基于能力培養(yǎng)的機械制造工藝學(xué)項目教學(xué)研究

張彥彬 李長河 楊敏 劉永紅 陳清奎 王飛 彭子龍

摘 ?要：機械制造工藝學(xué)在高等學(xué)校機械工程專業(yè)課程體系中占有重要的地位，具有綜合性強、理論性強、實踐性和應(yīng)用性強等特點。然而采用傳統(tǒng)的課堂授課教學(xué)方法往往事倍功半，學(xué)生無法深入掌握理論知識并應(yīng)用于實踐?；诖耍恼麻_展以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的“項目教學(xué)法”創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式教學(xué)改革與實踐。構(gòu)建以“零件制造工藝規(guī)程及夾具設(shè)計”為主題的項目實施路線;建立基于過程的、綜合考核學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的層次化分級教學(xué)評價標準，形成以產(chǎn)出為導(dǎo)向、量化可控、多路反饋的能力達成度精準評價體系。歷經(jīng)6年實踐，形成了豐富的項目教學(xué)案例庫，學(xué)生項目得分率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的期末驅(qū)動教學(xué)。

關(guān)鍵詞：機械制造工藝學(xué);項目驅(qū)動;過程考核;綜合評價

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）18-0123-04

Abstract： The course of Mechanical Manufacturing Technology plays an important role in the course system of mechanical engineering in colleges and universities， which characterized by high comprehensiveness， theory， practicality and application. However， the teaching method of classroom teaching can not mobilize students' interest in learning， which leads to students' lack of active learning and teamwork learning ability. Therefore， this paper carried out the teaching reform and practice of the innovative talent training mode of "project teaching method" with students as the main body and teachers as the leading role. The project implementation route based on the theme of "parts manufacturing process regulation and fixture design" are constructed. A process-based hierarchical teaching evaluation standard for comprehensive assessment of students' knowledge， ability and quality has been established， forming an output-oriented， quantifiable， controllable and multi-channel feedback accurate evaluation system for ability achievement. After six years of practice， a wealth of project teaching case database has been formed. The statistical results of students' project score rate show that the talent cultivation effect of project teaching is obviously better than the traditional end-of-term driven teaching.

Keywords： mechanical manufacturing technology; project-based teaching; process assessment; comprehensive evaluation

機械制造工藝學(xué)是高等學(xué)校本科機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)課，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、綜合設(shè)計能力和機械工程實踐能力方面占有重要的地位[1]。其先行課包括機械制圖、材料力學(xué)、金工實習(xí)、機械工程材料、金屬工藝學(xué)、機械設(shè)計、互換性原理與測量、金屬切削原理與刀具、生產(chǎn)實習(xí)等。課程內(nèi)容在以上先行課的基礎(chǔ)上講述機械產(chǎn)品的制造工藝，課程內(nèi)容具體包括零件加工工藝和產(chǎn)品裝配工藝兩方面，其指導(dǎo)思想是在保證質(zhì)量的前提下達到高生產(chǎn)率和高經(jīng)濟性，研究重點是機械加工工藝過程和裝配工藝過程[2]。

在OBE教學(xué)理念下，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的達成度分析評價系統(tǒng)中，這門課的課程目標對學(xué)生的能力要求和對應(yīng)的畢業(yè)要求如下。

課程目標1：學(xué)習(xí)機械加工工藝方面的基本理論知識和典型零件的加工工藝分析，掌握制訂零件機械加工工藝規(guī)程的方法，初步具有編制中等復(fù)雜程度零件機械加工工藝規(guī)程的能力。課程目標對應(yīng)畢業(yè)要求1（工程知識）：1-4.掌握機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識，具備綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決復(fù)雜機械工程問題的能力。

課程目標2：學(xué)習(xí)裝配工藝方面的基本理論和知識，掌握制訂機器裝配工藝規(guī)程的方法，初步具有制訂中等復(fù)雜程度產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程的能力。課程目標對應(yīng)畢業(yè)要求2（問題分析）：2-4.能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，借助文獻研究，分析復(fù)雜機械工程問題的影響因素，證實解決方案的合理性，獲得有效結(jié)論。

課程目標3：學(xué)習(xí)機床專用夾具設(shè)計的基本理論和方法，初步具備設(shè)計中等復(fù)雜程度專用夾具的能力，能夠評定夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣，對夾具精度設(shè)計進行分析。課程目標對應(yīng)畢業(yè)要求3（設(shè)計/開發(fā)解決方案）：3-2. 能夠針對制造工藝、機電產(chǎn)品及裝備的特定需求，完成單元及系統(tǒng)的設(shè)計。

