基于精密加工技術(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

高 尚*，郭曉光，董志剛，朱祥龍，康仁科

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 大連 116024）

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速進(jìn)行，全球制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展環(huán)境和制造技術(shù)正在發(fā)生深刻變化，中國制造面臨著新的歷史機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]。國內(nèi)各高校一貫重視學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]，本文以大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院為例，鼓勵(lì)和支持本院教師利用大連理工大學(xué)的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行本科生的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)活動，得到學(xué)生和老師的廣泛好評，但因項(xiàng)目數(shù)量的限制，難以使更多的學(xué)生通過該項(xiàng)目參與創(chuàng)新實(shí)踐活動。大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院擁有精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研平臺，為了充分利用機(jī)械學(xué)院在精密加工技術(shù)方面的科研硬件條件和師資力量，近年來一直在積極探索本科生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的新模式新方法。例如：在精密加工等專業(yè)課中，安排學(xué)生分批參觀實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生們能夠?qū)芗庸ぜ夹g(shù)有直觀的認(rèn)識，并從中吸納對科研有濃厚興趣的同學(xué)作為科研助手。此外，實(shí)驗(yàn)室還為高年級本科生開展實(shí)踐學(xué)習(xí)積極創(chuàng)造條件，本科生經(jīng)實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)合格后，進(jìn)入精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和本科畢業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)等。其中，部分優(yōu)秀的本科生從大二開始在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目支持下，與實(shí)驗(yàn)室研究生共同圍繞不同零件的加工理論、工藝和工具等系統(tǒng)的研究，相關(guān)零件的加工和檢測均在實(shí)驗(yàn)室完成，并發(fā)表論文等相關(guān)成果，使學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力得到全方位鍛煉。

本文以大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院基于精密加工技術(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，介紹大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院利用精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在精密加工技術(shù)方向的科研資源，面向現(xiàn)代機(jī)械前沿行業(yè)人才需求，從教學(xué)模式、管理機(jī)制、資源重構(gòu)等方面出發(fā)，開展基于精密加工技術(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式和方法，提高學(xué)生分析和解決問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

1.1 教學(xué)方案整體框架

通過分析國外高校較成熟的相關(guān)案例[4-5]，同時(shí)深入制造企業(yè)調(diào)查研究，使用調(diào)查問卷法和談話法了解企業(yè)的人才需求和技術(shù)創(chuàng)新需求等，確立了開放式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的整體框架。鼓勵(lì)具有實(shí)驗(yàn)和教學(xué)雙重經(jīng)驗(yàn)、師德高尚的老師擇優(yōu)選擇對科學(xué)研究有熱情、樂于實(shí)踐動手的學(xué)生“一對一”深度培養(yǎng)，精選適宜的小型科研項(xiàng)目，從相對獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)入手，以項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目，與研究生共同協(xié)作攻關(guān)難題。在教學(xué)-實(shí)踐的螺旋式學(xué)習(xí)過程中，針對學(xué)生的個(gè)性差異，因材施教，在實(shí)踐積累的過程中，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。為表現(xiàn)突出、成績優(yōu)良的學(xué)生提供科研助手、實(shí)驗(yàn)室助理等崗位，鼓勵(lì)學(xué)生在導(dǎo)師和高年級學(xué)長的協(xié)助下，研究加工測量原理，組隊(duì)參加相關(guān)科技競賽，培養(yǎng)實(shí)踐類創(chuàng)新能力，引導(dǎo)和激勵(lì)學(xué)生勇于創(chuàng)新，挖掘和培養(yǎng)優(yōu)秀人才。

1.2 多元化教學(xué)模式建設(shè)

