新工科背景下《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》實(shí)踐課程教學(xué)的探索與思考

吳賢，姜峰，沈劍云，尤芳怡，李遠(yuǎn)

（1.華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 ；2.華僑大學(xué) 制造工程研究院，福建 廈門 ）

一 引言

為推動(dòng)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展，提高制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)家實(shí)施了“人工智能”以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，新戰(zhàn)略需要大量的工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、能適應(yīng)智能制造發(fā)展趨勢(shì)的高素質(zhì)人才，對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)的制造業(yè)人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)。在此背景下，教育部推出了“新工科”教育，一方面，要求高校要對(duì)“新工科”人才培養(yǎng)發(fā)揮主體作用，培養(yǎng)多樣化的創(chuàng)新型卓越工程科技人才。另一方面，國(guó)內(nèi)各高校相繼進(jìn)行工程教育認(rèn)證工作。開展工程教育認(rèn)證可以有效地推進(jìn)教育改革，提高工程教育質(zhì)量，推動(dòng)工程教育國(guó)際化，增強(qiáng)工程教育的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[1]。工程教育認(rèn)證與“新工科”在應(yīng)用型、技能型、創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)理念要求上是一致的。因此，新時(shí)代對(duì)制造業(yè)人才培養(yǎng)具有更高要求，高校作為制造業(yè)人才培養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)，在“新工科”和工程教育認(rèn)證要求下，迫切需要對(duì)原有的課程體系和內(nèi)容進(jìn)行全面改革[2,3]。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)世界的重要手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“新工科”課程體系中主要的實(shí)踐教學(xué)形式，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要方法和途徑。基于“新工科”教學(xué)要求，圍繞智能制造人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教學(xué)過程、考核方式等方面進(jìn)行系統(tǒng)的改革和實(shí)踐，總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)水平。

二 《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程體系組成

《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》是機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的主干專業(yè)課，主要講授金屬切削原理與刀具、金屬切削機(jī)床、機(jī)床夾具原理與設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)以及機(jī)械制造質(zhì)量分析與控制等基礎(chǔ)知識(shí)，具有知識(shí)覆蓋面廣、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，使學(xué)生能掌握機(jī)械制造的基本知識(shí)和技能，對(duì)制造系統(tǒng)有深入理解[4,5]。該課程教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)，三種教學(xué)形式相互促進(jìn)、相輔相成。理論學(xué)習(xí)是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)的必要基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)通過動(dòng)手實(shí)踐增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解和綜合運(yùn)用[6-8]，相對(duì)理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加突出研究探索，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力，更加突出觀察思考、綜合設(shè)計(jì)和多元分析結(jié)合，有助于提高學(xué)生的綜合科學(xué)素質(zhì)。

三 《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問題

《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程的實(shí)踐性非常強(qiáng)，單調(diào)的課堂教學(xué)往往效果不夠理想。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是把課堂知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，通過驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性以及研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多角度培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)綜合能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，是課程體系中不可或缺的教學(xué)形式[9,10]。但是，目前《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在下列問題：

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)較少。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)踐課程占比要求是20%以上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其中重要的實(shí)踐教學(xué)形式。《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》理論知識(shí)較抽象和枯燥，非常需要通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐來理解和強(qiáng)化課堂理論知識(shí)，但是目前僅設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)4 學(xué)時(shí)。

（2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，系統(tǒng)性不足。理論課堂中系統(tǒng)地講述了工件從毛坯到產(chǎn)品的全部過程，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)其中某個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，難以體現(xiàn)整個(gè)制造流程的密切相關(guān)性。目前僅開設(shè)“機(jī)床夾具現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)”和“加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)不合理，缺乏系統(tǒng)性。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，實(shí)驗(yàn)條件落后。隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，很多先進(jìn)制造技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，如刀具、裝夾和檢測(cè)等相關(guān)新技術(shù)，但目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，多年沒有更新，實(shí)驗(yàn)技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)實(shí)際工程應(yīng)用中最新技術(shù)。