課程目標4：學(xué)習(xí)影響機械加工質(zhì)量（包括機械加工精度和機械加工表面質(zhì)量）的因素及其影響規(guī)律，掌握分析、研究機械加工質(zhì)量的方法，初步具備分析解決現(xiàn)場工藝問題的能力。課程目標對應(yīng)畢業(yè)要求4（研究）：4-1. 能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對機械復(fù)雜工程問題進行研究、比較和選擇研究路線，設(shè)計實驗方案。

由此可見，機械制造工藝學(xué)課程內(nèi)容具有極強的綜合性、理論性、實踐性和應(yīng)用性。對于應(yīng)用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)，這門課程起到了至關(guān)重要的作用[3]。但是，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)通常采用“教師講、學(xué)生被動聽”的枯燥模式，存在以下問題：

（1）對于理論知識學(xué)生掌握僅停留在書面，對于各部分內(nèi)容的掌握尚可但缺乏清晰完整的概念，無法建立理論和實際之間的聯(lián)系從而導(dǎo)致對于工程實際問題無從下手。

（2）對于應(yīng)用類知識，課堂授課無法達到使學(xué)生“身臨其境”的效果，無法在腦海中清晰地建立機械加工工藝系統(tǒng)（即刀具、機床、工件和夾具之間的位置關(guān)系以及加工工程的運動關(guān)系），為了讓學(xué)生能掌握扎實，通常教師不得不增加知識點的教學(xué)時間，反復(fù)灌輸，效率低、效果差。

（3）特別值得注意的是，這門課程需要學(xué)生掌握的知識點共7章，章節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣、知識具有極強的系統(tǒng)性。而理論課教學(xué)時間達到了44學(xué)時，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)會后面忘記前面，很難系統(tǒng)掌握。若遇到具體的工程實踐項目，依然存在“摸不著頭腦”現(xiàn)象。

一、研究內(nèi)容與總體思路

為了鞏固理論知識，機械設(shè)計、液壓與氣壓傳動等課程分別設(shè)置了相應(yīng)的“課程設(shè)計”，通過具體的課題練習(xí)建立起理論知識與實踐應(yīng)用之間的聯(lián)系。然而在機械專業(yè)的課程體系中，沒有單獨為機械制造工藝學(xué)課程設(shè)置課程設(shè)計。借鑒課程設(shè)計教學(xué)模式，若將實踐課題以項目的形式布置給學(xué)生并和理論教學(xué)同時進行，能夠形成以“項目”流程為牽引、以鍛煉能力為目的的教學(xué)新方法，這種方法又稱為“項目教學(xué)法”[4]。項目教學(xué)法是指將工程實踐問題以“項目”的形式布置給學(xué)生，在進行項目的過程中掌握并運用所學(xué)的相關(guān)知識[5]。項目團隊根據(jù)機械制造工藝學(xué)課程特點和目標，以能力培養(yǎng)為目標、以工作過程為導(dǎo)向、以具體的項目化實踐性教學(xué)為基本點，構(gòu)建了適用于本門課程的項目教學(xué)法實施流程和評價措施。

1. 課程教學(xué)內(nèi)容和項目選題：機械制造工藝學(xué)課程教學(xué)大綱涵蓋7章內(nèi)容，緒論、機械加工工藝規(guī)程設(shè)計、機床夾具設(shè)計、機械加工精度、典型零件的加工工藝分析、機械加工表面質(zhì)量及其控制、機器裝配工藝過程設(shè)計。針對課程內(nèi)容，項目內(nèi)容設(shè)置為“機床專用夾具設(shè)計”。構(gòu)建不同零件的不同加工形式機床專業(yè)夾具設(shè)計題庫供教學(xué)使用，例如“鏜削液壓泵上體三臺階孔車床夾具設(shè)計”。

2. 項目組織形式及實施過程管控：采用以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，將主動權(quán)交給學(xué)生。成立學(xué)生項目小組并安排組長，項目實施全程學(xué)生自己負責(zé)、擔當工程師角色。組長負責(zé)組會的組織、任務(wù)分工安排、總體進度掌握，著重培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。通過理論與實踐相結(jié)合的鍛煉以項目帶動知識學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。教師負責(zé)項目執(zhí)行過程中的答疑解惑和最終的項目評價。

3. 項目教學(xué)過程的評價措施：構(gòu)建了項目實施全程考核和最終答辯相結(jié)合的評價方法，將評價結(jié)果劃分為優(yōu)、良、中、差、不及格五個等級。考察內(nèi)容包含項目的完成進度、項目的預(yù)期成果完成情況、項目總體方案的合理性、項目設(shè)計的嚴謹性、項目設(shè)計或論述的整體創(chuàng)新性、團隊意識和溝通能力等。

