智能制造專業(yè)先進(jìn)制造工藝課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

摘 要 在半導(dǎo)體、航空航天等新興產(chǎn)業(yè)推動(dòng)下，智能制造專業(yè)先進(jìn)制造課程的地位越來(lái)越重要。為此，文章從教學(xué)理念與目標(biāo)、知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)實(shí)踐三個(gè)方面，討論本課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐。課程教學(xué)理念以新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和國(guó)際化視野。課程知識(shí)結(jié)構(gòu)以工程應(yīng)用和工藝創(chuàng)新為導(dǎo)向，覆蓋了超精密切削、激光加工、增材制造等先進(jìn)制造工藝。課程教學(xué)采用問(wèn)題導(dǎo)向法、創(chuàng)新實(shí)踐和案例分析法，以半導(dǎo)體芯片制造案例分析為主線，貫穿課程大綱的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 智能制造專業(yè)；新工科；課程建設(shè)；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.3.035

Construction and Teaching Practice of Advanced Manufacturing Process Course for Intelligent Manufacturing Engineering

GAO Peng1， ZAN Tao1， XIANG Junfeng2， FU Zhongtao3

（1.Beijing University of Technology， Beijing 100124;

2. School of Civil Aviation， Northwestern Polytechnical University， Xi'an， Shanxi 710072;

3.School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan University of Engineering， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Driven by emerging industries such as semiconductors and aerospace， the position of advanced manufacturing courses in the field of intelligent manufacturing is becoming increasingly important. Therefore， the article discusses the construction and teaching practice of this course from three aspects： teaching philosophy and objectives， knowledge structure， and teaching practice. The teaching philosophy of the course is guided by the demand for talents in the development of emerging industries， cultivating students' innovation ability， practical ability， and international perspective. The course knowledge structure is guided by engineering applications and process innovation， covering advanced manufacturing processes such as ultra precision cutting， laser processing， and additive manufacturing. The course teaching adopts a problem oriented approach， innovative practice， and case analysis method， with semiconductor chip manufacturing case analysis as the main thread， running through various knowledge points of the course outline.

Keywords intelligent manufacturing engineering; new engineering; curriculum construction; teaching practice

半導(dǎo)體、航空航天和新能源等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的工科專業(yè)教育已經(jīng)不能夠適應(yīng)時(shí)代要求。為此，我國(guó)開(kāi)始研究符合中國(guó)國(guó)情的教育新理念、新模式、新方法，積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，打好提高質(zhì)量、創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制攻堅(jiān)戰(zhàn)[1-2]。智能制造專業(yè)是新工科的重要組成部分之一，其專業(yè)建設(shè)對(duì)新工科建設(shè)具有重要的意義。后工業(yè)社會(huì)和制造業(yè)轉(zhuǎn)型是未來(lái)研究的重點(diǎn)，先進(jìn)制造工藝也是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。先進(jìn)制造工藝作為智能制造專業(yè)建設(shè)的重要組成部分，其教學(xué)成效對(duì)智能制造專業(yè)建設(shè)具有重要的意義。

先進(jìn)制造技術(shù)關(guān)系到國(guó)家生存發(fā)展的命脈。我國(guó)作為制造大國(guó)，然而在半導(dǎo)體制造等先進(jìn)工藝方面落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。以芯片半導(dǎo)體和航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)亟須提高。先進(jìn)制造工藝課程作為智能制造專業(yè)的主干課程，其教學(xué)建設(shè)和教學(xué)方法尚不成熟。傳統(tǒng)機(jī)械工程專業(yè)的工藝制造教學(xué)模式已滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中，如何培養(yǎng)滿足智能制造需求的高端人才，是現(xiàn)代高端制造業(yè)發(fā)展面臨的重大理論與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