（4）考核方式不合理，缺乏持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，考核形式主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，平時(shí)成績(jī)流于形式，實(shí)驗(yàn)報(bào)告經(jīng)常出現(xiàn)大面積抄襲，導(dǎo)致教師無法得到正確的教學(xué)效果反饋。

由于這些問題的存在，導(dǎo)致《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到理想學(xué)習(xí)效果。因此，面對(duì)“新工科”教學(xué)要求，有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和工程應(yīng)用能力，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后快速適應(yīng)工作環(huán)境具有良好的促進(jìn)作用，從而提升畢業(yè)生質(zhì)量。

四 《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

針對(duì)上述問題，從合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程及完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式四個(gè)方面對(duì)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施系統(tǒng)的改革措施。

1.合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

通過對(duì)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》理論知識(shí)的梳理和總結(jié)，圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)10 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括機(jī)械加工方法與刀具認(rèn)知、刀具角度測(cè)量、機(jī)床幾何精度測(cè)量、機(jī)床工藝系統(tǒng)靜剛度測(cè)量、典型夾具拆裝、切削力測(cè)量、切削溫度測(cè)量、切屑形貌觀察與控制、加工質(zhì)量測(cè)量與分析以及加工誤差統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課程不同章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，分別從刀具、機(jī)床、夾具、工藝以及質(zhì)量五個(gè)模塊涵蓋機(jī)械制造從毛坯到產(chǎn)品的全過程，如圖1 所示。刀具、機(jī)床和夾具模塊主要讓學(xué)生掌握機(jī)械制造，涉及到常用的相關(guān)儀器設(shè)備，工藝模塊主要讓學(xué)生理解機(jī)械制造工藝過程及其狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，質(zhì)量模塊則主要讓學(xué)生掌握常見的機(jī)械加工質(zhì)量測(cè)量和分析技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即包含基礎(chǔ)練習(xí)實(shí)驗(yàn)，也包含綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和研究探索實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)練習(xí)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)認(rèn)識(shí)、基本概念理解和基本儀器使用訓(xùn)練；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要是利用基本知識(shí)和技能來解決工程技術(shù)問題；研究探索實(shí)驗(yàn)主要是學(xué)生自主選題，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來探索新知識(shí)和新技能。通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合理分布，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間是相互聯(lián)系的，而不是孤立的工藝環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將機(jī)械制造流程中不同工藝環(huán)節(jié)完整的串聯(lián)起來，有助于學(xué)生深入理解不同工藝環(huán)節(jié)的密切關(guān)聯(lián)性以及相互影響作用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程技術(shù)問題。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊

2.更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是支撐《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)條件，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的必備教具。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備過時(shí)，嚴(yán)重落后于當(dāng)前智能制造背景下的機(jī)械制造發(fā)展水平，往往難以獲得理想的教學(xué)效果[11-12]。例如，刀具角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，所用設(shè)備為車刀量角儀，只能簡(jiǎn)單測(cè)量傳統(tǒng)車刀角度，無法測(cè)量機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛的銑刀角度。切削溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)教學(xué)使用熱電偶測(cè)溫法，相比而言，紅外熱像儀能測(cè)量整個(gè)加工區(qū)域溫度場(chǎng)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。加工誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)中，使用千分尺測(cè)量圓柱銷直徑，而自動(dòng)化生產(chǎn)線上光學(xué)投影尺寸測(cè)量技術(shù)已得到成熟應(yīng)用。學(xué)生無法接觸和掌握實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用技術(shù)，導(dǎo)致在今后工作中無法直接運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，一定程度上降低了畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量。

針對(duì)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合制造企業(yè)中實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括刀具檢測(cè)儀、紅外熱像儀、影像尺寸測(cè)量?jī)x、手持粗糙度儀等等，如圖2 所示，已成功使用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。此外，還制作了切屑樣本，自主搭建了機(jī)床工藝系統(tǒng)靜剛度測(cè)量裝置。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅可滿足《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，還為學(xué)生科創(chuàng)工作提供硬件條件，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