圍繞“重視基礎(chǔ)、反映前沿、交叉綜合、突出實(shí)用”的課程建設(shè)原則，進(jìn)行課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐深度融合的課程建設(shè)。支持承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的教師廣泛結(jié)合本領(lǐng)域前沿和實(shí)驗(yàn)室條件，取精用宏，濃縮講授共性原理和基本方法，增加實(shí)踐教學(xué)的比重，實(shí)施“課堂講授+啟發(fā)互動+創(chuàng)新實(shí)踐”三體教學(xué)模式。針對關(guān)鍵的精密加工技術(shù)和測試工藝，以點(diǎn)帶面，鼓勵(lì)師德高尚、業(yè)務(wù)精湛的實(shí)驗(yàn)員開設(shè)課堂授課與實(shí)驗(yàn)一體化的專題微課。面向全校學(xué)生開設(shè)機(jī)械制造科學(xué)相關(guān)培訓(xùn)課程和專題講座，設(shè)立實(shí)驗(yàn)室開放日，給學(xué)生提供觀摩實(shí)驗(yàn)室、了解課題發(fā)展?fàn)顩r、操作儀器的機(jī)會。同時(shí)，圍繞實(shí)踐內(nèi)容，根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求和授課教師團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的科研項(xiàng)目，開設(shè)硬脆晶體基片超精密磨削技術(shù)、硬脆晶體基片研磨與拋光技術(shù)、蜂窩芯超聲切削技術(shù)與裝備、薄壁曲面零件橢圓振動切削加工等專題講座激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的主動性。圍繞教學(xué)內(nèi)容和專題講座，開展實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)，提升學(xué)生的科研意識和實(shí)踐能力。此外，邀請企業(yè)專家走進(jìn)課堂，講解企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的超精密加工技術(shù)，讓學(xué)生了解企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，增強(qiáng)對超精密加工領(lǐng)域的認(rèn)識。

1.3 教學(xué)平臺建設(shè)

從管理方法、設(shè)備投入、工藝安排等角度整合資源，優(yōu)化開放創(chuàng)新環(huán)境。首先，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室管理運(yùn)行模式是主要針對教師和研究生實(shí)施科研任務(wù)設(shè)立的，需要對此進(jìn)行修正和完善管理方法，既要滿足開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求，也要保證不影響正常的科研任務(wù)，還要考慮到安全性和儀器保管等多方面的問題。其次，部分實(shí)驗(yàn)周期長和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高的環(huán)節(jié)，例如掃描電子顯微鏡、超精密磨床等，需要考慮代用方法，例如采用光學(xué)顯微鏡代替掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測、對國產(chǎn)磨削裝備進(jìn)行改造修復(fù)或?qū)ρ菔竟に囘M(jìn)行濃縮等方案，使其能滿足學(xué)生實(shí)踐動手的需求。最后，針對本科生時(shí)間段分散、實(shí)驗(yàn)室接納人數(shù)有限的問題，考慮重構(gòu)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺，增加實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、實(shí)驗(yàn)查詢、資料下載等功能，做到反饋及時(shí)、信息有效、渠道暢通。

1.4 過程式考核方法建設(shè)

針對開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，為了全面客觀地評價(jià)學(xué)生的實(shí)踐情況和調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，建立面向研究型教學(xué)的過程式考核方法。過程化考核方法將實(shí)踐過程分為“理論自主學(xué)習(xí)報(bào)告、教師/企業(yè)專家講座學(xué)習(xí)報(bào)告、現(xiàn)場實(shí)踐報(bào)告、學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告”四個(gè)環(huán)節(jié)，并按照學(xué)生表現(xiàn)在各環(huán)節(jié)打分，最終形成課程考核成績，四個(gè)環(huán)節(jié)在考核總成績中的占比分別為20%、10%、40%、30%。其中，自主學(xué)習(xí)報(bào)告由老師根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容為學(xué)生提出開放性答案的課后作業(yè)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和基礎(chǔ)理論應(yīng)用能力；教師/企業(yè)專家講座學(xué)習(xí)報(bào)告、現(xiàn)場實(shí)踐報(bào)告、學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告等由老師根據(jù)學(xué)生選定的實(shí)踐教學(xué)題目對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生操作相關(guān)設(shè)備并完成指定零件的加工，重點(diǎn)考查學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過程重點(diǎn)考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識來分析、解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)而使學(xué)生從為了考試而學(xué)習(xí)向自主學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。

2 開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效

2.1 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)

近年來，大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)以承擔(dān)的國家自然基金重大/重點(diǎn)/面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題等國家級高水平課題為依托，在進(jìn)行科研項(xiàng)目的同時(shí)，將科研成果與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)融合，轉(zhuǎn)化為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課題，將為科研購置的工件旋轉(zhuǎn)法超精密磨床、大口徑基片研磨/拋光機(jī)、超聲輔助磨削加工中心、五軸聯(lián)動超精密車削機(jī)床、掃描電子顯微鏡、白光干涉輪廓儀、超景深顯微鏡等先進(jìn)的加工與檢測設(shè)備用于本科生的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)于開放性創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)。近三年來，以大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其專業(yè)的本科生為對象，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺上提供了硬脆晶體基片精密磨削加工技術(shù)、硬脆晶體基片精密研磨加工技術(shù)、硬脆晶體基片精密拋光加工技術(shù)、硬脆晶體基片精密加工表面/亞表面損傷檢測技術(shù)、超硬晶體材料光電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、蜂窩芯超聲輔助切削技術(shù)、薄壁曲面零件橢圓超聲振動切削加工技術(shù)等10 個(gè)實(shí)踐教學(xué)課題，機(jī)械學(xué)院在讀本科生均可在開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺上選擇自己喜歡的實(shí)驗(yàn)課題，每年參加開放性創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的學(xué)生超過200 人次，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)得到了學(xué)生的認(rèn)可。

