新工科人才培养模式下超声检测实验教学改革与实践

魏 勤， 万 佳， 汪海宾， 李晓喜

（江苏科技大学理学院，江苏 镇江 212003）

0 引 言

随着社会和科技的进步，新技术、新产业与新材料不断迅猛发展，对各种技术人才提出了更高的要求。新工科背景下的工程技术人才要求在具备丰富知识和实践动手能力的同时，还应当具有创新意识和创造能力。目前，不断推进实施的国家产业发展战略导致现有的人才培养模式已经逐步不能满足产业和技术发展的需求。因此，高等学校在此背景下的人才培养需要结合新型产业特点和自身专业特色构建以工程创新实践能力培养为核心的培养模式［1-3］。

超声检测技术作为常规无损检测技术中一项重要的检测技术，在航空、造船、建筑等行业中都有重要的应用。从原材料的选取，到生产过程中产品的质量监测和产品在役使用中的检查维护，无损检测技术都能提供有力的技术保障。无损检测技术人员尤其是超声检测人员一直是各行各业的紧缺人才。2020 年度的新冠疫情影响了高校相关专业学生的实验教学以及认证机构对工程检测人员的资质培训，加剧了无损检测工程技术人员的紧缺状态。国家人社部中国就业培训技术指导中心对城市公共就业服务机构进行监测，收集汇总2020 年前三季度人力资源市场供求关系较为紧张的招聘、求职需求职业岗位信息［4-6］，与无损检测技术相关的职业有质检员、工程机械维修工和产品质量检验工程技术人员，其中质检员职业在第一、二、三季度全国招聘求职100 个短缺职业排行中相关质检员的排名依次为17、20、和27 位，这也说明了社会对无损检测工程技术人才需求的紧缺程度。

长期以来，无损检测工程技术人员通常由两种渠道接受相关的训练：高等院校相关专业的学习和认证机构的资质培训。检测人员需要掌握检测的基础理论和实践操作的技能，并通过相关的考核获得行业认可的资质证书。在此过程中，高校往往注重检测基础理论的学习，而认证机构更关注实践操作的训练和检测标准规范的实施。同时，在教学和培训过程中，往往会出现以通过相关的资质认证考核为导向，检测的材料种类单一，工件的形状固定，缺乏引入检测行业内部新技术，大大限制了学生探索性和创新性等综合实践能力的培养。新工科人才培养模式要求高校依据工程技术人才所必须具备的知识能力及素质要求，采用启发式和任务驱动式教学方式，不断提高学生的实践能力和工程创新能力［7-8］。如何针对目前无损检测人员教学与培训中存在的问题以及结合当前新工科对学生综合能力素质的新要求，为了培养具备扎实理论基础和突出综合能力的相关检测人员，围绕超声检测的实验理论和实践教学课程，从理论基础教学模式，实验教学方法和教学效果评价3 个方面对超声检测课程教学进行了改革与实践。

1 超声检测实验理论基础教学模式

超声检测的物理基础是声波在弹性介质中传播时根据波的反射、透射和折射等现象以及依据声速，衰减等参数对材料性能和结构质量进行检测。因此该课程的理论基础涉及材料性能及加工、振动与波动及波的传播特性等。目前对检测基础理论的讲解多是通过课堂按计划在固定时间段进行讲授，学生的自主学习等综合能力没有得到很好的锻炼。因此在基础理论教学实践中，从教学内容、教学方法、实践创新能力培养等方面做了针对性的改进和探索。

