《精密加工與特種加工》教育教學(xué)改革探索*

周圣軍

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 湖北武漢 430072）

一、背景

作為傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的補(bǔ)充和拓展，《精密加工與特種加工》技術(shù)利用電能、熱能、光能、電化學(xué)、高能束、超聲波或其他能量等非傳統(tǒng)加工方式，來(lái)完成傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的加工，如特殊材料、復(fù)雜曲面、精密零件的加工。精密及特種加工技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家制造水平的重要標(biāo)志之一，是我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位的關(guān)鍵技術(shù)。[1-3]但是，我國(guó)精密加工及特種加工技術(shù)起步晚，技術(shù)積累相對(duì)薄弱，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比具有較大差距。而這些問(wèn)題也約束著我國(guó)智能制造技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致我國(guó)在關(guān)鍵核心技術(shù)上被“卡脖子”。由此可見，深入學(xué)習(xí)及研究精密加工及特種加工技術(shù)是發(fā)展智能制造的關(guān)鍵一步，也是解決關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題的有效方法之一。

在《精密加工與特種加工》課程教學(xué)中，為提高學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才，在課時(shí)不斷壓縮的現(xiàn)實(shí)條件下，對(duì)傳統(tǒng)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，結(jié)合學(xué)校與企業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源，結(jié)合理論教育與實(shí)踐，引入最新學(xué)術(shù)研究成果和工業(yè)界研發(fā)進(jìn)展，使學(xué)生了解世界科技前沿和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，教育教學(xué)改革已勢(shì)在必行。

二、課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)

《精密加工與特種加工》課程詳細(xì)介紹了金剛石刀具精密切削加工、精密與超精密磨料加工、電火花線切割加工、電化學(xué)加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、超高壓水射流切割等加工技術(shù)的技術(shù)原理、加工方式、技術(shù)特點(diǎn)、所用設(shè)備、具體應(yīng)用實(shí)例和發(fā)展趨勢(shì)。學(xué)生在掌握傳統(tǒng)切削及磨削加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握利用機(jī)械、光、電、熱、化學(xué)、磁、原子能等能源進(jìn)行加工的非傳統(tǒng)加工技術(shù)及多種加工方法復(fù)合作用的復(fù)合加工技術(shù)，從而能夠準(zhǔn)確、熟練地確定機(jī)械零件的加工方案，并根據(jù)加工方案確定加工工藝路線。最終起到鍛煉學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題能力的作用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、思維和動(dòng)手能力。

為了培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才，本課程包含三個(gè)教學(xué)目標(biāo)：

（一）介紹當(dāng)前機(jī)械制造領(lǐng)域的先進(jìn)制造工藝核心技術(shù)，包括金剛石刀具精密切削加工、精密與超精密磨料加工、電火花線切割加工、電化學(xué)加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工、超高壓水射流切割等；學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)能夠了解到這些加工方法的技術(shù)原理、加工方式、技術(shù)特點(diǎn)、所用設(shè)備、具體應(yīng)用實(shí)例和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)精密加工及特種加工技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣，能夠針對(duì)高精度、復(fù)雜零件制定先進(jìn)的加工路線，從而運(yùn)用精密加工及特種加工技術(shù)解決傳統(tǒng)加工技術(shù)無(wú)法解決的技術(shù)難題。

（二）通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握所涉及的加工技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，掌握各種精密加工及特種加工技術(shù)基本的加工方法及工藝規(guī)律，鼓勵(lì)學(xué)生自己上網(wǎng)查閱有關(guān)精密加工及特種加工技術(shù)的英文文獻(xiàn)及技術(shù)資料。這樣不僅讓學(xué)生了解本專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和前沿科技成果，而且鍛煉了他們閱讀英語(yǔ)文獻(xiàn)的能力。

（三）通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)際材料及零件需求，制定相應(yīng)的加工工藝路線，并利用相關(guān)軟件編寫加工程序，能夠熟悉設(shè)備并進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。

