新技術(shù)新模式推進(jìn)機(jī)械制造實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化一流本科建設(shè)的能力培養(yǎng)

王翔，葉回春，李曉峰，李木軍，張世武

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，合肥 230027）

0 引言

隨著高等教育“雙一流”建設(shè)的持續(xù)深入，特別是中國(guó)制造已從“制造大國(guó)”開始邁向“制造強(qiáng)國(guó)”的征程，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的“工程師”培養(yǎng)，就成為中國(guó)高等教育的必然任務(wù)?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)和實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0版”等已得到國(guó)家、社會(huì)及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，更已經(jīng)成為高等院校工程學(xué)科教育的時(shí)代使命[1-2]。針對(duì)相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械制造學(xué)科，其本身不僅具有實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科特點(diǎn)，更是直接為“制造強(qiáng)國(guó)”提供核心基礎(chǔ)裝備的基礎(chǔ)學(xué)科，為此，如何在教育教學(xué)改革中體現(xiàn)新理念、新模式、新質(zhì)量要求，已有眾多高校和學(xué)者進(jìn)行不同層次和范圍的嘗試[3-4]。

從面向一流學(xué)科建設(shè)角度看，工科教育教學(xué)不僅需要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)核心知識(shí)的理解，還需要培養(yǎng)學(xué)生具有“創(chuàng)造”事物的能力，而“創(chuàng)造能力”重要特點(diǎn)之一就是其實(shí)踐性，故充分重視實(shí)踐環(huán)節(jié)教育是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)工科學(xué)生具有持續(xù)創(chuàng)新創(chuàng)造力的重要手段。為此，本文以面向一流本科建設(shè)對(duì)學(xué)生“能力”培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，以機(jī)械制造學(xué)科體系的實(shí)踐教學(xué)為背景，結(jié)合新技術(shù)應(yīng)用，改進(jìn)本科教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)教學(xué)的模式，來加強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)能力、應(yīng)用知識(shí)能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，以滿足面向全球競(jìng)爭(zhēng)的工程教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)需要。

1 新時(shí)代一流本科建設(shè)的能力培養(yǎng)對(duì)實(shí)踐教學(xué)改革要求

隨著新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興起，對(duì)一流本科教育的人才培養(yǎng)提出了新要求。大學(xué)本科教育教學(xué)的任務(wù)就是在“以學(xué)生為本”教育理念的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新創(chuàng)造型人才?？v觀現(xiàn)階段中國(guó)高等教育，絕大多數(shù)是基于教材的知識(shí)教學(xué)，基本概念（或原理）大多是通過教師的課堂教學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)來促進(jìn)學(xué)生理解，故存在著理解深度不夠和死記硬背等現(xiàn)象；而實(shí)踐的感性感知可以讓學(xué)生將書本概念轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)，同時(shí)，實(shí)踐還能有效地激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)習(xí)的自覺性和有效性。因此，實(shí)踐教學(xué)對(duì)工程學(xué)科的教育教學(xué)唯有根據(jù)時(shí)代變遷不斷地改革實(shí)踐教學(xué)的理念和模式，才能促進(jìn)和強(qiáng)化學(xué)生獲取知識(shí)能力、應(yīng)用知識(shí)能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)新時(shí)代的召喚。

我國(guó)高等教育經(jīng)歷“211”、“985”建設(shè)后，學(xué)科建設(shè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但如何利用“實(shí)踐教學(xué)”來突出能力培養(yǎng)，需要對(duì)大學(xué)本科教育的實(shí)踐類教學(xué)重新思考，現(xiàn)階段大學(xué)本科教育的實(shí)踐類教學(xué)，可按目標(biāo)導(dǎo)向分類為：1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)。是與理論課程教學(xué)中相對(duì)重要和難理解知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)理論知識(shí)理解為主要目標(biāo)。2）實(shí)習(xí)教學(xué)。是利用感性認(rèn)知和實(shí)操的實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐學(xué)習(xí)，以鞏固知識(shí)學(xué)習(xí)深度、知識(shí)應(yīng)用等基礎(chǔ)能力為主要目標(biāo)；3）綜合實(shí)踐。是利用競(jìng)賽、大學(xué)生研究計(jì)劃、畢業(yè)論文等多種形式，以知識(shí)的實(shí)際綜合應(yīng)用來提升全面能力為目標(biāo)。而前兩者是本科教育培養(yǎng)擁有“基礎(chǔ)能力”的核心，為此，對(duì)于現(xiàn)階段通常由課程實(shí)驗(yàn)、金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)幾個(gè)部分組成的機(jī)械制造學(xué)科的實(shí)踐類教學(xué)進(jìn)行多維度的改革，將能有效促進(jìn)學(xué)生“基礎(chǔ)能力”的培養(yǎng)。