2.2 學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力

基于搭建的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺，依托于教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的科研課題，通過指導(dǎo)學(xué)生參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目和各類科研課題，使學(xué)生自主或協(xié)助博士研究生完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、報(bào)告撰寫、學(xué)術(shù)交流等過程，鍛煉和提升學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。近3 年，教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生主持國家級創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目6 項(xiàng)、省級創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目12 項(xiàng)、校級創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目70 余項(xiàng)。學(xué)生們通過基于超精密加工技術(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對精密加工技術(shù)有了深刻認(rèn)識，開闊了知識視野，發(fā)掘了自己的學(xué)術(shù)興趣，增強(qiáng)了學(xué)術(shù)功底，拓展了知識面，對今后的工作和深造學(xué)習(xí)均有很大的啟發(fā)。此外，學(xué)生對于專題講座和現(xiàn)場實(shí)踐的學(xué)習(xí)興趣最高，由于現(xiàn)場實(shí)踐能夠使課本上的教學(xué)變成“看得到，摸得著”的機(jī)械，學(xué)生對精密零件的加工過程也有了更加直觀的見解，能夠親自操作機(jī)器也使學(xué)生增加了對學(xué)科的歸屬感，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最后，對開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體教學(xué)評價(jià)還可以反映在學(xué)生的過程化考核成績上，從最終的課程考核成績來看，成績高于80 分的學(xué)生人數(shù)達(dá)85%以上。

2.3 學(xué)生科技競賽成績

科技競賽是檢驗(yàn)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的有效方法，賽教融和能夠有效檢驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的效果?；ヂ?lián)網(wǎng)+，挑戰(zhàn)杯、數(shù)字化三維設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等科技競賽均面向機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的本科生。學(xué)生們依托于創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺，結(jié)合不同科技競賽的命題要求，自主組建參賽小組，在實(shí)踐教學(xué)平臺教學(xué)團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下完成方案設(shè)計(jì)、零件材料和工具采購、加工參數(shù)優(yōu)化、加工程序編寫等工作，參賽成員協(xié)同完成參賽作品的加工與制造。近三年來，依托于精密加工技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺，學(xué)生獲得中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)2次、銀獎(jiǎng)1 次，遼寧省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)3 次，“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外科技作品競賽一等獎(jiǎng)1 次、遼寧賽區(qū)一等獎(jiǎng)2 次，遼寧省機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)3次，獲獎(jiǎng)學(xué)生達(dá)80 余人次，學(xué)生以第一發(fā)明人申請發(fā)明專利14 余項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI 論文8 篇?；诰芗庸ぜ夹g(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以科技競賽為載體，培養(yǎng)了一批基礎(chǔ)理論扎實(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生。

3 結(jié)語

面向我國集成電路、航空航天、國防武器等先進(jìn)制造前沿行業(yè)對工科人才創(chuàng)新和實(shí)踐能力的要求，以大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院基于精密加工技術(shù)的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，研究了以理論教學(xué)為依托，以實(shí)驗(yàn)工程應(yīng)用為基礎(chǔ)的精密加工技術(shù)方向的創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，以及開放式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的導(dǎo)師制人才培養(yǎng)機(jī)制。通過有效整合實(shí)驗(yàn)資源，完善實(shí)驗(yàn)室管理方法和網(wǎng)絡(luò)化平臺，建立了高效靈活的開放式創(chuàng)新訓(xùn)練軟硬件環(huán)境，完成了教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐深度融合的課程建設(shè)，增加了啟發(fā)式教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的比重，形成了理論-實(shí)踐的系列專題課程，實(shí)現(xiàn)了精密加工技術(shù)方向的科研成果快速向本科生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)資源轉(zhuǎn)化，達(dá)到了提高教學(xué)質(zhì)量、培育學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和提升機(jī)械專業(yè)學(xué)生就業(yè)競爭力的目的。