟呈現(xiàn)出新理念、新技術(shù)、新方法、新模式和新標準等特點［12］。為滿足新經(jīng)濟發(fā)展人才支撐的需求。2017年，以全球新經(jīng)濟發(fā)展、國家重大戰(zhàn)略實施及我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級為背景的“新工科”建設(shè)，指明了新時代工科教育對人才培養(yǎng)的發(fā)展方向。即培養(yǎng)一批工程實踐和創(chuàng)新能力強，具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型“新工科”人才［3］。

焊接技術(shù)與工程專業(yè)是對實踐能力要求很高的專業(yè)，特別強調(diào)培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和解決工程生產(chǎn)實際問題的能力。“焊接綜合實驗”是焊接技術(shù)與工程專業(yè)開設(shè)的一門實踐性較強的專業(yè)課程，在學生工程素質(zhì)培養(yǎng)過程中具有十分重要的作用和地位，因為綜合性實驗已經(jīng)成為我國工程教育專業(yè)認證和高校教學工作水平評估中的主要觀測點，并且用來評價學校人才培養(yǎng)模式的效果［4］。筆者走訪石油、石化企業(yè)，并結(jié)合“焊接綜合實驗”課程實踐教學發(fā)現(xiàn)，本課程中的傳統(tǒng)手工焊接實踐環(huán)節(jié)相對落后，已遠遠不適應企業(yè)對智能化和自動化焊接技術(shù)發(fā)展的迫切要求，培養(yǎng)的學生與行業(yè)企業(yè)嚴重脫節(jié)，制約了本專業(yè)學生的培養(yǎng)質(zhì)量和目標。以新工科背景為契機，深化焊接技術(shù)與工程專業(yè)“焊接綜合實驗”課程教學改革，對培養(yǎng)高素質(zhì)焊接技術(shù)與工程專業(yè)應用創(chuàng)新型人才具有重要的意義。

一、“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題

（一）實驗教學手段落后

“焊接綜合實驗”課程教學中，學生通常采用手工電弧焊方法制備幾種不同參數(shù)的焊接結(jié)構(gòu)試件，然后進行后續(xù)實驗。而焊接結(jié)構(gòu)試件的手工制備，要求學生實踐動手能力強，操作技能掌握得扎實才可完成，否則后面的實驗將受到影響或無法實施，存在焊接基本訓練與工程應用脫節(jié)，焊接質(zhì)量無法保證的難題。在實際教學中，試件制備通常由具有相對操作技能熟練的教師代為制作，學生成了旁觀者，沒有真正參與其中，這使得學生對焊接參數(shù)的選擇和焊接缺陷等的認知和理解不夠深入，不能達到“焊接綜合實驗”課程培養(yǎng)學生具有良好工程素養(yǎng)的目標。

（二）缺少智能化、自動化焊接教學設(shè)備

以西安石油大學材料科學與工程學院焊接實驗室為例。2007年，學校依托中央財政支持地方高校改革發(fā)展資金的經(jīng)費為學院新成立的國際焊接工程師（IWE）培訓中心購置了12臺手工逆變焊機，包括手工電弧焊機、氬弧焊機和二氧化碳氣體保護焊機等。當時，這些手工焊機制造技術(shù)相對成熟，質(zhì)量可靠，使用過程中較少發(fā)生故障，一直使用至今。然而，目前實驗室的其他實驗教學設(shè)備大多購置年代久遠，一些設(shè)備出現(xiàn)老化、損壞等現(xiàn)象。因此，學校每年下?lián)艿綄W院的設(shè)備購置經(jīng)費優(yōu)先滿足這些設(shè)備的實驗需求，或滿足新建專業(yè)方向?qū)υO(shè)備的需求等，使得焊接實驗室缺少智能化和自動化先進焊接教學設(shè)備。

（三）缺乏具有焊接操作技能素養(yǎng)的專任教師

目前，高校實驗室招聘教師至少需具有研究生學歷，碩士及以上學位，而且畢業(yè)生所學專業(yè)需要與所從事的實驗課專業(yè)相同或相近。然而，研究生培養(yǎng)無專門的焊接專業(yè)，并且研究方向為焊接的研究生也較少。因而，焊接專業(yè)實驗室很難招聘到符合要求的教師。通常招聘的實驗教師為材料加工工程專業(yè)，焊接操作技能相對較弱。所以依賴新入職教師幫助學生提升焊接操作技能，并獨立完成實驗任務較為困難。

（四）教材陳舊，更新滯后

“焊接綜合實驗”課程適用的教材較少，僅有的幾本教材中，其內(nèi)容主要圍繞焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝評定和焊接質(zhì)量檢測等展開，未涉及先進自動化焊接設(shè)備和焊接方法等內(nèi)容，而且近幾年未見有新教材出版。這也是“焊接綜合實驗”課程教學中存在的突出問題。

綜上所述，“焊接綜合實驗”課程實驗教學手段落后，缺少智能化和自動化先進焊接設(shè)備，師資專業(yè)素養(yǎng)不匹配和教材陳舊等，這些嚴重制約了“焊接綜合實驗”課程的順利開展和企業(yè)發(fā)展新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新標準對高素質(zhì)應用型人才的需求［5］。本文通過改革“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，并付諸實踐，以進一步推動“焊接綜合實驗”課程教學改革。

