魏 勤， 萬 佳， 汪海賓， 李曉喜

（江蘇科技大學理學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

隨著社會和科技的進步，新技術、新產(chǎn)業(yè)與新材料不斷迅猛發(fā)展，對各種技術人才提出了更高的要求。新工科背景下的工程技術人才要求在具備豐富知識和實踐動手能力的同時，還應當具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。目前，不斷推進實施的國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略導致現(xiàn)有的人才培養(yǎng)模式已經(jīng)逐步不能滿足產(chǎn)業(yè)和技術發(fā)展的需求。因此，高等學校在此背景下的人才培養(yǎng)需要結合新型產(chǎn)業(yè)特點和自身專業(yè)特色構建以工程創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為核心的培養(yǎng)模式［1-3］。

超聲檢測技術作為常規(guī)無損檢測技術中一項重要的檢測技術，在航空、造船、建筑等行業(yè)中都有重要的應用。從原材料的選取，到生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質量監(jiān)測和產(chǎn)品在役使用中的檢查維護，無損檢測技術都能提供有力的技術保障。無損檢測技術人員尤其是超聲檢測人員一直是各行各業(yè)的緊缺人才。2020 年度的新冠疫情影響了高校相關專業(yè)學生的實驗教學以及認證機構對工程檢測人員的資質培訓，加劇了無損檢測工程技術人員的緊缺狀態(tài)。國家人社部中國就業(yè)培訓技術指導中心對城市公共就業(yè)服務機構進行監(jiān)測，收集匯總2020 年前三季度人力資源市場供求關系較為緊張的招聘、求職需求職業(yè)崗位信息［4-6］，與無損檢測技術相關的職業(yè)有質檢員、工程機械維修工和產(chǎn)品質量檢驗工程技術人員，其中質檢員職業(yè)在第一、二、三季度全國招聘求職100 個短缺職業(yè)排行中相關質檢員的排名依次為17、20、和27 位，這也說明了社會對無損檢測工程技術人才需求的緊缺程度。

長期以來，無損檢測工程技術人員通常由兩種渠道接受相關的訓練：高等院校相關專業(yè)的學習和認證機構的資質培訓。檢測人員需要掌握檢測的基礎理論和實踐操作的技能，并通過相關的考核獲得行業(yè)認可的資質證書。在此過程中，高校往往注重檢測基礎理論的學習，而認證機構更關注實踐操作的訓練和檢測標準規(guī)范的實施。同時，在教學和培訓過程中，往往會出現(xiàn)以通過相關的資質認證考核為導向，檢測的材料種類單一，工件的形狀固定，缺乏引入檢測行業(yè)內(nèi)部新技術，大大限制了學生探索性和創(chuàng)新性等綜合實踐能力的培養(yǎng)。新工科人才培養(yǎng)模式要求高校依據(jù)工程技術人才所必須具備的知識能力及素質要求，采用啟發(fā)式和任務驅動式教學方式，不斷提高學生的實踐能力和工程創(chuàng)新能力［7-8］。如何針對目前無損檢測人員教學與培訓中存在的問題以及結合當前新工科對學生綜合能力素質的新要求，為了培養(yǎng)具備扎實理論基礎和突出綜合能力的相關檢測人員，圍繞超聲檢測的實驗理論和實踐教學課程，從理論基礎教學模式，實驗教學方法和教學效果評價3 個方面對超聲檢測課程教學進行了改革與實踐。

1 超聲檢測實驗理論基礎教學模式

超聲檢測的物理基礎是聲波在彈性介質中傳播時根據(jù)波的反射、透射和折射等現(xiàn)象以及依據(jù)聲速，衰減等參數(shù)對材料性能和結構質量進行檢測。因此該課程的理論基礎涉及材料性能及加工、振動與波動及波的傳播特性等。目前對檢測基礎理論的講解多是通過課堂按計劃在固定時間段進行講授，學生的自主學習等綜合能力沒有得到很好的鍛煉。因此在基礎理論教學實踐中，從教學內(nèi)容、教學方法、實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面做了針對性的改進和探索。

（1）在教學內(nèi)容上，將基礎理論、工程應用和課程思政緊密結合。將教學內(nèi)容從課本知識拓展至更貼近工程場景中所需要的材料、工藝等方面的內(nèi)容，并加強課程思政的內(nèi)容融合。比如金屬材料性能及加工的講授要與工程材料緊密結合，著重介紹鋼、鋁合金、碳纖維增強復合材料等常見材料的模量、強度等力學性能，結合實例不僅讓學生對這些材料有直觀的認識，而且掌握使用這些材料的優(yōu)勢。在講解金屬的加工工藝時則根據(jù)生活中常見金屬結構（板、棒和管等）講解加工工藝，結合焊接工藝分析在加工過程中易產(chǎn)生的缺陷，分析這些缺陷產(chǎn)生的危害。此外，無損檢測專業(yè)培養(yǎng)的是質量檢驗方面的專業(yè)工程人才，除了需要具有較高的專業(yè)技術水平，還需要具有客觀正直的個人品德，以及嚴謹細致、精益求精的“工匠”精神，能夠在社會主義核心價值觀的指引下追求全面發(fā)展，因此相關的思政內(nèi)容也融合進各個章節(jié)的理論教學中。

