周昌榮 袁昌來 陳國華 許積文

【摘 要】相比理論課教學(xué)，實(shí)驗(yàn)課程更能訓(xùn)練學(xué)生的工程能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才的新工科建設(shè)的任務(wù)。本文基于提升學(xué)生的工程能力素養(yǎng)，在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過程中，針對新工科背景下材料科學(xué)與工程學(xué)科的教學(xué)問題，通過一個(gè)壓電陶瓷生產(chǎn)具體的工程案例，分析如何訓(xùn)練學(xué)生解決工程問題的能力。

【關(guān)鍵詞】專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn);工程能力訓(xùn)練;材料科學(xué)與工程;教學(xué)改革

中圖分類號： G642;TF0-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.032

【Abstract】Experimental course can provide more engineering ability training for students compared with teaching of theory course. Thus， engineering science and technology talents in emerging field can be trained in view of new subject construction. Aiming to promote engineering ability training for students and solve the teaching problems of material science and engineering in view of new subject construction， the engineering ability training for students has been conducted. The solving complex engineering ability by experimental course has been promoted by a specific engineering case of piezoelectric ceramics.

【Key words】Specialty comprehensive experiment; Engineering ability training; Material science and engineering; Teaching reform

0 前言

《專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》是我校材料科學(xué)與工程專業(yè)開始一門重要的專業(yè)實(shí)踐課程，共24課時(shí)，設(shè)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2個(gè)，綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5個(gè)，主要完成功能陶瓷材料從制備到測試的整個(gè)過程，以及代表性的功能陶瓷如介電、壓電、鐵電、磁性、熱敏、阻變等功能的性能測試與分析。主要目的是新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，應(yīng)對新興產(chǎn)業(yè)對高技術(shù)人才的需求[1-4]。

課程在開設(shè)過程中，為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程應(yīng)用脫節(jié)的問題，在具體的實(shí)驗(yàn)材料與性能參數(shù)測試過程中，引入企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中碰到的工程問題，以實(shí)際案例及解決過程來培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，增加課程的針對性、時(shí)效性及趣味性。

1 專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中壓電陶瓷制備與性能測試的一個(gè)工程案例實(shí)踐

壓電陶瓷材料是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料，廣泛應(yīng)與于超聲換能器、水聲換能器、陶瓷變壓器、電聲換能器、陶瓷濾波器、聲表面波器件、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、壓電陀螺電光器件、引燃引爆裝置和紅外探測器等日常生活與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。壓電陶瓷材料因?yàn)殡姌O面，極化方向及電場方向不同，陶瓷振子類型不同，其性能參數(shù)眾多，不是從事研發(fā)的專業(yè)人士，很難完全理解很多壓電性能參數(shù)的意義與應(yīng)用價(jià)值。

因此，在開始壓電陶瓷的制備與性能測試分析實(shí)驗(yàn)中，只能選擇常見的壓電性能參數(shù)，比如壓電常數(shù)d33，機(jī)電耦合系數(shù)kp/kt，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm及壓電頻率常數(shù)N等參數(shù)。但是只是簡單介紹這些參數(shù)的公式，測試過程及應(yīng)用情況，教學(xué)過程將會非常乏味，學(xué)生也不容易掌握。因此，我們在教學(xué)過程中，將生產(chǎn)企業(yè)制備相關(guān)產(chǎn)品時(shí)出現(xiàn)的工程問題引入課堂，說明如何可以通常這些壓電性能參數(shù)來尋找出現(xiàn)問題的原因，以及解決問題的方法與措施。

比如，一家公司生產(chǎn)一款出口到歐洲的超聲霧化器用陶瓷片，在發(fā)貨到組裝霧化器的分公司后，出廠前檢測發(fā)現(xiàn)霧化效果明顯降低，經(jīng)技術(shù)人員分析后發(fā)現(xiàn)部分樣品平面諧振頻率正常，厚度諧振頻率有明顯分叉如圖1所示，另一部分樣品的銀電極出現(xiàn)氧化、脫落，假如你就是該公司負(fù)責(zé)解決該問題的技術(shù)人員，請說明原因及解決的措施。

一般技術(shù)人員很難找到原因，實(shí)際上的原因很簡單。我們在課堂上引導(dǎo)學(xué)生從原理上探究為什么會出現(xiàn)厚度諧振峰出現(xiàn)分叉，先詢問學(xué)生與諧振頻率相關(guān)的壓電參數(shù)有哪些？學(xué)生們很容易就答出是壓電頻率常數(shù)N=fr*d（fr是諧振頻率，d是樣品厚度），諧振頻率fr與d樣品厚度的乘積是一個(gè)常數(shù)，不同的樣品厚度，諧振頻率頻率不同。產(chǎn)品出現(xiàn)厚度諧振頻率有明顯分叉，說明同一個(gè)樣品在不同的地方厚度不同，即樣品的厚度存在不均勻現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^螺旋測微計(jì)測量樣品的厚度來驗(yàn)證，通過測量，果然發(fā)現(xiàn)樣品的厚度在不同的位置讀數(shù)不一樣。在生產(chǎn)過程中控制樣品厚度及表面狀態(tài)的是磨片儀，因?yàn)槭褂脮r(shí)間過久，軸承磨損過大，出現(xiàn)偏心旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致樣品厚度不均勻。這樣，通過跟換軸承或者磨片設(shè)備即可解決問題。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步說明，為什么平面諧振頻率不容易出現(xiàn)分叉。從頻率N=fr*d可以看出，平面諧振的尺寸是樣品直徑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品厚度，尺寸出現(xiàn)一些改變，相比厚度的改變比例要低得多。另外，平面諧振頻率相比厚度諧振頻率也低得多，所以平面諧振頻率一般不會出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。

對于壓電陶瓷材料，電極材料起非常重要的作用。由于超聲霧化器用陶瓷片的表明銀電極通常是侵泡在不同的液體中，在振動的作用下容易氧化脫落。如何解決這個(gè)問題，先不直接說明問題，從電子材料常見的封裝說起，通過循循誘導(dǎo)，讓學(xué)生們自己想什么辦法在表面可以通過不同的表面處理方法或者包封技術(shù)，解決表面電極脫落問題。

通過企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的真實(shí)案例，引入實(shí)驗(yàn)課程的原理與測量過程，一方面增加課堂教學(xué)的趣味性與教學(xué)氣氛，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生提高解決復(fù)雜工程問題的能力，適用新產(chǎn)業(yè)對創(chuàng)新型人才的需求，產(chǎn)生了很好的教學(xué)效果。

2 結(jié)語

本文在我校材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐新工科教學(xué)改革的背景下，在《專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》實(shí)踐課程中，對課堂教學(xué)內(nèi)容與方式進(jìn)行變革探索，將真實(shí)的產(chǎn)品生產(chǎn)工程問題與實(shí)驗(yàn)課堂壓電陶瓷性能參數(shù)的測試與應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，通過一個(gè)具體案例說明如何發(fā)現(xiàn)工程問題的原因，找到解決問題的辦法及措施，提升課堂教學(xué)的有效性與趣味性，明顯提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程與創(chuàng)新能力的效果。

【參考文獻(xiàn)】

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