教学、生产、科研一体化本科教学模式研究

刘崇宇 杨霞

摘 要：本研究通过对桂林理工大学材料科学与工程学院金属专业本科生的校外生产实习进行改革，探索出新型教学、生产、科研一体化本科教学模式。通过该模式，学生不但巩固了课堂知识，而且能够做到学以致用，这一方面激发了学生探索新知识的动力，另一方面为本科生毕业后的就业及继续从事科研工作打下良好的基础。

关键词：教学;生产;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 绪论

改革开放的30年时间里，我国的高等院校为国家培养了一大批科学、工程以及技术人才[1-6]。在各类科技人才的带动下，我国无论科学技术还是工业化水平均得到了飞速发展[7]。

然而，我国的高等教育还表现出一系列的问题。例如，多数非985、211以及双一流高校的学生普遍存在学习动力不足，这不但影响了大学生对专业知识的掌握，而且极大地降低了学生的就业竞争力。因此，如何提高大学生，特别是普通高校学生的学习积极性亟待解决。

经过分析，大学生学习积极性不足主要有以下几个原因：（1）学习无用论盛行。很多学生并不清楚本专业发展历史、前沿科技以及就业前景，以金属专业本科生为例，学生很难将课堂上教授的相变、析出、固溶、再结晶等书本里的理论知识点与实际的金属材料生产、加工及应用相结合。这样，很多学生认为大学所教授的知识将来无用武之地，以后用到再学业完全来得及。因此，教学无用论在大学课堂上较为流行，这极大地影响了学生的学习动力;（2）专业教师引导不足。在目前的体制下，高校很难对教师的教学进行公平、有效、合理的定量考核。而教师的评职、绩效等更多地依靠学术论文、科研项目、指导学生竞赛等方便定量化的科研或者教学工作。这样很多教师并不愿意把过多的时间用在课堂教学上，这直接导致了专业教师的教学动力与对本科生学习引导的不足;（3）客观条件不足。虽然近年来，国家对高校的资金投入越来越多，但是，普通非985、211以及双一流高校的实验基础设备仍严重欠缺，学生课堂上更多的是“填鸭式”地学习理论知识，无法亲自动手操作甚至认识各类实验设备。例如，材料成形课程中所教授的加工方法均需要较大的浇注、焊接、轧制、挤压等专业设备，而普通高校很难有场地及资金购置这些设备，这无疑进一步弱化了学生对本专业的兴趣。

因此，本研究以桂林理工大学，金属专业学生为对象，在第六至第七学期之间的暑假校外生产实习环节进行教学、生产、科研一体化本科教学模式探索的研究。以期解决普通高等院校的上述问题。

2 教学改革方法

第六学期期末，教授桂林理工大学材料成形课程的教师对金属专业的全体选课大三本科生进行暑假的生产实习动员，最终有23人自愿报名参加为期一个假期（2个月）的生产实习活动。生产实习地点为广西壮族自治区平果县某生产铝合金导线的工厂。生产实习期间，给本科生布置如下任务：

（1）跟随工厂师傅，进行一线生产，主要分配到熔炼车间、拉拔成型车间、产品检测车间三个部门;

（2）积极发现并研究企业生产、产品检测、过程管理等各环节所存在的问题，并在实习期结束前一周形成纸质调研报告;

（3）针对所发现的问题提出改进方法并提供相关的理论依据;

（4）进入大四选择毕业设计课题时，鼓励参加生产实习的学生采用企业所提供的材料进行进一步的科学研究，对自己所生产的产品进行深入了解，最终完成毕业设计，并撰写毕业论文。

进行上述工作，可以使学生对本专业有更加全面、清晰的认识。将课本上所学到的知识点与生产实际相结合。例如，“材料科学基础”课程中讲授变形态金属材料在热处理过程中发生了回复、再结晶、晶粒异常长大、位错湮灭及重新排列等一系列行为，无疑，这对于未参加生产实践或实验室实验的本科生而言非常抽象，学生很难将上述行为与科学研究或实际生产加工相结合。而在企业实习期间，学生发现5系铝合金在塑性变形后，要进行一次短时间的高温退火才能进入下个阶段的塑性变形。通过这一簡单的生产过程，可以给学生讲解，高温退火的目的是为了使变形后的铝合金在高温作用下位错密度发生一定程度的湮灭及重新排列，最后达到减少的目的。同时高温还能促进变形晶粒发生再结晶，使其由伸长率较低的纤维状转化为伸长率较高的等轴状。在位错密度减少与基金晶粒发生再结晶的双重作用下，金属的强度必然降低，塑性必然增加。这为下个道次的变形做好了准备，能够确保下一道次的塑性变形不发生材料的断裂与失效，保证成品率。通过上述实习以及讲解，学生便对热处理过程中位错、晶粒的变化，以及上述变化对材料力学性能影响有了更加深刻的认识，也会更好地将“材料科学基础”课本知识与生产实际进行了结合。