三、課程存在的問(wèn)題

（一）《精密加工與特種加工》這門課程涉及的內(nèi)容多，包含了電、光、熱、聲、磁和化學(xué)等大量的物理、化學(xué)、材料學(xué)科的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)面有一定要求，許多技術(shù)原理對(duì)學(xué)生而言難度很大，不容易理解，課程中教師傳授的知識(shí)量過(guò)大，學(xué)生不易融會(huì)貫通。同時(shí)，該課程的學(xué)時(shí)偏少，授課學(xué)時(shí)總共只有30 個(gè)，難以全面、深入地講解本課程涉及的金剛石刀具精密切削加工、精密與超精密磨料加工、電火花線切割加工、電化學(xué)加工、激光加工等十幾種工藝技術(shù)，經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)生僅僅只是簡(jiǎn)單地了解工藝方法，不能熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

（二）沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方式

教師上課以課堂講授為主，以教師為主體，學(xué)生只是被動(dòng)接受知識(shí)，未主動(dòng)思考，學(xué)到的知識(shí)未及時(shí)消化吸收，教學(xué)效果差。同時(shí)，缺乏有效的教育反饋渠道，教師難以掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)吸收、消化的程度以及平時(shí)學(xué)習(xí)所遇到的難題，導(dǎo)致教師不能及時(shí)調(diào)整教學(xué)方案。此外，由于課程知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容枯燥且難以理解，導(dǎo)致學(xué)生主觀能動(dòng)性較差，往往放棄學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)內(nèi)容，教學(xué)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）實(shí)踐教學(xué)少且難以實(shí)現(xiàn)。該課程所需設(shè)備多數(shù)為高精度尖端設(shè)備，如電火花成形加工機(jī)床、電火花線切割機(jī)床、電解加工機(jī)床、激光加工設(shè)備、超聲波加工設(shè)備、電子束加工設(shè)備、離子束加工設(shè)備及光刻機(jī)等，購(gòu)買、使用這些設(shè)備需要的投資大、成本高，而且部分設(shè)備對(duì)環(huán)境要求高。如光刻機(jī)工作環(huán)境中的顆粒數(shù)量需嚴(yán)格限制，空氣中溫度及濕度也要維持在恒定值，為滿足這樣的加工環(huán)境，需建造專門的超凈間來(lái)放置光刻機(jī)，但是超凈間造價(jià)昂貴，難以承受。因此實(shí)訓(xùn)設(shè)備種類上難以滿足教學(xué)要求，導(dǎo)致許多實(shí)踐教學(xué)不易實(shí)現(xiàn)，學(xué)生缺少實(shí)際操作加工設(shè)備的機(jī)會(huì)，操作技能難以得到提高。

（四）學(xué)生對(duì)這門課的了解程度和重視程度不夠?！毒芗庸づc特種加工》這門課程的授課對(duì)象是機(jī)械相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，他們往往對(duì)傳統(tǒng)的加工方法比較熟悉，如鑄造、鍛壓、焊接以及機(jī)械加工方法（車、銑、鏜、磨等），對(duì)精密加工和特種加工的任務(wù)性質(zhì)和適用范圍不了解，導(dǎo)致學(xué)生在碰到加工特殊材料、特殊結(jié)構(gòu)的加工零件時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工要求。

