软件工程技术在《金属材料工程专业综合实验技术》教学改革中的应用

陈大志，崔国栋，蒋小松，张程菘，曹宝宝

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031）

新材料作为国民经济的先导性产业和高端制造及国防工业发展等的关键保障，是各国战略竞争的焦点[1]。根据《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》及《新材料产业发展指南》，新材料产业总体分为先进基础材料、 关键战略材料和前沿新材料3 个重点方向。2017年12月，教育部出台了双一流高校的建设名单，在140 所入围高校名单中，材料科学与工程专业是所有一流学科中入选次数最多的学科。在材料科学与工程专业实施国家级一流专业建设中，以提高学生研究能力、 综合素质和社会竞争力为目标，加强实践教学环节，努力培养基础扎实、动手能力强、综合素质高的创新性人才。

《金属材料工程专业综合实验技术》是材料科学与工程专业的基础课程，是一个理论与工程实践并重且涉及知识面较广的工程应用型课程，旨在培养具有较强实践能力的综合素质人才。该门课程的教学改革，对培养高素质、应用型材料科学与工程专业工程师至关重要。当前，《金属材料工程专业综合实验技术》课程的改革多侧重于课程内容本身，如调整教学目标、修订完善教学大纲、优化实验教学内容、创新教学方法、制定合理考核机制等[2-3]，很少在教学形式上给予考虑。软件工程是一门研究有效的、实用的和高质量软件的学科，各个行业几乎都有计算机软件的应用，该文拟将软件工程技术运用到《金属材料工程专业综合实验技术》教学改革中，浅析其应用价值与产生效果。

1 《金属材料工程专业综合实验技术》课程改革的意义

1.1 促进新材料的开发

材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业[4]。根据《新材料产业“十三五”发展规划》，未来的新材料发展重点在特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料以及前沿新材料等方面，在这6 个领域中，金属材料占据了两个位置，分别为具有独特声、电、光、热、磁等性能的特种金属材料以及具有更高强度、韧性和耐高温、 抗腐蚀等性能的高端金属结构材料。《金属材料工程专业综合实验技术》是一门应用型课程，培养学生的创新意识，通过该门课程的改革，能够让学生更加具有独立思考解决问题的能力，更加具有综合分析的能力，更加具有创新意识，为将来走向科研岗位开发新型金属材料奠定坚实的基础。

1.2 促进材料科学与工程专业的发展

金属材料工程是材料科学与工程专业的一个重要方向，《金属材料工程专业综合实验技术》 是金属材料工程方向的一门专业课。金属材料工程是一门实用性很强的专业，对金属材料制备工艺及其原理深入探索后，研究成果可以直接应用于现实生产、生活中。同时，金属材料工程也是一门集应用、实践、理论为一体的学科。《金属材料综合实验技术》课程是一个理论与工程实践并重且涉及知识面较广的工程应用型课程，在教学过程中，学生需要根据所学理论知识，独立设计综合实验方案，并根据实验结果调整淬火温度、回火温度、淬火时间、回火时间、冷却时间等参数，用理论指导实践，再用实践修正理论，完全将理论与实践有机结合起来。该门课程的教学改革对促进金属材料工程方向的探究，以及材料科学与工程专业的发展至关重要。

1.3 促进卓越工程师的培养

“卓越工程师教育培养计划”是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010～2020年）》的重大改革项目[5-6]。旨在培养造就一大批创新能力强、 适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。就目前的形势来看，在校本科生乃至毕业生距离企业对员工具有丰富的生产安全、项目管理、产品质量、设备的操作与维修经验方面的要求相差甚远，所以大部分毕业生到企业工作后，都要经历一个磨合期，短则几个月，长则几年，这无形中提高了企业培养成本，不利于企业效益的提升[7]。鉴于此，我们必须在校内开展能够增加学生工程实践经验的教学活动，而《金属材料综合实验技术》就是一门很好的课程，通过对该门课程的有效设计与实施，可以培养学生的工程意识，达到企业实践的部分效果，促进卓越工程师的培养。

2 《金属材料工程专业综合实验技术》课程教学现状与存在问题

西南交通大学材料科学与工程学院的《金属材料工程专业综合实验技术》 课程是在学生做毕业论文（设计）之前开设的，综合了材料多种分析测试原理和方法相关的知识，向学生讲授常用的宏观、微观分析测试原理、方法及在材料分析过程中的应用。旨在培养学生的4 种能力：（1）基本能力：熟悉材料宏观分析，金属材料微观分析，失效与失效分析，金相试样的制备，普通热处理工艺、性能及组织分析和表面处理技术；（2）分析能力：在牢固掌握基本实验技术的原理前提下，对如何控制具体材料的宏微观分析、性能检测有较强的分析能力；（3）实践能力：理解工程材料的成分、工艺、组织与性能之间的关系，掌握材料的选择、制定工艺、宏微观分析、性能检测的基本方法与手段；（4）自学能力：具有自学各种具体材料科学与工程教学参考书的能力。使得学生学会撰写综合实验报告和课题研究的提纲，为即将开展的毕业论文（设计）奠定基础。

在教学方面，首先向学生传授金属材料基础理论知识，之后再开展综合实验，实验前、中、后都有实验教师专门指导，以保障学生在安全、有序的条件下顺利完成实验任务。在目前的教学过程中主要存在如下的几个问题。