目前，機(jī)械工程相關(guān)的課程其教材和教學(xué)方法更新速度緩慢，與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)[2]。傳統(tǒng)機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)方案的知識(shí)結(jié)構(gòu)單一，課程實(shí)踐能力培養(yǎng)固化于單一的技能訓(xùn)練[2]。因而，傳統(tǒng)的課程體系不能夠滿足智能制造專業(yè)的發(fā)展和復(fù)雜化的實(shí)際工程需求。雖然智能制造專業(yè)布局趨于合理，但制造工藝課程與實(shí)踐建設(shè)尚待成熟，先進(jìn)制造課程各學(xué)科知識(shí)融合的探究亟須加強(qiáng)。工科建設(shè)還普遍存在問(wèn)題，用國(guó)際等效標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)工科專業(yè)，課程體系建設(shè)方面達(dá)標(biāo)的占比不超過(guò)60%[3]。相關(guān)課程對(duì)開(kāi)發(fā)或設(shè)計(jì)解決工程問(wèn)題方案、綜合考慮非技術(shù)性因素、分析復(fù)雜工程問(wèn)題、創(chuàng)新等能力的評(píng)價(jià)相對(duì)較低，學(xué)科專業(yè)建設(shè)不足[2-4]。雖然部分學(xué)者對(duì)智能制造專業(yè)建設(shè)作了系統(tǒng)的研究，然而在重設(shè)計(jì)輕工藝氛圍的影響下，各個(gè)高校對(duì)智能制造專業(yè)工藝維度的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐認(rèn)識(shí)依然不足。大多數(shù)教師只停留在先進(jìn)制造基本理論講授，缺少對(duì)具體教學(xué)方法的分析，同時(shí)大多數(shù)學(xué)者對(duì)教學(xué)實(shí)踐的研究較少，對(duì)先進(jìn)制造課程教學(xué)中存在的問(wèn)題認(rèn)知不足。具體體現(xiàn)在：

①先進(jìn)制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)是一個(gè)新的教育理論和實(shí)踐問(wèn)題。傳統(tǒng)機(jī)械工程人才培養(yǎng)模式已不能滿足智能制造發(fā)展的需求，迫切需要變革人才培養(yǎng)模式。

②傳統(tǒng)機(jī)械工程專業(yè)的教育教學(xué)模式已滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，知識(shí)體系更新速度緩慢。先進(jìn)制造工藝課程內(nèi)容滯后，缺少與生產(chǎn)實(shí)際的融合[5]。如何建立滿足智能制造先進(jìn)制造需求的課程知識(shí)結(jié)構(gòu)，是課程知識(shí)結(jié)構(gòu)調(diào)整和教學(xué)實(shí)踐面臨的突出問(wèn)題。

③先進(jìn)制造工藝課程作為智能制造專業(yè)的一門新課程，其任課教師、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)教材尚未形成系統(tǒng)，而有效的教學(xué)方法和教學(xué)實(shí)踐是課程建設(shè)中面臨的重要問(wèn)題。

為此，本文從智能制造專業(yè)先進(jìn)制造工藝課程建設(shè)理念、課程知識(shí)結(jié)構(gòu)和課程教學(xué)實(shí)踐等方面，討論新工科背景下智能制造工程專業(yè)先進(jìn)制造工藝課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐方法。

1" 先進(jìn)制造工藝課程的教學(xué)理念與目標(biāo)

先進(jìn)制造工藝課程是智能制造工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課。課程主要講授先進(jìn)制造工藝與裝備。課程主要面向智能制造工程或機(jī)械工程專業(yè)的高年級(jí)本科生。

1.1" 課程教學(xué)理念

先進(jìn)制造工藝課程教學(xué)理念旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國(guó)際化視野。在課程大綱設(shè)計(jì)中應(yīng)加入工藝創(chuàng)新方法和前沿制造工藝，課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)制造技術(shù)“新、精、?！钡奶攸c(diǎn)。首先，以立德樹(shù)人為導(dǎo)向，把課堂知識(shí)與國(guó)家大制造工程項(xiàng)目知識(shí)相融合， 培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，使學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀。其次，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生參加工程實(shí)踐，以智能制造技術(shù)創(chuàng)新為核心培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[6]。最終培養(yǎng)出具有繼續(xù)學(xué)習(xí)能力、國(guó)際視野、社會(huì)責(zé)任、組織協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)精神與職業(yè)道德的創(chuàng)新型人才。

先進(jìn)制造工藝課程的建設(shè)理念要符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。根據(jù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，培養(yǎng)適應(yīng)前沿科技進(jìn)步，德智體美勞全面發(fā)展，知識(shí)、能力、人格三位一體，工程基礎(chǔ)理論扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)寬厚、實(shí)踐能力突出，獲得良好工程訓(xùn)練，能夠勝任先進(jìn)制造生產(chǎn)與工藝創(chuàng)新的人才。約束教學(xué)實(shí)踐中的生成階段與探索階段，形成學(xué)生的“全線閉環(huán)”創(chuàng)新性思維培養(yǎng)[7]。

1.2" 課程育人與教學(xué)目標(biāo)