（2）在實驗理論教學方面，運用橫向、縱向對比教學法加深對物理概念的理解。與其他無損檢測方法相比，超聲檢測的基礎理論中概念多且有難度。在教學中不斷改進教學方法可加深學生對相關概論的理解，為實踐應用打下良好的基礎。在理論講授過程中用對比的方法來突出不同知識點間的差異，加深學生對相關概念的理解。在講解振動與波動時，通過橫向對比，突出振動是描述空間一個質點偏離平衡位置的情況，而波動則是描述空間一系列質點在某一個時刻偏離各自平衡位置的振動情況。當講授到聲壓和聲強概念時，使用縱向對比，突出聲壓是一個力學量，描述空間聲壓相對于靜止壓強的附加壓強，而聲強則是描述波在傳播過程中介質由于振動而獲得的能量。在講解波在界面處的垂直入射和斜入射行為時，將兩者進行橫向對比，垂直入射重點強調(diào)界面兩側介質因聲阻抗差異而引起反射波和透射波能量的重新分配；而斜入射行為則重點強調(diào)聲波斜入射至界面處由于材料聲速差異導致波傳播方向發(fā)生改變。教學過程中通過反復運用這種橫向和縱向的知識點對比和歸納總結，幫助學生構建更加清晰的物理概念和物理圖像，為后面的工業(yè)應用打下良好基礎。

（3）在理論教學中布置設計類任務，培養(yǎng)學生的自主思考和創(chuàng)新能力。在理論講授過程中布置設計性任務給學生完成，這樣不僅能夠鞏固上課所講的理論知識，而且能夠開拓學生視野，培養(yǎng)學生自主思考和創(chuàng)新的能力。隨著新技術和新材料的不斷涌現(xiàn)，不同行

業(yè)的產(chǎn)品質量檢測時都會遇到各種各樣的技術難題。將這些難題按知識點進行分類并以任務形式布置給學生，不僅可以讓學生熟悉工業(yè)生產(chǎn)中檢測存在的問題，而且能讓學生查閱資料充分自主思考，提出自己的見解。教師結合已有的解決方案進行點評，能夠歸納總結，不斷提高學生的創(chuàng)新能力。在鋁合金焊縫超聲檢測的過程中，缺陷定位必須對材料的橫波聲速以及探頭的折射角進行測定。行業(yè)中通用試塊材質都為鋼，為了方便測量兩個參數(shù)，需自行設計鋁合金試塊。教學時將該問題分成兩個任務：①設計合金材料橫波聲速的對比試塊；②在對比試塊上制作反射體能滿足橫波的折射角測定要求。圖1 所示為參考現(xiàn)有通用鋼制試塊而設計的鋁合金材料船形試塊和半圓試塊，試塊的尺寸可根據(jù)檢測工件的尺寸和工藝來確定。通過上述方法能讓學生緊密結合波在圓柱面上反射規(guī)律和折射定律，自主思考和設計相關試塊，充分培養(yǎng)和發(fā)揮學生的創(chuàng)新能力，解決現(xiàn)場檢測中的實際問題。近年來為了服務于國家能源戰(zhàn)略和化學品海洋運輸，不銹鋼特種船的建造逐步成為各造船廠的新產(chǎn)業(yè)。在船舶建造過程中，不銹鋼焊縫的質量檢測是一個技術難點。由于不銹鋼焊縫組織晶體粗大且各向異性使其與檢測常規(guī)鋼焊縫的超聲技術明顯不同。根據(jù)ISO-22825（2017）標準規(guī)定不銹鋼焊縫組織超聲檢測時須采用雙晶縱波聚焦斜探頭檢測焊縫內(nèi)部缺陷，而表面缺陷則需用爬波探頭進行檢測［9］。圖2 所示為爬波探頭的設計圖。在課堂上提出設計適用于不銹鋼焊縫檢測的爬波探頭和不同聚焦深度的雙晶縱波聚焦斜探頭任務，不僅能夠鞏固臨界角知識，而且能夠擴大學生知識面，進一步拓展學生自主思考和創(chuàng)新能力。