（1）在教学内容上，将基础理论、工程应用和课程思政紧密结合。将教学内容从课本知识拓展至更贴近工程场景中所需要的材料、工艺等方面的内容，并加强课程思政的内容融合。比如金属材料性能及加工的讲授要与工程材料紧密结合，着重介绍钢、铝合金、碳纤维增强复合材料等常见材料的模量、强度等力学性能，结合实例不仅让学生对这些材料有直观的认识，而且掌握使用这些材料的优势。在讲解金属的加工工艺时则根据生活中常见金属结构（板、棒和管等）讲解加工工艺，结合焊接工艺分析在加工过程中易产生的缺陷，分析这些缺陷产生的危害。此外，无损检测专业培养的是质量检验方面的专业工程人才，除了需要具有较高的专业技术水平，还需要具有客观正直的个人品德，以及严谨细致、精益求精的“工匠”精神，能够在社会主义核心价值观的指引下追求全面发展，因此相关的思政内容也融合进各个章节的理论教学中。

（2）在实验理论教学方面，运用横向、纵向对比教学法加深对物理概念的理解。与其他无损检测方法相比，超声检测的基础理论中概念多且有难度。在教学中不断改进教学方法可加深学生对相关概论的理解，为实践应用打下良好的基础。在理论讲授过程中用对比的方法来突出不同知识点间的差异，加深学生对相关概念的理解。在讲解振动与波动时，通过横向对比，突出振动是描述空间一个质点偏离平衡位置的情况，而波动则是描述空间一系列质点在某一个时刻偏离各自平衡位置的振动情况。当讲授到声压和声强概念时，使用纵向对比，突出声压是一个力学量，描述空间声压相对于静止压强的附加压强，而声强则是描述波在传播过程中介质由于振动而获得的能量。在讲解波在界面处的垂直入射和斜入射行为时，将两者进行横向对比，垂直入射重点强调界面两侧介质因声阻抗差异而引起反射波和透射波能量的重新分配；而斜入射行为则重点强调声波斜入射至界面处由于材料声速差异导致波传播方向发生改变。教学过程中通过反复运用这种横向和纵向的知识点对比和归纳总结，帮助学生构建更加清晰的物理概念和物理图像，为后面的工业应用打下良好基础。

（3）在理论教学中布置设计类任务，培养学生的自主思考和创新能力。在理论讲授过程中布置设计性任务给学生完成，这样不仅能够巩固上课所讲的理论知识，而且能够开拓学生视野，培养学生自主思考和创新的能力。随着新技术和新材料的不断涌现，不同行

业的产品质量检测时都会遇到各种各样的技术难题。将这些难题按知识点进行分类并以任务形式布置给学生，不仅可以让学生熟悉工业生产中检测存在的问题，而且能让学生查阅资料充分自主思考，提出自己的见解。教师结合已有的解决方案进行点评，能够归纳总结，不断提高学生的创新能力。在铝合金焊缝超声检测的过程中，缺陷定位必须对材料的横波声速以及探头的折射角进行测定。行业中通用试块材质都为钢，为了方便测量两个参数，需自行设计铝合金试块。教学时将该问题分成两个任务：①设计合金材料横波声速的对比试块；②在对比试块上制作反射体能满足横波的折射角测定要求。图1 所示为参考现有通用钢制试块而设计的铝合金材料船形试块和半圆试块，试块的尺寸可根据检测工件的尺寸和工艺来确定。通过上述方法能让学生紧密结合波在圆柱面上反射规律和折射定律，自主思考和设计相关试块，充分培养和发挥学生的创新能力，解决现场检测中的实际问题。近年来为了服务于国家能源战略和化学品海洋运输，不锈钢特种船的建造逐步成为各造船厂的新产业。在船舶建造过程中，不锈钢焊缝的质量检测是一个技术难点。由于不锈钢焊缝组织晶体粗大且各向异性使其与检测常规钢焊缝的超声技术明显不同。根据ISO-22825（2017）标准规定不锈钢焊缝组织超声检测时须采用双晶纵波聚焦斜探头检测焊缝内部缺陷，而表面缺陷则需用爬波探头进行检测［9］。图2 所示为爬波探头的设计图。在课堂上提出设计适用于不锈钢焊缝检测的爬波探头和不同聚焦深度的双晶纵波聚焦斜探头任务，不仅能够巩固临界角知识，而且能够扩大学生知识面，进一步拓展学生自主思考和创新能力。