4. 基于項目教學(xué)法的課程評價體系：構(gòu)建基于過程的、綜合考核學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的層次化分級教學(xué)評價標準，形成以產(chǎn)出為導(dǎo)向、量化可控、多路反饋的能力達成度精準評價體系。課程的考核的環(huán)節(jié)包括課后作業(yè)（占比10%）、項目課（占比20%）、實驗（占比10%）、期末考試（占比60%），各環(huán)節(jié)成績均以百分制記錄。

二、實施過程與實施結(jié)果

（一）項目執(zhí)行流程

采用項目教學(xué)法培養(yǎng)的學(xué)生更加符合當今社會對制造業(yè)高級人才知識、能力、素質(zhì)的綜合需求，可有效提升學(xué)生的就業(yè)率，更好地體現(xiàn)教育服務(wù)于社會的宗旨[6]。項目教學(xué)過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，在做中學(xué)，學(xué)以致用[7]。已在機械與汽車工程學(xué)院機械12級-17級、卓越計劃試點13級-17級的教學(xué)過程中實施，具體的實施方法和步驟如下：

1. 成立由4～5名同學(xué)組成的項目小組，一般按學(xué)生的學(xué)號尾號為順序順延組隊，并由小組同學(xué)選舉一名同學(xué)為組長。學(xué)生具體人數(shù)由教師根據(jù)項目的工作量安排。

2. 由教師從項目題庫中選擇課題并安排給各個小組，各組學(xué)生根據(jù)目標零件的結(jié)構(gòu)、尺寸、形位公差等特性制訂項目計劃和時間節(jié)點，制訂項目計劃書并進行分工安排。

3. 學(xué)生依據(jù)制訂的計劃和各自任務(wù)分解開展項目設(shè)計并定期進行小組討論，匯總項目進度并分析目前存在的問題，小組協(xié)商制定下一階段任務(wù)工作。教師利用少量理論課時間進行答疑解惑。

4. 項目設(shè)計完成后，依據(jù)考核要求撰寫項目報告、匯報PPT，完善夾具的三維圖、二維工程圖并制作動畫。由至少2名教師組成答辯專家組，聽取學(xué)生的匯報、指出不足和修改建議、給出項目教學(xué)部分成績。

（二）項目技術(shù)方案

經(jīng)歷6年的實踐，針對機械制造工藝學(xué)課程特點，題庫已經(jīng)涵蓋車、銑、鉆等基礎(chǔ)加工工藝，每種加工形式包括3～4種典型零件。豐富的題庫為“項目教學(xué)法”的進一步實施提供了扎實基礎(chǔ)。課程項目包括工藝制訂、定位方案分析、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和定位誤差分析。主要內(nèi)容如下。

1. ××零件的機械加工工藝規(guī)程的制訂（小組協(xié)作）

確定毛坯種類、選擇定位基準和表面加工方法、確定加工順序及工序集中程度、確定工藝裝備、計算確定加工余量和工序尺寸及公差、計算確定切削用量及工時定額。

要求：必須保證指定××零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率要求，方案合理可行。

提交：確定最優(yōu)方案后，填寫工藝過程卡和工序卡各一份。

2. 加工××零件的×工序?qū)Ｓ脢A具的設(shè)計（一生一題，無重復(fù)）

確定該工序夾具的定位、對刀導(dǎo)引和夾緊方案，繪制結(jié)構(gòu)草圖并進行定位誤差、夾緊力、力源裝置等的計算，詳細確定各主要結(jié)構(gòu)尺寸。繪制夾具結(jié)構(gòu)的正式裝配圖（工件處于夾緊狀態(tài)、標注有關(guān)尺寸及公差配合、填寫零件明細表和技術(shù)條件）。

要求：采用合適的定位元件組合、滿足六點定位原則、夾緊力滿足加工要求、采用液壓缸、氣缸等自動夾緊裝置，設(shè)計圖紙須符合國家標準和機械制圖規(guī)范。

提交：繪制完整的夾具裝配圖一張（2D、比例1∶1、圖幅A0/A1）。

3. 專用夾具的虛擬裝配（一生一題，無重復(fù)）

根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)的正式圖，繪制零件3D圖、完成夾具3D模型的虛擬裝配并實現(xiàn)裝配過程的動態(tài)展示。

提交：繪制夾具3D模型一份。

4. 撰寫設(shè)計說明書和制作PPT

設(shè)計說明書是對以上內(nèi)容的分析、計算和設(shè)計的全面總結(jié)，內(nèi)容應(yīng)語句通順、圖表清晰，符合國家及專業(yè)部門制定的有關(guān)標準，符合漢語語法規(guī)范;相關(guān)計算要有公式和過程，查表獲得的數(shù)據(jù)要有出處。PPT用于最后的答辯。