四、教學(xué)改進(jìn)措施

為解決本課程存在的問(wèn)題，在教學(xué)工作中主要采取以下措施：

（一）針對(duì)本課程學(xué)時(shí)偏少的問(wèn)題，在課堂教學(xué)中結(jié)合教師的科研工作著重講解重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。較為簡(jiǎn)單的內(nèi)容安排學(xué)生預(yù)習(xí)、自學(xué)，同時(shí)也能夠鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。比如《電火花加工》一章中，重點(diǎn)介紹電火花加工的機(jī)理、特點(diǎn)以及基本的工藝規(guī)律，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)講授，使得學(xué)生深入理解并掌握電火花加工的核心技術(shù)，從而為學(xué)生將來(lái)應(yīng)用這些技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）針對(duì)本課程涉及知識(shí)范圍廣、學(xué)習(xí)難度大的問(wèn)題，教師會(huì)在每次課講授新知識(shí)之前，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)上次課的重難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行回顧，進(jìn)一步引出本次課的新內(nèi)容。同時(shí)在本次課結(jié)束之前，對(duì)本次課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，而在每講完一章的內(nèi)容后，對(duì)這章的重難點(diǎn)內(nèi)容也進(jìn)行及時(shí)的回顧。同時(shí)，針對(duì)每一章的內(nèi)容，給學(xué)生布置相關(guān)的思考題，使得學(xué)生在思考的過(guò)程中加深對(duì)章節(jié)重難點(diǎn)的理解和記憶。比如，超硬磨料砂輪磨削有哪些特點(diǎn)？電火花加工的基本要求有哪些？電火花線切割與電火花成形加工有哪些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？光刻加工技術(shù)的基本過(guò)程包括哪些步驟？這樣，通過(guò)對(duì)課程重難點(diǎn)的回顧、總結(jié)和思考，使學(xué)生建立起完整的知識(shí)體系。

（三）采用講解應(yīng)用案例為核心的授課模式。如芯片制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的濕法腐蝕和干法刻蝕技術(shù)難以加工硬且脆的碳化硅材料，采用飛秒激光加工技術(shù)卻可以達(dá)到事半功倍的效果。講解這些案例可以有效地激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生對(duì)加工技術(shù)理論的學(xué)習(xí)熱情。豐富的應(yīng)用案例配合相關(guān)圖片、動(dòng)畫、視頻、加工實(shí)物或模型，將抽象的技術(shù)理論形象具體化，讓學(xué)生更加容易理解，取得了更好的教學(xué)效果。

（四）舉辦講座、參觀工廠、小組討論、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)等多種教學(xué)模式。像高能電子束加工、超聲波加工等內(nèi)容比較晦澀難懂，而且學(xué)生很少能接觸到這些尖端技術(shù)，所以可以邀請(qǐng)活躍在生產(chǎn)一線的專業(yè)人員以講座或?qū)ｎ}的形式進(jìn)行講解，讓學(xué)生更加清楚這些加工技術(shù)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)和難點(diǎn)，了解其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，明確其發(fā)展前景和應(yīng)用范圍，拓展學(xué)生專業(yè)知識(shí)面，為未來(lái)從事研究和產(chǎn)業(yè)化工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（五）充分利用學(xué)校資源，實(shí)施一體化教學(xué)。利用學(xué)校工程訓(xùn)練中心的加工設(shè)備，將工藝分析、編程、機(jī)床操作培訓(xùn)結(jié)合為一體，把課程學(xué)習(xí)中所需掌握的關(guān)鍵技術(shù)分解到現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)之中，比如數(shù)控加工、激光加工、線切割加工等。通過(guò)師生互動(dòng)教學(xué)，使學(xué)生掌握相關(guān)技術(shù)的理論知識(shí)，又能詳細(xì)了解精密加工和特種加工的加工步驟。而課本上的設(shè)備組成結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)就能講解得明明白白，并且在保證安全的情況下，讓學(xué)生自己動(dòng)手操作設(shè)備，同時(shí)老師巡回指導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中提出的問(wèn)題，這樣可以加深記憶，實(shí)現(xiàn)事半功倍的教學(xué)效果。