图1 铝合金制作的船形试块和半圆试块

图2 爬波探头的设计方案

2 超声检测课程的实验教学方法

高校传统的专业人才培养模式一般以学科为导向，注重专业教育，开设的课程也通常局限在本学科内，缺少跨学科和跨专业的交叉融合。而新工科人才培养应以创新型工程人才作为人才培养的中心，结合国家发展战略服务于新兴技术和新兴产业的发展。在教学中以启发式和任务驱动式的教学模式为主，通过启发式教学，使学生在原有的学业基础上不断拓展学习空间，开阔视野；采用任务驱动式的教学模式，在任务中学习专业知识和积累实践经验，实现理论学习与实践操作紧密结合。超声检测是一门操作实践要求高的课程，要求利用声学在材料中的传播特性对材料的完整性和连续性进行评判。在课程组织实施过程中通过开放选课、自由组队、团队合作、分项任务等方式，激发学生自主学习的欲望和实践热情；同时在课程学时中划出部分学时并结合第二课堂，将生产中工程问题项目化并设置成选做实验，引导学生思维创新，促进课堂知识与实际工程应用相互关联，逐步提高工程实践和创新能力。

（1）实验教学开放运行，任务驱动理论知识学习。

超声检测实验课程以工业生产的产品结构设置实验任务，分为锻件、铸件、管件以及焊缝的检测，学生可通过学校的网上实验选课平台开放选课，自由组队，明确分工。确定要完成的实验后，学生需查阅资料自主学习相关结构的超声检测技术和缺陷定量以及性质判定方法；同时为了完成实验任务，学生可在指定的时间段内到实验室熟悉仪器探头的操作以及测定相关材料参数。在此过程中，教师可面对面地解答学生在自主学习和熟悉仪器过程中遇到的问题，当然也可以通过QQ和微信线上答疑。学生在完成理论准备和掌握设备基本操作的基础上合作完成规定的实验任务并撰写实验报告。通过完成一系列的实验任务，有目的地引导学生自主学习，充分培养学生的工程实践和创新能力，同时团队队友之间相互协作，进一步加强团队精神和集体观念。

（2）依据工程问题设置选做实验项目，提高工程实践和创新能力。在超声检测实验实施的过程中，凝练工程实际问题，积极引导学生思考，找出问题的解决方法并附诸于实施。例如学生在熟练仪器设备操作时要对材料传播声速进行测定，此时可针对各种船舶年度检验时需对各种舱壁和船底板等结构进行测厚［10-11］，引导学生思考超声测厚的相关原理方法，并准备相应的试块让学生用超声双晶探头完成相关实践操作，如图3 所示。在实验课程中向学生强调材料声速（纵波和横波）是重要物理量，它与材料的弹性模量以及泊松比密切相关［12］，也可以用声速测试材料或结构在役使用过程中的载荷应力和残余应力［13］。此外，结合工程中脆性材料（玻璃）无法用力学的静态拉伸法测试弹性模量的问题，可以通过选做实验的形式实现动态超声法评估材料的弹性模量和剪切模量，达到优化产品工艺参数的目的，实验装置如图4 所示。由于课程学时有限，有些工程问题比较复杂，实验花费的时间较多，因此可以在课后第二课堂以实验专题的形式吸引学生加入。通过多层次多渠道的实验任务，让学生的实践训练紧密结合工程实际，在实践中培养学生解决真实问题的能力，鼓励学生提出解决问题的新思路和新方法，不断提高工程实践和创新能力。