（三）實施結(jié)果

統(tǒng)計了長達6年的“項目教學(xué)法”實施過程中學(xué)生成績情況，以得分率為參數(shù)對學(xué)生的知識掌握程度進行分析，得分率為學(xué)生取得成績與滿分成績的比值。以500余名學(xué)生為樣本的成績統(tǒng)計見表1，表中數(shù)據(jù)為歷年學(xué)生得分率的平均值。根據(jù)表中分析可得出以下結(jié)論。

表1 項目成績與期末考試成績得分率占比

1. 期末考試成績得分率在57%～74%之間浮動，這說明了當以期末考試作為主要考核手段時，學(xué)生對知識的掌握僅處于及格水平，也證明了期末考試驅(qū)動的學(xué)習(xí)效果不佳。

2. 項目成績得分率在78%～88%范圍浮動，普遍達到了良好水平，這說明采用項目驅(qū)動方法進行教學(xué)學(xué)生對知識的掌握能力顯著提升;尤其是14級學(xué)生的成績樣本顯示，項目成績得分率比期末考試成績得分率高出27個百分點。

3. 歷年項目成績得分率均值浮動較小，除了14級88%的樣本之外，其余5年的均值都在3%以內(nèi)浮動。一方面，這說明項目教學(xué)法采用的題庫、實施流程、評價方法更為合理;另一方面，說明了采用項目教學(xué)法對學(xué)生培養(yǎng)效果較好。而期末考試成績得分率均值浮動較大、6年樣本之間分散性明顯，在17%范圍浮動。這也充分證明了采用期末考試作為考核標準的劣勢，教師所設(shè)置試題知識點很難全面覆蓋龐大的知識體系，因而期末考試成績無法全面表征學(xué)生對知識的掌握程度且偏差較大。

三、結(jié)論

（一）構(gòu)建了具有機械制造工藝學(xué)課程特色的項目

教學(xué)實施方法

機械制造工藝學(xué)課程是以多門專業(yè)課為基礎(chǔ)，教授解決“零件制造工藝、夾具設(shè)計及加工質(zhì)量”實踐問題的綜合性課程，通過“項目教學(xué)法”的實施，能夠串聯(lián)理論與應(yīng)用并起到事半功倍的效果。相比機械專業(yè)類的其他課程，課程特色決定采用“項目教學(xué)法”更有利于新時代的人才培養(yǎng)。不但如此，在實施過程中還能夠提升學(xué)生在教學(xué)過程中的主人翁意識、團隊意識和創(chuàng)新意識。

（二）構(gòu)建了過程和綜合能力評價的多元化考核評

價體系

不僅課程項目具有獨立的研究設(shè)計內(nèi)容、考核節(jié)點、考核評分標準、設(shè)計報告和演示匯報等。而且將學(xué)生平時作業(yè)、實驗成績、隨堂測驗、討論課、項目成績和期末考試成績等多個環(huán)節(jié)納入課程的考核指標體系中，綜合考核學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)，對學(xué)生的課程學(xué)習(xí)實行全過程管理。使學(xué)生能夠全程主動參與到教學(xué)活動中，并且能夠全面考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、掌握知識和運用知識的能力、動手和實踐能力，有力地促進了學(xué)風(fēng)和考風(fēng)建設(shè)。

（三）構(gòu)建了五層次、分階段、循序漸進的大實踐教學(xué)體系

基于項目教學(xué)法，將理論教學(xué)、實驗教學(xué)、項目實施、實習(xí)實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)逐層遞進，形成全方位、立體化的五層次、分階段、循序漸進的課內(nèi)課外融合互補的大實踐教學(xué)體系。搭建技能大賽和科技競賽平臺，構(gòu)建大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)新模式，使技能大賽和科技競賽成為高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的有效途徑。

參考文獻：

[1]王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[2]王啟平.機械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]王玉玲，楊發(fā)展，劉琨明.機械制造工藝學(xué)教學(xué)資源系統(tǒng)建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇，2014（6）：168-170.

[4]胡明清，王光輝.基于OBE模式的應(yīng)用型本科教學(xué)團隊建設(shè)研究[J].經(jīng)營管理者，2017（23）：227-228.

[5]YANG J J， LI C H， ZHAN H， et al. Reform and practice of the teaching and assessment methods for the metal cutting machine tool design course based on project teaching method [C]//International conference on education， e-learning and management technology， 2016（44）：469-473.

[6]YANG Y， JIANG J L， WANG D X， et al. Construction of innovative teaching system and mode for mechanical principle course facing ability target of international engineering education [J]. Advances in social science， education and humanities research， 2016（91）：173-176.

[7]鄭華林，胡騰，董亮亮.基于項目教學(xué)法的《機械制造工藝學(xué)》課程教學(xué)改革與實踐[J].科技風(fēng)，2021（6）：52-53.