本課程旨在培養(yǎng)具有現(xiàn)代先進(jìn)制造意識(shí)的創(chuàng)新型人才。首先從整個(gè)課程“面”的維度進(jìn)行宏觀引導(dǎo)，講解我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展歷史，了解“中國(guó)制造2025”“制造強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家重大戰(zhàn)略和倡議，鼓勵(lì)學(xué)生的學(xué)科發(fā)展與專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)該與國(guó)家發(fā)展同向同行。其次是從課程內(nèi)容講授過(guò)程中的一些“點(diǎn)”上進(jìn)行有機(jī)融合。

在教學(xué)實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)、工藝創(chuàng)新能力，通過(guò)工程實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，課程育人目標(biāo)如下：

①了解智能制造新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；②從課程“面”的維度宏觀引導(dǎo)，講解我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展歷史，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到制造新技術(shù)在國(guó)家發(fā)展中的重要性，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情；③以半導(dǎo)體芯片和航空葉片制造為案例把課程知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，使學(xué)生了解國(guó)家高端制造業(yè)的發(fā)展水平。

2" 先進(jìn)制造工藝課程知識(shí)與能力結(jié)構(gòu)

2.1" 課程設(shè)置

目前，在機(jī)械工程專業(yè)的課程設(shè)置中，實(shí)踐課程主要為金工實(shí)習(xí)，然而金工實(shí)習(xí)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法多年來(lái)基本上沒(méi)有變化，主要通過(guò)車、銑、刨、磨等加工工藝方法提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力[8]。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，激光加工、增材制造和各種電加工先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的課程已經(jīng)嚴(yán)重脫離了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。制造業(yè)的前沿技術(shù)基本原理與案例尚未納入課程教學(xué)中。相關(guān)數(shù)據(jù)表明分別有45%和41%的電氣信息類和工科畢業(yè)生認(rèn)為所學(xué)課程知識(shí)陳舊[9]，制造工藝課程知識(shí)與能力結(jié)構(gòu)明顯滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。課程組應(yīng)根據(jù)智能制造系統(tǒng)的構(gòu)成要素確立課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，確立制造工藝維度與新興行業(yè)的關(guān)系。課程教材和教法應(yīng)遵循“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的教學(xué)理念，創(chuàng)新教材內(nèi)容和形式，創(chuàng)新信息化教學(xué)方法[10]。

2.2" 課程知識(shí)結(jié)構(gòu)

先進(jìn)制造工藝課程應(yīng)堅(jiān)持工程應(yīng)用和工藝創(chuàng)新為導(dǎo)向，凸顯課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)前沿性、工程實(shí)踐性和工藝創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。根據(jù)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，課程設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)工程性和創(chuàng)新性。課程設(shè)置的內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)當(dāng)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)布局。課程知識(shí)覆蓋先進(jìn)制造前沿技術(shù)，體現(xiàn)制造與信息化的融合交叉。

課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐，使學(xué)生掌握五軸加工、超精密切削加工、激光加工、增材制造等相關(guān)先進(jìn)制造工藝（圖1），培養(yǎng)學(xué)生的交叉學(xué)科知識(shí)運(yùn)用能力。除了知識(shí)學(xué)習(xí)外，還要讓學(xué)生有更多機(jī)會(huì)參與先進(jìn)制造工藝的實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和能力。通過(guò)課外作業(yè)，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，使其了解自己對(duì)知識(shí)的掌握程度。

3" 智能制造先進(jìn)制造工藝課程教學(xué)實(shí)踐

課程采用“基礎(chǔ)概念+基本原理+應(yīng)用案例+前沿技術(shù)”教學(xué)方法。從學(xué)術(shù)研究、創(chuàng)新實(shí)踐與工程應(yīng)用角度開(kāi)展課程設(shè)計(jì)。首先，從學(xué)術(shù)研究角度教學(xué)，以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行先進(jìn)制造基本原理教學(xué)，構(gòu)建學(xué)生的理論知識(shí)體系。通過(guò)創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，通過(guò)半導(dǎo)體芯片制造和航空葉片制造案例分析培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，同時(shí)把課程知識(shí)串起來(lái)。最后，采用思維導(dǎo)圖方法對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行梳理。

采用基本工藝概念原理講授、工藝創(chuàng)新實(shí)踐半導(dǎo)體芯片制造案例分析等方法進(jìn)行課程教學(xué)。最終形成重視工藝創(chuàng)新與實(shí)踐，體現(xiàn)制造前沿技術(shù)，貫通制造各知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)實(shí)踐方法。