圖2 更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵循實(shí)驗(yàn)老師講解示范和學(xué)生被動(dòng)接受的教學(xué)模式，教學(xué)過程主要以“教”為主，對(duì)“學(xué)”關(guān)注較少，學(xué)生的動(dòng)手操作少，主動(dòng)思考意識(shí)弱，缺乏培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力[13]。為適應(yīng)“新工科”教學(xué)形式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上需要結(jié)合不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際情況，探索不同教學(xué)模式和方法，轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)思維，探索豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，增加實(shí)驗(yàn)過程中的設(shè)計(jì)性，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究性，來提高學(xué)生動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)性，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

例如，在切削力和溫度、加工質(zhì)量等實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生自己來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)所學(xué)的切削原理知識(shí)來自主選擇實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，增強(qiáng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與度，提升學(xué)生對(duì)工藝參數(shù)的理解程度。在做完實(shí)驗(yàn)后，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及理論分析過程，除講解傳統(tǒng)上通過對(duì)數(shù)圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法，將目前廣泛應(yīng)用的Origin、Excel 等計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理手段引入，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中既有學(xué)生獨(dú)立完成的部分，又有小組討論、分工合作部分，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果為目標(biāo)，通過多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中通過強(qiáng)化師生互動(dòng)，杜絕全程實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生被動(dòng)跟進(jìn)的現(xiàn)象，注重學(xué)生創(chuàng)新性、批判性思維培養(yǎng)。鼓勵(lì)學(xué)生在完成基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和探索，鼓勵(lì)學(xué)生有效的將課堂知識(shí)技能與課外應(yīng)用有機(jī)融合。

4.完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核形式主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，實(shí)驗(yàn)過程的考核流于形式。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要考核學(xué)生對(duì)于復(fù)雜工程問題建立數(shù)學(xué)模型的能力，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出合理結(jié)論的能力，實(shí)驗(yàn)過程主要考核動(dòng)手實(shí)踐能力，包括操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)參與度和完成度等實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)。合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式不能簡(jiǎn)單依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還應(yīng)明確實(shí)驗(yàn)過程的量化考核方式。對(duì)學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行追蹤和記錄，不僅可以考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成度，還可以有效反饋學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的問題和難點(diǎn)，對(duì)教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程具有重要意義，指導(dǎo)教師針對(duì)難點(diǎn)部分放慢教學(xué)節(jié)奏作詳細(xì)示范案例講解，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和學(xué)習(xí)效果。

五 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果

華僑大學(xué)通過實(shí)施上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施，學(xué)生在《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)課程中總體表現(xiàn)較好，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的考核更加合理、客觀。通過教學(xué)質(zhì)量調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)，學(xué)生均認(rèn)可實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式，相比以往實(shí)驗(yàn)的積極主動(dòng)性有較大改善。盡管部分學(xué)生反映學(xué)習(xí)過程中要付出很多努力，但是收獲很多，特別是綜合運(yùn)用課堂知識(shí)來分析和解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力具有較大提升。通過學(xué)習(xí)，掌握機(jī)械制造領(lǐng)域的一些主流技術(shù)，讓學(xué)生更加清晰對(duì)畢業(yè)后未來工作規(guī)劃，有助于建立學(xué)習(xí)自信心，還有學(xué)生積極將所學(xué)技能和方法應(yīng)用在科創(chuàng)作品制造中，這些都是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升的具體體現(xiàn)。

六 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”教學(xué)要求下，通過分析《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，實(shí)施合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程以及改善教學(xué)考核方式四個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施，將機(jī)械制造工藝流程從毛坯到產(chǎn)品的不同工藝環(huán)節(jié)完整地串聯(lián)起來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有較大改善，學(xué)生綜合素質(zhì)能力具有明顯提升。同時(shí)，隨著智能制造的快速發(fā)展，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用技術(shù)不斷更新?lián)Q代，對(duì)制造業(yè)人才要求不同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要不斷探索和更新。