（六）開展課題項(xiàng)目實(shí)踐，注重培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力。教師從企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求中尋找課題項(xiàng)目，提出實(shí)際生產(chǎn)加工中的難題，要求學(xué)生提出解決方案。學(xué)生通過(guò)收集整理相關(guān)資料，提出不同的方案，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和可行性，最后確定具體加工方式和工藝。課題項(xiàng)目選擇要和教學(xué)目標(biāo)一致，具有典型性、啟發(fā)性、可行性，選擇的課題要符合兩個(gè)條件：一是包含《精密加工與特種加工》技術(shù)的基本理論，二是有利于增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。例如，在碳鋼上加工50×40mm 的方孔，孔深為30mm，要求根據(jù)傳統(tǒng)加工方式和電解加工方式分別設(shè)計(jì)工藝，通過(guò)這個(gè)案例，引導(dǎo)學(xué)生討論加工方孔的方法，并比較采用傳統(tǒng)加工方式和電解加工方式各自的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式不易形成方孔等異形孔，但是采用電解加工就很容易實(shí)現(xiàn)，而且能夠保證方孔的形狀和精度。通過(guò)引入這個(gè)案例，學(xué)生能夠較好掌握電解加工方法的原理、特點(diǎn)和適用范圍，同時(shí)拓展學(xué)生的思路，建立工程思維。

（七）組織課題項(xiàng)目匯報(bào)，鍛煉學(xué)生表達(dá)能力與項(xiàng)目匯報(bào)能力。教師組織專門的課題匯報(bào)課，要求學(xué)生將自己的課題項(xiàng)目加工方案、工藝路線以及對(duì)《精密加工與特種加工》技術(shù)的理解感悟匯總整理成PPT，在課題匯報(bào)課上進(jìn)行展示。在課題匯報(bào)結(jié)束后，教師針對(duì)匯報(bào)內(nèi)容與學(xué)生討論，探究加工方案、工藝路線的可行性，分析加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)問(wèn)題討論解決方案，最后對(duì)加工方案和工藝路線進(jìn)行優(yōu)化。這個(gè)過(guò)程能很好地鍛煉學(xué)生的思考能力和表達(dá)能力，學(xué)生在做PPT 的過(guò)程中，需要厘清課題各部分內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，思考如何用圖、表以及文字清晰地表達(dá)課題的加工方案、工藝路線，學(xué)生在思考的過(guò)程中也進(jìn)一步加深了對(duì)《精密加工與特種加工》技術(shù)的理解和記憶。此外，在課題匯報(bào)結(jié)束后的討論過(guò)程中，教師學(xué)生思維碰撞，能有效開闊思路，激發(fā)靈感，有利于提出創(chuàng)新性的加工方案。教師也能通過(guò)討論了解學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)的程度，在之后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，加強(qiáng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講解。

（八）為了實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要根據(jù)學(xué)校實(shí)訓(xùn)中心的資源，給學(xué)生最大限度的自由。學(xué)生可以根據(jù)自己喜好，充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)出自己想要加工的零件，并在加工設(shè)備上進(jìn)行數(shù)控編程，將設(shè)計(jì)圖稿變成實(shí)際零件。教師應(yīng)隨時(shí)關(guān)注學(xué)生的實(shí)踐進(jìn)展，進(jìn)行引導(dǎo)、點(diǎn)評(píng)。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐，消化和鞏固所學(xué)理論知識(shí)，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)向?qū)I(yè)技能的轉(zhuǎn)化。要引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生積極參與各種比賽，鍛煉學(xué)生運(yùn)用精密加工和特種加工技術(shù)解決實(shí)際加工問(wèn)題的能力，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步理解、鞏固和運(yùn)用。

（九）優(yōu)化課程考核體系，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。精密加工和特種加工課程采用了試卷+思考題作業(yè)+課題報(bào)告+課題匯報(bào)+課堂問(wèn)答+實(shí)踐的考核方式，通過(guò)采用多元化的考核方式，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，最大化發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，全面考核學(xué)生對(duì)精密加工和特種加工專業(yè)知識(shí)的掌握程度。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)合課程內(nèi)容、特點(diǎn)，并充分利用學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整教學(xué)方式、開展課題項(xiàng)目實(shí)踐、組織課題匯報(bào)、增加實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)與優(yōu)化課程考核體系，突出創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，本課程實(shí)現(xiàn)了較大的教學(xué)進(jìn)步。課程教改是整個(gè)教學(xué)改革中的重要一環(huán)，本課程的教改實(shí)施給其他課程的教學(xué)改革提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒，對(duì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，具有非常重要的實(shí)際意義。