3.1" 工藝概念原理的問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)法

基于3W1H教學(xué)法[11]，在課程講授過(guò)程中，采用問(wèn)題導(dǎo)向法，提出涉及課程的制造知識(shí)點(diǎn)問(wèn)題，然后通過(guò)知識(shí)理論的學(xué)習(xí)解決問(wèn)題。通過(guò)“工程問(wèn)題―工藝原理―工藝方法―創(chuàng)新方法―知識(shí)梳理”的創(chuàng)新教學(xué)法講授課程。

以制造實(shí)踐問(wèn)題為引導(dǎo)，講述先進(jìn)制造工藝課程的基本概念、原理與工藝方法，以工藝概念原理問(wèn)題為導(dǎo)向，根據(jù)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與學(xué)生心理認(rèn)知的規(guī)律，采取講授、研討、小組合作等多種教學(xué)模式與方法。在講授中，要注重培養(yǎng)學(xué)生先進(jìn)制造工藝新理念和工藝創(chuàng)新能力。從提出問(wèn)題到分析制造工藝思路，培養(yǎng)學(xué)生解決先進(jìn)制造工藝復(fù)雜問(wèn)題的能力。從學(xué)術(shù)研究角度研究課程教學(xué)方法，采用多媒體課件，配合板書和工藝案例視頻等教學(xué)手段講解工藝概念原理。例如，在精密與超精密數(shù)控機(jī)床的知識(shí)點(diǎn)環(huán)節(jié)，介紹航空葉片制造過(guò)程中國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與裝備的應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到國(guó)家數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備的發(fā)展水平。

3.2" 先進(jìn)制造創(chuàng)新實(shí)踐

搭建智能制造專業(yè)工藝創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，建立校企雙向交流機(jī)制，運(yùn)用從多層次擴(kuò)展工藝創(chuàng)新實(shí)踐從“配合”到“融合”、從“一元”到“多元”、從“協(xié)助”到“協(xié)同”的產(chǎn)教融合的教學(xué)方法[2]。通過(guò)與企業(yè)合作建立學(xué)生產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐需求。先進(jìn)制造主要由光、電、聲、熱、磁、力和化學(xué)“七大能量場(chǎng)”進(jìn)行材料加工，在教學(xué)過(guò)程中使用TRIZ理論分析各種能場(chǎng)組合加工，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過(guò)實(shí)踐作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。例如，在增材制造章節(jié)，布置教學(xué)實(shí)踐作業(yè)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)意作品并自己操作完成作品的打印，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。此外，課程中講授先進(jìn)制造新技術(shù)、新方法、新模式應(yīng)用案例。通過(guò)企業(yè)具體制造需求實(shí)踐鍛煉學(xué)生的能力。建立工程制造生產(chǎn)的先進(jìn)制造工藝實(shí)踐任務(wù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程制造案例，讓學(xué)生參與生產(chǎn)單位在先進(jìn)工藝的生產(chǎn)工作，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐、知識(shí)應(yīng)用、工藝創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作等能力。

3.3" 半導(dǎo)體芯片制造案例分析

本課程以航空葉片制造和半導(dǎo)體芯片制造案例分析為主線，學(xué)習(xí)高端制造的方法。通過(guò)對(duì)國(guó)家急需突破的芯片半導(dǎo)體制造工藝案例的分析，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，培養(yǎng)學(xué)生工藝創(chuàng)新和工程認(rèn)知能力，開(kāi)闊學(xué)生的國(guó)際視野。

4" 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)制造工藝課程是智能制造專業(yè)的核心課程之一，課程的教學(xué)理念和教學(xué)方法對(duì)提升本科生培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。本文討論了新工科背景下智能制造工程專業(yè)工藝維度課程設(shè)置，采用基本工藝概念原理問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)法、工藝創(chuàng)新實(shí)踐、半導(dǎo)體芯片制造案例分析等方法對(duì)先進(jìn)制造課程教學(xué)進(jìn)行討論。課程講授先進(jìn)制造新技術(shù)、新方法、新模式應(yīng)用案例，通過(guò)具體的工程實(shí)踐鍛煉學(xué)生的工程能力。以半導(dǎo)體芯片制造案例分析為主線，把課程每個(gè)知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，方便學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶掌握。本文將為智能制造先進(jìn)制造工藝課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐提供一定的思路和借鑒意義。

*通訊作者：昝濤

基金項(xiàng)目：北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“課程達(dá)成度全過(guò)程評(píng)價(jià)和持續(xù)改進(jìn)的方法研究與實(shí)踐”（ER2022ZLA01）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“新工科背景下機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐研究”（201902168006）。

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