图3 超声双晶探头测试工件厚度

图4 超声动态法测试玻璃的弹性模量及泊松比

（3）借助工程软件进行实验仿真，巩固理论知识并指导学生开展参数化研究。超声波在材料中传播时许多规律与光学相似，但由于听不见、看不清的实验现象，学生对声波的反射、折射以及散射规律无直观的印象。通过有限元仿真可以模拟声波与缺陷之间的相互作用，形象地展示声波在缺陷或边界处的反射以及散射等现象，模拟结果可以与实验结果比较印证，使学生对实验理论和过程的理解更加透彻。在教师的指导下学生可以学习和掌握有限元模拟仿真的研究工具，尝试细致和参数化分析声学的相关规律，为后期科学研究分析工程问题打下基础。图5（a）所示为用有限元模拟超声纵波检测锻件内部缺陷，图5（b）所示为用超声横波在焊缝内部检测缺陷的模拟。通过上述环节，大大加深了学生对声学理论的理解，使学生掌握科学研究的方法和手段。

（4）紧跟工程研究热点，促进学研产融合。随着新技术新材料不断发展，相应产品质量检测提出了新的要求。在超声检测实验课程教学过程中，不仅需强化理论基础和实践操作教学体系紧密结合，而且需要注重不同行业的检测标准规范的实施应用。同时，在教学过程中要密切跟踪行业的研究热点，关注行业标准规范的更新，注重企业单位的需求，形成高校与企业结合的立体化培养体系，不断拓展学生视野，促进科研成果逐步向实际生产力转化，实现学研产有机融合［14-15］。在超声检测行业中，非线性超声检测技术是近期研究的热点，该技术对结构中微尺度的损伤有着较高的灵敏度，尤其对金属材料的疲劳损伤有着较高检测灵敏度。非线性超声检测技术可以实现材料疲劳损伤检测和剩余寿命评估工作［16］，如图6 所示。通过在高校与企业间联合建立的培养体系，真正实现面向生产需求的工程创新实践。

图5 用有限元模拟超声波检测工件内部缺陷

图6 非线性超声法评估复合材料的残余寿命

3 超声检测实验课程的教学效果评价体系

超声检测技术是用超声方法检测材料性能和结构质量的技术，并依据标准规范对产品进行验收的方法。超声检测课程传统的教学评价主要是根据学生实验时测试数据质量和提交的实验报告来进行评定。这种教学评价体系无法对新工科培养模式下学生实验的自主参与度、工程实践和创新能力以及团队合作能力进行综合评价。

建立新的课程教学效果评价体系（见图7），对学生自主学习、工程实践、创新能力、测试数据及实验报告和团队协作等方面进行综合评价。在新建立的评价体系中自主学习能力占比20%，包括学生在预选了实验任务后对相关基础理论的自主学习，以及自行到实验室进行仪器设备基本操作使用。具体操作时可通过与学生实验时问答交流以及仪器操作熟练程度进行评价。工程实践和创新能力方面占比30%，该部分主要评估学生实施检测任务的过程中实验流程是否合乎规范标准，探头试块选用是否合理，遇到问题解决方案是否合理，提出方案的创新性和实施性。测试数据和报告占比40%，这部分主要评估学生在检测过程中数据的可靠性和可重复性，对学生熟练掌握仪器操作提出较高的要求；同时，学生完成实验后对实验数据的处理以及撰写实验报告的条理性和完整性也是评分高低的主要因素。最后一个方面是实验小组团队协作的程度占比10%。这部分主要评估实验小组在预选实验任务后分工合理性、组内各成员任务完成是否及时、以及实验组织实施有序和协调性。通过以上方面对整个教学过程进行评估，充分考虑了学生实验前、实验中和实验后的全过程，同时将学生自主学习、工程实践、创新能力和团队协作都纳入了评估范围。

图7 超声检测课程教学效果评价体系

4 结 语

为了配合新时代的新工科背景下人才培养，以培养具备自主学习、工程实践和创新能力的工程人才为教学目标，针对超声检测课程进行了实验教学改革和实践。在超声检测理论教学时，紧密结合工程实际，充分采用对比法教学加深物理概念理解，设置设计性任务培养自主思考和创新能力。超声检测实验教学采用开放模式运行，实验选题以工程问题为背景，借助有限元仿真，注重学研产融合，大力培养学生的工程实践和创新能力。建立了适应新工科人才培养的教学评价体系，有效促进新工科人才培养模式的持续运行。