2 以新模式、新技術(shù)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新提升知識(shí)獲取能力

2.1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，加強(qiáng)知識(shí)的理解

現(xiàn)階段高校中的多數(shù)課程實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)是相對(duì)獨(dú)立的，且大多“實(shí)驗(yàn)”僅是讓學(xué)生在已調(diào)試好或部分調(diào)試好的實(shí)驗(yàn)裝置上做簡(jiǎn)單操作和數(shù)據(jù)記錄、處理，無法有效促進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解。為此，我們將課程實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以提高參與度和趣味性，加強(qiáng)有效性。

對(duì)于需要深入認(rèn)知的知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，如機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量與分析，其影響因素多，且隨著機(jī)床類型不同而不同。為此，首先將需要深入理解的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖鳛橐粋€(gè)大作業(yè)，讓學(xué)生自由組合成小組、擬訂實(shí)驗(yàn)方案，以小組形式在課堂上講解，與大家共同討論后，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性來進(jìn)行可變參數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)操作，并與不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)小組來一起分析。在熱烈的討論、辯論中，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)了多知識(shí)的綜合應(yīng)用，將被動(dòng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生積極參與的開放性實(shí)驗(yàn)，有效培養(yǎng)了知識(shí)獲取能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作和表達(dá)的能力，了解實(shí)際問題的解決方法，真正實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)。

2.2 應(yīng)用新技術(shù)來提升知識(shí)學(xué)習(xí)的能力

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已與機(jī)械工程學(xué)科緊密融合，教學(xué)中CAI（Computer Aided Instruction，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)）業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。CAI可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)結(jié)果分析，既提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，也能有效地促進(jìn)知識(shí)的學(xué)習(xí)。為此，對(duì)于需要較深入學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研制了一系列計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1），分別為機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、導(dǎo)軌及直線運(yùn)動(dòng)精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、機(jī)床靜剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和機(jī)械加工誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)有效增強(qiáng)了學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)的能力。

圖1 計(jì)算機(jī)輔助的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

對(duì)于需要系統(tǒng)化深入認(rèn)知的知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，如實(shí)驗(yàn)裝備需求高，機(jī)床、刀具和加工環(huán)境要求高[5]，加工精度高的基于金剛石刀具的超精密加工教學(xué)實(shí)驗(yàn)，其切削原理是切削深度小于10 μm的微量切削過程，與常規(guī)加工的去除機(jī)理有所不同，如圖2所示。為此，開發(fā)了金剛石刀具超精密加工虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[6]，如圖3所示，來模擬真實(shí)設(shè)備操作，不僅可以完整展現(xiàn)超精密加工過程，還可以結(jié)合理論課程來認(rèn)知切削過程的微觀機(jī)理，從而進(jìn)一步深化知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。

圖2 超精密加工的切削原理

圖3 超精密切削加工虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 以新理念、新技術(shù)下的實(shí)踐教學(xué)變革強(qiáng)化知識(shí)應(yīng)用能力

3.1 新技術(shù)下金工實(shí)習(xí)促進(jìn)知識(shí)更新與應(yīng)用能力

面向裝備的機(jī)械制造能力是建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的核心，制造能力提高不僅體現(xiàn)在制造系統(tǒng)的水平，還關(guān)乎制造對(duì)象的“可制造性”，或狹義稱之為“工藝性能”，其反映零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)工藝方法的關(guān)系，“工藝性好”表示可以用某種加工方法相對(duì)經(jīng)濟(jì)、快速加工出滿足質(zhì)量要求的零件。因此，“可制造性”是機(jī)械制造課程的最重要知識(shí)點(diǎn)之一，也是與產(chǎn)品制造直接關(guān)聯(lián)的最基礎(chǔ)的應(yīng)用能力之一。

現(xiàn)階段，眾多高校的“金工實(shí)習(xí)”定位在機(jī)械加工的簡(jiǎn)單認(rèn)知和操作上，與課程教學(xué)的脫節(jié)使得其實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果很有限。為此，我們?cè)谄胀ǖ恼J(rèn)知性教學(xué)基礎(chǔ)上，將其與制造技術(shù)課程教學(xué)相結(jié)合，既關(guān)注理論課程知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐，也引入各種新技術(shù)的實(shí)踐，結(jié)合新技術(shù)的原理和關(guān)鍵工藝特征分析，來認(rèn)知新技術(shù)對(duì)制造能力的影響，在促進(jìn)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，引導(dǎo)知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