再如，在“材料成形工艺学”课程中教师给学生讲授的非均质形核也比较抽象，学生难以理解。而在生产实习过程中，学生发现在5系铝合金熔铸过程中，工人向合金液中加入一定量的Cr元素，而Cr在铝中溶解度较低且无法与Al基体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既无法起到第二相强化也无法起到固溶强化作用。这样便可以给学生讲解Cr在铝液中的作用，主要是形成高温难熔化合物相，该相的熔点高于铝合金基体的熔点，因此，优先于铝合金基体发生凝固。这样含Cr的领先相可为铝合金基体晶粒的形核提供基底，进而促进铝合金基体晶粒在多个形核点上发生形核（非均匀形核），而每个晶粒的生长空间又极为有限，最终达到细化铝合金基体晶粒的目的。同时，也可以向学生们讲解熔铸过程中促进非均匀形核的目的，非均匀形核就是为了细化晶粒，而细化铝合金晶粒可同时优化合金强度、塑性、耐疲劳、耐腐蚀等一系列力学性能，同时晶粒细化还可以减少偏析及夹渣，减轻凝固过程中的热裂倾向，最终提高铸造的成功率。通过上诉讲解与实践，学生便将非均质形核这一知识点与生产实际进行了很好结合。因此，学生通过亲自动手操作，更加深入地了解了金属材料的知识点，并将所学知识与生产实际进行了较好的结合，这为今后的继续甚至和就业打下良好基础。

另外，一线生产的环境的确不尽如人意，工作还实行倒班制，在学校过习惯了安逸生活的大学生在工作初期非常不适应，但23位本科生均坚持到实习期结束，通过一个暑假的实习，还培养了学生的吃苦耐劳的精神，并且让学生更早地认识和适应未来的工作。同时让学生了解现实中的工作环境，可以激发部分学生的考研热情，使学生有更加明确的考研动力及目标。

学生在发现问题的过程中，可以培养学生工作过程中的思考问题、解决问题能力，另外，运用课堂理论知识，提出工厂生产过程中相关不足点的解决办法，理论指导实践，带动学生对学习本专业的兴趣，提高学生的自信心。例如，有学生发现部分批次的产品在拉拔过程中，经常发生断裂。引导学生对拉拔前的工艺进行了系统的回顾，最终发现这些批次的合金在前期的加工生产过程中有如下问题：

（1）熔铸的时候加入过多的三级和四级废料，而三级以下废料由于其过高的比表面积，会带入更多的非金属夹渣物，如果非金属夹杂物未能及时清理干净则会滞留在金属中，形成夹渣，最终破坏金属的连续性，进而恶化材料的塑性，因此，合金在拉拔过程中容易出现断裂行为;（2）合金液内通入氮气时间较短，氮气泡在上浮过程中因其内部较小的氢气压，可较好地对金属进行吸气及除渣处理、而通入氮气时间较短导致了合金液内大量氢气和非金属夹杂物无法及时排除，因此合金铸造成形后内部有一定数量的气孔和夹杂物，这也导致了合金在拉拔过程中的断裂;

（3）部分操作工人为对炉料进行充分破碎就匆忙投料，这样在相同的熔炼时间里，大块炉料必然会导致合金的成分不均匀，出现更加严重的偏析现象，尺寸部分含Cr的孕育剂未能起到充分促进非均匀形核的目的，因此，所获得的铸件晶粒尺寸过大，并导致材料在后期拉拔过程中更容易发生断裂;

（4）部分拉拔设备未充分润滑过程中进行拉拔生产，不同于挤压，拉拔过程中材料经受了更多的拉应力，而拉应力更容易使材料发生断裂。加润滑剂对模具进行润滑是一个很好地降低拉应力的方式，因此，需要对设备进行充分润滑;