二、“焊接綜合實驗”課程教學改革與實踐

（一）實驗教學條件的改善

為培養(yǎng)適應新時代產(chǎn)業(yè)需求的人才，為學生焊接綜合實驗的創(chuàng)新性開展提供硬件保障。2021年年初，西安石油大學材料科學與工程學院利用金屬材料工程創(chuàng)新實驗平臺資金購置了MIG/MAG焊、CO2焊和TIG焊機器人焊接設(shè)備，并且將設(shè)備安裝在一間80平方米的實驗室，配置了除塵設(shè)備等。同年，筆者在科研工作中與某企業(yè)合作研制的自動化焊接小車也可用于本科生焊接綜合實驗教學，教學硬件條件得到有效改善。

此外，近三年，學院分批共派出3名教師參加了國際焊接工程師培訓和1名教師參加國際焊接技士培訓，分別取得了國際焊接工程師資格證書和國際焊接技士證書。2022年年初，學院聘請企業(yè)富有經(jīng)驗的工程師對所從事實驗教學的教師和輔助教師完成實驗任務的專業(yè)學位研究生進行了機器人和自動焊接小車焊接技能培訓。教師的培訓注重焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)、焊接缺陷形成原因分析以及焊縫成形的優(yōu)化等；研究生的培訓注重編程、操作技能和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等。研究生接受編程和自動化操作技能較快，創(chuàng)新意識強烈，為輔助教師完成實驗教學任務有較好的助力作用。教師教學素養(yǎng)和研究生實踐技能的提升將使得“焊接綜合實驗”課程教學改革質(zhì)量得到有效保障。

（二）實驗教學手段的改革

首先，通過改革“焊接綜合實驗”課程以手工焊接為主的實驗教學手段，轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰詣踊附訛橹鳌Ｊ止ず附訉W生的基本操作技能要求較高，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、學生不易掌握，學習興趣不高。而自動化焊接則不同，操作靈活、方便，焊接質(zhì)量和效率高，學生易于掌握，學習熱情高。其次，自動化焊接能充分體現(xiàn)以學生為中心的教學思想，讓學生能自主選擇，變被動為主動，達到在實踐中學習，在實踐中創(chuàng)造的效果。再次，學生利用自動化焊接設(shè)備實踐過程中，注意力主要集中在焊接結(jié)構(gòu)工藝規(guī)程的制定和科學研究上，而不像手工焊接，注意力主要集中在焊一條焊縫上。同時，學生在進行自動化焊接時，可隨時發(fā)現(xiàn)焊接工藝設(shè)計中存在的問題，發(fā)現(xiàn)問題后，能自主對工藝設(shè)計方案進行修正和完善。在“設(shè)計—制作”的修正環(huán)節(jié)中，學生具有新鮮感，而且能運用所學知識探究工程應用中的科學內(nèi)涵。

通過實驗教學手段的改革，一方面實現(xiàn)了以教師為中心向?qū)W生為中心的轉(zhuǎn)變。使學生的自主實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維得到了鍛煉，學生反饋良好，教學效果顯著。另一方面也解決了焊接操作技能教師短缺的問題。

（三）實驗教學內(nèi)容和方法的改革

自2022年，學院實驗教學中心將機器人和焊接小車自動化焊接納入焊接綜合實驗樣件制備教學內(nèi)容后，對原有綜合實驗教學目標、實施方案和項目內(nèi)容進行了修訂和更新，更新后的綜合實驗項目內(nèi)容如下表所示。這些項目實踐性較強，注重工程應用和學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)［6］，學生學習興趣和熱情濃厚。另外，利用專業(yè)學位研究生培養(yǎng)方案中需進行專業(yè)實踐學習的要求，前期對專業(yè)學位研究生進行了機器人和自動焊接小車的焊接操作技能培訓，目的讓研究生輔助教師參與本科生實踐教學，指導本科生熟練掌握機器人和自動焊接小車焊接，圖1為研究生參與本科生焊接實踐教學所用機器人。這既對研究生的專業(yè)實踐能力是一個很好的鍛煉，又能使本科生較快掌握設(shè)備的操作技能，并獨立完成樣件制備。通過研究生輔助實踐教學，教師將注意力主要集中在指導學生進行焊接工藝優(yōu)化、焊接缺陷分析和解決實際問題等方面。研究生輔助實驗教學，創(chuàng)新性的教學改革破解了本科生由于問題簡單，礙于面子不敢問老師的難題，使得教學效率顯著提高。