如作為特種加工工藝的電火花線切割加工，其在計(jì)算機(jī)控制下可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜度的二維扁平零件加工；而隨著技術(shù)進(jìn)步，電火花線切割現(xiàn)在不僅可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的精度，還可以直接加工準(zhǔn)三維的零件。如圖4所示，對(duì)于儀器中應(yīng)用的較小尺度導(dǎo)軌副，傳統(tǒng)銑刨方法的工藝性和精度較差，而利用線切割可直接獲得微米量級(jí)間隙的燕尾形導(dǎo)軌副，大大提高了加工“工藝性能”。

圖4 電火花加工小型導(dǎo)軌副

同樣地，近年來持續(xù)熱度的3D打印技術(shù)，其基于逐層增材的成形原理，相對(duì)于傳統(tǒng)的刀具減材加工和鑄鍛焊的等材加工[7]，其核心技術(shù)特征是可制造任意復(fù)雜度的真三維結(jié)構(gòu)，很大程度上顛覆了傳統(tǒng)制造對(duì)零件結(jié)構(gòu)的“工藝性能”要求，如圖5所示的內(nèi)外曲面壺體、中空壺嘴和手柄一體的小水壺模型。將其納入在“金工實(shí)習(xí)”實(shí)踐環(huán)節(jié)，并與課程教學(xué)的“工藝性能”及對(duì)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等多知識(shí)點(diǎn)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，有效地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖5 3D打印制作的模型

3.2 基于問題學(xué)習(xí)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)增強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用能力

機(jī)械學(xué)科是在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來的，作為制造技術(shù)課程重要內(nèi)容之一的“加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)”，必須通過面向工藝的“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”教學(xué)才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

由于社會(huì)、企業(yè)等環(huán)境變化，“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”大多演變?yōu)橹皇窃诠S的觀摩，學(xué)生幾乎沒有學(xué)習(xí)積極性，更談不上將理論與實(shí)際結(jié)合來培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。為此，我們將其與“工藝課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程融為一體：首先讓學(xué)生在校內(nèi)拆裝、測(cè)繪典型的機(jī)械部件（如圖6所示的齒輪泵），來了解和熟悉該產(chǎn)品的性能、用途，明確各零件裝配關(guān)系及作用，以及其結(jié)構(gòu)工藝性；再分配其需要進(jìn)行“工藝規(guī)程設(shè)計(jì)”的典型零件（如軸類、箱體類、盤套類和齒輪）；讓學(xué)生帶著“問題”去生產(chǎn)該部件的企業(yè)，了解企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)及工藝流程，結(jié)合實(shí)習(xí)中現(xiàn)場(chǎng)講解來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)習(xí)方法；再回到校內(nèi)讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)階段我國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)水平，結(jié)合新技術(shù)的應(yīng)用，以單件、小批生產(chǎn)工藝特征為基礎(chǔ)，來完成“工藝課程設(shè)計(jì)”任務(wù)。不僅減少了對(duì)實(shí)習(xí)企業(yè)生產(chǎn)的過多干擾，也使學(xué)生能依據(jù)課程學(xué)習(xí)中的基本方法步驟來進(jìn)行相對(duì)完整的實(shí)踐訓(xùn)練。有效地提高了學(xué)生在實(shí)習(xí)過程的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和解決實(shí)際問題能力，在發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性的同時(shí)，創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力也得到了有效訓(xùn)練和培養(yǎng)。

圖6 齒輪泵

4 結(jié)語

結(jié)合我校機(jī)械學(xué)科的一流建設(shè)，從培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的“卓越工程師”目標(biāo)出發(fā)，對(duì)機(jī)械制造學(xué)科的實(shí)踐類教學(xué)進(jìn)行了改革。主要有：將CAI、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)引入到課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，來促進(jìn)和深化知識(shí)的學(xué)習(xí)；在金工實(shí)習(xí)中將特種加工和3D打印技術(shù)的實(shí)操與“工藝性能”學(xué)習(xí)結(jié)合，在提升學(xué)習(xí)興趣的過程中進(jìn)一步加深理論知識(shí)學(xué)習(xí)和知識(shí)應(yīng)用能力培養(yǎng)；將生產(chǎn)實(shí)習(xí)和工藝課程設(shè)計(jì)融為一體，以問題為導(dǎo)向，結(jié)合感性的拆裝和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)解決工程實(shí)際問題和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。