（5）每个拉拔道次之间的退火时间不够长，正如前文所述，道次间退火是为了充分软化材料，以便后期的塑性加工。而退火时间短会造成部分位错未发生湮灭，部分纤维状变形晶粒在材料内部得以保留，因此，材料并未发生充分软化，存在一定的内应力，这无疑提高了材料的塑性变形难度，增加了材料失效的风险，降低了产品的成材率。

学生发现上述问题后，建议企业方及时修改后续的生产工艺。最终企业在学生的协助下，通过计算，调整并优化了原铝锭与废料、废料各级别间的比例，根据成本与性能确定了最优的各炉料比例;适当增加了通气时间，进行了充分的除气除渣处理;向一线员工说明了炉料尺寸与产品质量的关系，建议对炉料进行充分破碎，以免材料发生成分偏析与孕育不足;对材料模具进行充分的润滑，降低材料的剪切应力，保证拉拔过程的顺利进行;适当提高每个道次间的退火时间，保证材料在进行下一道次拉拔前发生充分软化。工艺改进后，铝材的拉拔性能得到大幅提高，断裂现象得到明显改进。再如，学生发现拉拔各道次间样品的高温退火温度过高，这样不利于企业控制生产成本。学生对铝材进行和不同温度及不同时间的退火实验，绘制了各温度条件下的退火软化曲线，进而找到了不同直径铝合金线材的最优退火工艺，这样在不影响下一道次顺利拉拔的同时，还极大地减少企业能耗，降低产品生产成本。因此，学生在通过上述发现并且解决问题的过程中，专业业务水平得到大幅提高，这一方面提高学生的自信心，另一方面也极大地提升学生毕业后的就业竞争力。

经过一个暑假的实习，学生马上进入大四的毕业设计环节。在这一过程中，教师鼓励学生采用生产实习时所用的材料进行深一步的研究。例如，对比不同气体以及气体含量对合金铸锭气孔率、杂质偏析的影响，确定最佳的除气工艺。对比不同拉拔道次材料的微观结构及显微硬度，探索变形量对合金微观结构与力学性能的影响，确定最佳变形量与变形工艺参数;对比退火热处理前后材料的微观结构及显微硬度，探索热处理工艺参数对铝合金微观结构及力学性能的影响;对比单道次拉拔前后合金微观结构和显微硬度，探索变形量、变形方式、变形温度等变形工艺参数对合金微观结构及力学性能的影响等等。通过上述实验，学生更加清楚了金属材料的微观结构与力学性能之间的对应关系。同时，也强化学生分析材料的强化机制、再结晶理论、析出相演化过程、液态金属形核过程的能力，进一步培养学生的科学素养，提高学生对金属专业的兴趣，同时也为读研学生的今后研究工作打下基础。

在该生产实践过程中，带队老师多达8人，并且轮流带队，这样该实习并未过多地牺牲老师的时间。通过该生产实践，高校与企业的联系更加紧密，这进一步促进了地区的“产—学—研”发展。实习也拓展了专任教师的知识面，增加了教师的知识储备。使得教师在今后的课堂授课过程中能够更好地将课本知识点与企业生产相结合，提高学生的学习兴趣，丰富课堂的授课内容。

最终本次参加暑期实习的23名同学中，有3人顺利考取硕士研究生，18人毕业后进入金属加工企业工作，其中5人在实习企业的推荐下进入本地区最大的铝加工企业。毕业1年后，大部分学生成为企业生产岗位的技术骨干。因此，此次的生产实习改革获得较大的成功。

3 结语

利用本科生产实习环节，在校外金属加工企业进行为期长达2个月的生产实习，并进行教学、生产、科研一体化的本科教学模式探索，这改善了教学效果，培养了学生的专业兴趣，提高了学生的操作能力，强化了学生的科研素养。

参考文献：

[1]刘崇宇，李義兵.科研及教学一体化培养模式研究[J].广东化工，2018，45（10）：253.

[2]何雁.新世纪大学英语教学改革的回顾与前景展望[J].中国电力教育，2009（7）：206-208.

[3]王冰，齐锦刚，刘伟东.材料制备技术课程教学改革探讨[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，12（4）：131-132.

[4]高建华.培养创新型人才的“材料制备科学与技术”课程教学内容与教学方法研究[J].科技文汇，2017，403：59-60.

[5]李义兵，喻亮，罗鲲.《有色金属冶金学》课程教学改革[J].科技视界，2015，26：24.

作者简介：刘崇宇（1984— ），男，汉族，辽宁营口人，博士，副教授，研究方向：金属塑性加工。