（四）實驗教材的編寫

教材建設(shè)是深化教學改革、提高教學質(zhì)量的重要保證。對于“焊接綜合實驗”課程教材較少，內(nèi)容陳舊，與先進自動化焊接設(shè)備與焊接方法未涉及等問題。學院以“石油教材出版基金”資助項目為契機，鼓勵實驗室教師自編教材或與企業(yè)合作編寫教材，并申報立項。最終，實驗教學中心教師和以自動化焊接為主業(yè)的某企業(yè)合作編寫了《焊接綜合實驗》教材，企業(yè)提供了大量關(guān)于機器人等自動化焊接設(shè)備的硬件和軟件資料，比如設(shè)備的硬件組成、圖例、輔助工具、控制系統(tǒng)與焊機和回轉(zhuǎn)工作臺等設(shè)備之間的通信電路、安全使用規(guī)程、焊接案例及標準等資料。編寫的教材具有實踐性和前瞻性，與企業(yè)一線生產(chǎn)實際需求相結(jié)合，而且教材不僅注重內(nèi)容和體系的改革，還注重方法和手段的改革。校企合作編寫的實踐性教材具有以下顯著特點和優(yōu)勢：（1）教材內(nèi)容與企業(yè)的需求和行業(yè)標準貼合，使學生所學知識和技能與實際工作緊密相關(guān)，提高了就業(yè)競爭力；（2）教師和企業(yè)專家共同編寫教材，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結(jié)合；（3）根據(jù)企業(yè)的需求和技術(shù)發(fā)展可實時更新教材，能使學生跟上時代的步伐。2023年，該教材初稿經(jīng)學院審核通過，并進行了試用，教學效果良好。

（五）焊接綜合實驗教學改革取得的階段性實踐成效

自2022年以來，教師指導焊接技術(shù)與工程專業(yè)學生利用自動化焊接技術(shù)獨立完成技能競賽作品3件，參與師生達30余人次。圖2是學生獨立完成的全國大學生焊接創(chuàng)新大賽作品。據(jù)統(tǒng)計，學生利用自動化焊接技術(shù)完成優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計論文3篇，獲得全國大學生焊接創(chuàng)新大賽二等獎2項，三等獎1項。通過畢業(yè)設(shè)計論文和科技競賽的鍛煉，學生的自主實踐能力、探究能力、創(chuàng)新實踐能力和團隊協(xié)作能力得到顯著提升，從而增強了其綜合素質(zhì)。對2023年焊接綜合實驗教學改革的第一屆焊接技術(shù)與工程專業(yè)畢業(yè)的學生跟蹤調(diào)查，調(diào)查了6家企業(yè)、10名畢業(yè)生。企業(yè)用人單位普遍反映我們的學生獨立完成工程實踐的能力較強，并且受到用人單位的青睞。

結(jié)語

為滿足新經(jīng)濟發(fā)展對人才支撐的需求及新工科建設(shè)背景下創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標，焊接技術(shù)與工程專業(yè)的“焊接綜合實驗”課程建設(shè)勢在必行。本文分析了“焊接綜合實驗”課程教學中存在的問題，對實驗教學條件、教學手段、教學內(nèi)容和方法、教材編寫等方面進行了改革，實現(xiàn)了“焊接綜合實驗”教學以教師為中心向?qū)W生為中心的轉(zhuǎn)變，解決了焊接操作技能教師短缺的問題。研究生參與實驗教學和校企合作編寫教材，使得教學效率和教學效果顯著提高。自動化焊接教學手段的引入，使得培養(yǎng)的學生自主實踐能力和創(chuàng)新實踐能力顯著增強，并得到企業(yè)用人單位的青睞。今后，在鞏固焊接綜合實驗教學改革成果的基礎(chǔ)上，我們將不斷總結(jié)和完善，為培養(yǎng)出更多社會需要的優(yōu)秀焊接技術(shù)新型人才做出貢獻。

參考文獻：

［1］吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動適應和引領(lǐng)新經(jīng)濟［J］.高等工程教育研究，2017（01）：19.

［2］李博川，鄭靜.新工科背景下工程中的數(shù)值方法課程教學改革［J］.高教學刊，2024，10（09）：127130.

［3］新工科建設(shè)指南（“北京指南”）［J］.高等工程教育研究，2017（04）：2021.

［4］張德芬，陳孝文，黃本生，等.基于工程素質(zhì)培養(yǎng)的焊接綜合實驗教學體系研究與實踐［J］.科學咨詢（科技·管理），2021（11）：102104.

［5］孔曉紅，王超，寧欣.“新工科+工程教育專業(yè)認證”背景下基于產(chǎn)教融合的機電類專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2024（05）：151153.

［6］鄭春雷，閆志剛，王玉輝，等.基于CDIO模式的焊接專業(yè)綜合實驗的改革與探索［J］.教學研究，2016，39（04）：109112.

基金項目：西安石油大學教育教學改革研究項目“新工科背景下基于IWE實訓的焊接綜合實驗課程教學改革與實踐”（JGYB202310）；西安石油大學教育教學改革研究項目“《焊接檢驗與質(zhì)量控制》課程思政建設(shè)方法和途徑研究”（JGQZ202308）；西安石油大學教育教學改革研究項目“雙碳”背景下“四驅(qū)一引”深化傳統(tǒng)專業(yè)產(chǎn)教協(xié)同育人（JGZD202308）

作者簡介：王洪鐸（1976—"），男，漢族，陜西寶雞人，博士研究生，高級實驗師，碩士生導師，主要從事先進金屬材料熔化焊、攪拌摩擦焊及電弧增材制造技術(shù)的研究。