圖1 鋁合金制作的船形試塊和半圓試塊

圖2 爬波探頭的設計方案

2 超聲檢測課程的實驗教學方法

高校傳統(tǒng)的專業(yè)人才培養(yǎng)模式一般以學科為導向，注重專業(yè)教育，開設的課程也通常局限在本學科內(nèi)，缺少跨學科和跨專業(yè)的交叉融合。而新工科人才培養(yǎng)應以創(chuàng)新型工程人才作為人才培養(yǎng)的中心，結合國家發(fā)展戰(zhàn)略服務于新興技術和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在教學中以啟發(fā)式和任務驅動式的教學模式為主，通過啟發(fā)式教學，使學生在原有的學業(yè)基礎上不斷拓展學習空間，開闊視野；采用任務驅動式的教學模式，在任務中學習專業(yè)知識和積累實踐經(jīng)驗，實現(xiàn)理論學習與實踐操作緊密結合。超聲檢測是一門操作實踐要求高的課程，要求利用聲學在材料中的傳播特性對材料的完整性和連續(xù)性進行評判。在課程組織實施過程中通過開放選課、自由組隊、團隊合作、分項任務等方式，激發(fā)學生自主學習的欲望和實踐熱情；同時在課程學時中劃出部分學時并結合第二課堂，將生產(chǎn)中工程問題項目化并設置成選做實驗，引導學生思維創(chuàng)新，促進課堂知識與實際工程應用相互關聯(lián)，逐步提高工程實踐和創(chuàng)新能力。

（1）實驗教學開放運行，任務驅動理論知識學習。

超聲檢測實驗課程以工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品結構設置實驗任務，分為鍛件、鑄件、管件以及焊縫的檢測，學生可通過學校的網(wǎng)上實驗選課平臺開放選課，自由組隊，明確分工。確定要完成的實驗后，學生需查閱資料自主學習相關結構的超聲檢測技術和缺陷定量以及性質判定方法；同時為了完成實驗任務，學生可在指定的時間段內(nèi)到實驗室熟悉儀器探頭的操作以及測定相關材料參數(shù)。在此過程中，教師可面對面地解答學生在自主學習和熟悉儀器過程中遇到的問題，當然也可以通過QQ和微信線上答疑。學生在完成理論準備和掌握設備基本操作的基礎上合作完成規(guī)定的實驗任務并撰寫實驗報告。通過完成一系列的實驗任務，有目的地引導學生自主學習，充分培養(yǎng)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力，同時團隊隊友之間相互協(xié)作，進一步加強團隊精神和集體觀念。

（2）依據(jù)工程問題設置選做實驗項目，提高工程實踐和創(chuàng)新能力。在超聲檢測實驗實施的過程中，凝練工程實際問題，積極引導學生思考，找出問題的解決方法并附諸于實施。例如學生在熟練儀器設備操作時要對材料傳播聲速進行測定，此時可針對各種船舶年度檢驗時需對各種艙壁和船底板等結構進行測厚［10-11］，引導學生思考超聲測厚的相關原理方法，并準備相應的試塊讓學生用超聲雙晶探頭完成相關實踐操作，如圖3 所示。在實驗課程中向學生強調(diào)材料聲速（縱波和橫波）是重要物理量，它與材料的彈性模量以及泊松比密切相關［12］，也可以用聲速測試材料或結構在役使用過程中的載荷應力和殘余應力［13］。此外，結合工程中脆性材料（玻璃）無法用力學的靜態(tài)拉伸法測試彈性模量的問題，可以通過選做實驗的形式實現(xiàn)動態(tài)超聲法評估材料的彈性模量和剪切模量，達到優(yōu)化產(chǎn)品工藝參數(shù)的目的，實驗裝置如圖4 所示。由于課程學時有限，有些工程問題比較復雜，實驗花費的時間較多，因此可以在課后第二課堂以實驗專題的形式吸引學生加入。通過多層次多渠道的實驗任務，讓學生的實踐訓練緊密結合工程實際，在實踐中培養(yǎng)學生解決真實問題的能力，鼓勵學生提出解決問題的新思路和新方法，不斷提高工程實踐和創(chuàng)新能力。

圖3 超聲雙晶探頭測試工件厚度

圖4 超聲動態(tài)法測試玻璃的彈性模量及泊松比

（3）借助工程軟件進行實驗仿真，鞏固理論知識并指導學生開展參數(shù)化研究。超聲波在材料中傳播時許多規(guī)律與光學相似，但由于聽不見、看不清的實驗現(xiàn)象，學生對聲波的反射、折射以及散射規(guī)律無直觀的印象。通過有限元仿真可以模擬聲波與缺陷之間的相互作用，形象地展示聲波在缺陷或邊界處的反射以及散射等現(xiàn)象，模擬結果可以與實驗結果比較印證，使學生對實驗理論和過程的理解更加透徹。在教師的指導下學生可以學習和掌握有限元模擬仿真的研究工具，嘗試細致和參數(shù)化分析聲學的相關規(guī)律，為后期科學研究分析工程問題打下基礎。圖5（a）所示為用有限元模擬超聲縱波檢測鍛件內(nèi)部缺陷，圖5（b）所示為用超聲橫波在焊縫內(nèi)部檢測缺陷的模擬。通過上述環(huán)節(jié)，大大加深了學生對聲學理論的理解，使學生掌握科學研究的方法和手段。