（1）学生参与度低。一般同时参与上课的学生人数在30～90 人，而金相显微镜、加热炉等无法保证每人一台，尤其是加热炉，全校用于教学的也只有几台而已，所以学生们会被分成几组，5～8 人一组。这样一来，在实验过程中，往往只有几个同学进行实际操作，大部分学生都处于观望的状态，对实验过程与结果掌握有限。

（2）实验方案设计不合理。学生接受的理论知识在前，实验教学在后，学生往往在综合实验方案设计环节摸不着头脑，胡乱设计，存在不合理、不精简等情况，导致实验反复做，既耽误时间又浪费实验耗材，同时学生的综合分析能力也得不到有效提升。

（3）实验安全难以保障。实验安全问题一直是学校关注的重点问题，实验过程与知识的掌握对学生而言固然重要，但这些务必在安全的实验环境下开展方可，牺牲安全的情况下进行实验教学是非常不可取的。金属材料综合实验需要用到高温炉，淬火和回火的过程中都涉及把高温样品放入水或油中冷却处理等操作，稍有不慎就会产生安全问题。按照现在的教学模式，学生对实验内容、步骤、注意事项等掌握不扎实，极易产生安全问题。

（4）学生综合能力培养有限。金属材料工程专业综合实验主要针对低碳钢、中碳钢、高碳钢，根据应用实例选择最适宜的材料，制定合理的热处理工艺，通过宏微观分析、性能检测等基本方法与手段，理解特定热处理工艺下的微观组织形态与材料最终性能之间的关系。然而，由于实验时间有限，耗材不足，在实验过程中往往只能提供1～2 种金属材料供学生演练，学生虽然能掌握宏微观分析、性能检测等基本方法，但无法深入理解材料内的化学成分与组织、性能之间的关系，导致学生综合能力培养有限。

3 软件工程技术在《金属材料工程专业综合实验技术》课程改革中的应用

在《金属材料综合实验技术》课程理论教学与实验教学中间设置集理论知识掌握、实验操作模拟、综合实验设计等为一体的模拟仿真操作，提高理论教学与实验教学的结合度，加强综合能力训练，具体设计与实现（见图1）方式如下。

（1）系统登录。设置用户名和密码框，与学校统一通讯平台对接，在校学生和教师都可以登录系统，学生需要输入学号与教务密码，教师需要输入201300+工资号，密码为身份证号后六位。学生登录系统可以进行实验操作，教师登录系统可以进行成绩查询，另设管理员账户对系统进行后台管理。

（2）温馨提示。提示学生：①答题与操作时间为40 分钟；②允许3 次选错答案，第四次再选错答案，将自动终止答题，系统自动退出，成绩为0，且不允许实际操作；③每选错一次答案，扣除10 分；④点击“开始答题”按钮后，答题开始，并开始计时。

（3）实验内容。综合实验分为三类：常规热处理综合实验、特种热处理综合实验、表面热处理综合实验。

常规热处理综合实验零部件为螺栓与轴、 弹簧和弹条、机加工工具和刀具，根据各个零部件的技术要求 进 行 选 材 （Q235、T10、45 钢、20 钢、15CrMo、60Si2Mn 等），接下来的工艺分别为：热处理工艺选择—淬火加热温度—淬火加热时间—冷却介质-硬度测试—回火温度—回火加热时间—回火冷却介质—硬度测试—微观组织观察—观看常规热处理实验操作录像—操作规范。

特种热处理综合实验零部件为汽车曲轴、 矿石破碎机的鄂板，根据各个零部件的技术要求进行选材（球墨铸铁、可锻铸铁、55Si2MnMoV 钢、15CrMo、20 钢等），接下来的工艺分别为：热处理工艺选择—淬火加热温度—淬火加热时间—等温温度—等温介质—等温保温时间—硬度测试—微观组织观察—观看特种热处理实验操作录像—操作规范。

图1 金属材料工程专业综合实验模拟系统部分界面

表面热处理综合实验零部件为低碳钢板冲压件、 齿轮，根据各个零部件的技术要求进行选材（16Mn、20CrNiMo、GCr15、15CrMo、60Si2Mn 等），接下来的工艺分别为：热处理工艺选择—加热温度（多元共渗/渗碳）—加热时间—冷却方式—表面处理方式/淬火温度—烘干工艺/淬火保温时间—冷却方式—腐蚀试验/低温回火时间—渗层深度测试—硬度测试—微观组织观察—观看表面热处理综合实验操作录像-操作规范。

（4）模拟结束。所有的热处理综合实验工艺/操作完成后，自动生成热处理综合实验个性化设计窗口，学生设计完实验后，点击“模拟结束”按钮，界面上显示学号和成绩，弹出个性化设计文件供拍照留存，同时学生成绩与实验设计保存在后台数据库供教师查阅。

（5）功能实现。计时器功能、提示错误功能、自动生成成绩功能、自动生成个性化设计文档功能、三维动画模拟操作功能。

4 结语

近两年来，通过上述改革我们收获了实质性的成果，在一定程度上解决了由于实验设备有限、学生人数较多、理论与实验脱节而产生的学生参与度低、实验安全难以保障、实验方案设计不合理、学生综合能力培养有限等问题，提升了学生主动思考的能力和综合分析能力。接下来，我们准备将研究成果与成功经验推广到其他同类型的专业综合实验中，为材料科学与工程专业双一流建设保驾护航，进而为国家新材料工程贡献力量。