（4）緊跟工程研究熱點，促進學研產(chǎn)融合。隨著新技術新材料不斷發(fā)展，相應產(chǎn)品質量檢測提出了新的要求。在超聲檢測實驗課程教學過程中，不僅需強化理論基礎和實踐操作教學體系緊密結合，而且需要注重不同行業(yè)的檢測標準規(guī)范的實施應用。同時，在教學過程中要密切跟蹤行業(yè)的研究熱點，關注行業(yè)標準規(guī)范的更新，注重企業(yè)單位的需求，形成高校與企業(yè)結合的立體化培養(yǎng)體系，不斷拓展學生視野，促進科研成果逐步向實際生產(chǎn)力轉化，實現(xiàn)學研產(chǎn)有機融合［14-15］。在超聲檢測行業(yè)中，非線性超聲檢測技術是近期研究的熱點，該技術對結構中微尺度的損傷有著較高的靈敏度，尤其對金屬材料的疲勞損傷有著較高檢測靈敏度。非線性超聲檢測技術可以實現(xiàn)材料疲勞損傷檢測和剩余壽命評估工作［16］，如圖6 所示。通過在高校與企業(yè)間聯(lián)合建立的培養(yǎng)體系，真正實現(xiàn)面向生產(chǎn)需求的工程創(chuàng)新實踐。

圖5 用有限元模擬超聲波檢測工件內(nèi)部缺陷

圖6 非線性超聲法評估復合材料的殘余壽命

3 超聲檢測實驗課程的教學效果評價體系

超聲檢測技術是用超聲方法檢測材料性能和結構質量的技術，并依據(jù)標準規(guī)范對產(chǎn)品進行驗收的方法。超聲檢測課程傳統(tǒng)的教學評價主要是根據(jù)學生實驗時測試數(shù)據(jù)質量和提交的實驗報告來進行評定。這種教學評價體系無法對新工科培養(yǎng)模式下學生實驗的自主參與度、工程實踐和創(chuàng)新能力以及團隊合作能力進行綜合評價。

建立新的課程教學效果評價體系（見圖7），對學生自主學習、工程實踐、創(chuàng)新能力、測試數(shù)據(jù)及實驗報告和團隊協(xié)作等方面進行綜合評價。在新建立的評價體系中自主學習能力占比20%，包括學生在預選了實驗任務后對相關基礎理論的自主學習，以及自行到實驗室進行儀器設備基本操作使用。具體操作時可通過與學生實驗時問答交流以及儀器操作熟練程度進行評價。工程實踐和創(chuàng)新能力方面占比30%，該部分主要評估學生實施檢測任務的過程中實驗流程是否合乎規(guī)范標準，探頭試塊選用是否合理，遇到問題解決方案是否合理，提出方案的創(chuàng)新性和實施性。測試數(shù)據(jù)和報告占比40%，這部分主要評估學生在檢測過程中數(shù)據(jù)的可靠性和可重復性，對學生熟練掌握儀器操作提出較高的要求；同時，學生完成實驗后對實驗數(shù)據(jù)的處理以及撰寫實驗報告的條理性和完整性也是評分高低的主要因素。最后一個方面是實驗小組團隊協(xié)作的程度占比10%。這部分主要評估實驗小組在預選實驗任務后分工合理性、組內(nèi)各成員任務完成是否及時、以及實驗組織實施有序和協(xié)調(diào)性。通過以上方面對整個教學過程進行評估，充分考慮了學生實驗前、實驗中和實驗后的全過程，同時將學生自主學習、工程實踐、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作都納入了評估范圍。

圖7 超聲檢測課程教學效果評價體系

4 結 語

為了配合新時代的新工科背景下人才培養(yǎng)，以培養(yǎng)具備自主學習、工程實踐和創(chuàng)新能力的工程人才為教學目標，針對超聲檢測課程進行了實驗教學改革和實踐。在超聲檢測理論教學時，緊密結合工程實際，充分采用對比法教學加深物理概念理解，設置設計性任務培養(yǎng)自主思考和創(chuàng)新能力。超聲檢測實驗教學采用開放模式運行，實驗選題以工程問題為背景，借助有限元仿真，注重學研產(chǎn)融合，大力培養(yǎng)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力。建立了適應新工科人才培養(yǎng)的教學評價體系，有效促進新工科人才培養(yǎng)模式的持續(xù)運行。