基于高素質人才培養的實驗教學改革與創新
——以電解加工實驗教學課程為例

葛永成， 朱永偉， 宋愛平

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127）

0 引 言

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。新中國成立尤其是改革開放以來，我國制造業持續快速發展，有力推動工業化和現代化進程，顯著增強綜合國力，支撐世界大國地位［1］。當前，新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑，必須緊緊抓住這一重大歷史機遇，加強統籌規劃和前瞻部署［2］。為此，國務院出臺《中國制造2025》實施制造強國戰略的行動綱領，明確提出五大制造工程建設目標，突破關鍵技術和工程化、產業化瓶頸，搶占競爭制高點，通過10年時間的努力，使我國制造業邁入強國行列［3-4］。

人才是引領發展的第一動力，要順利完成《中國制造2025》的制造強國戰略目標，最為關鍵的是需要大量支撐制造業創新發展的高素質創新型人才。大學教育肩負著人才培養的重要使命，必須承擔起國家制造業創新發展所需的高素質人才的培養任務［5］。實踐教學是大學教學的重要組成部分，是培養大學生實踐能力和創新思維的重要環節。重視實踐教學，提高高等學校的實驗教學質量，在實驗教學中鍛煉學生實踐能力、創新能力和工程素養是培養高素質創新型人才的重要途徑［6-7］。然而，現有的實驗教學模式普遍以教師講授、示范為主，學生程序化機械模仿，實驗報告形式格式化且內容大同小異，難以滿足高素質創新型人才的培養需求。

電解加工（Electrochemical Machining，ECM）是基于陽極工件的電化學溶解作用去除材料的加工技術，它是特種加工、先進制造技術等制造類相關課的重要組成部分。電解加工是一種典型的非接觸式的先進制造方法，在國防、航空、航天、能源等領域的高科技裝備中具有廣泛的應用，也是《中國制造2025》戰略規劃中高端裝備創新工程急需突破的重要關鍵技術之一［8-9］。本文以電解加工實驗教學為例，以培養高素質創新型人才為培養目標，結合電解加工技術特點和實驗教學需要開展一系列創新性的實驗教學改革。設計了直觀便捷的實驗教學設備，形象生動地展示了電解加工過程中陽極材料去除過程。提出了貫徹學習主體地位、游戲化實驗過程、開展研究型實驗教學和建立多維度評價體系的改革措施，構建了新模式下的實驗教學流程，極大提高了學生的實驗興趣，激發同學們探索實驗現象和實驗規律的熱情，有效培養了學生的動手能力、創新能力和工程素養。

1 電解加工特點及實驗教學需求

電解加工實驗裝置如圖1所示，該裝置主要由運動控制系統、加工電源、陽極工件、陰極工具、電解液循環系統等幾部分組成。加工過程中，通常采用仿形的塊狀電極作為陰極工具，并使之與加工電源負極相連，陽極工件則與加工電源正極相連；控制陽極工件與陰極工具保持較小的初始加工間隙（0.1～0.5 mm）；循環泵向加工間隙內高速泵入一定濃度的電解液（濃度約為5% ～20%，流速為10～60 m／s）；將加工電源調節至一定的電壓值（10～25 V），陽極工件表面金屬材料發生氧化反應生產絮狀沉淀物，陰極工具表面發生還原反應生產大量氣泡，加工間隙內形成固、氣、液三相混合流場狀態［10］。上述加工間隙、電解液濃度及流速、電壓值等參數均對加工過程中間隙內三相混合流場和陽極工件成形過程產生重要影響；為了促使高速流動的電解液及時沖走加工間隙內的電解產物，保障加工過程平穩高效進行，陰極工具和陽極工件通常被置于一個密封的夾具內；陰極工具在運動控制系統的驅使下以某一恒定速度持續進給，陽極材料不斷被去除，最終加工出符合尺寸、形狀要求的零件，完成實驗要求［11］。

圖1 電解加工實驗裝置示意圖

在實驗教學環節過程中，一個典型的實驗課程教學流程如圖2所示，包括實驗任務講解、教師實驗過程演示、學生分組開展實驗操作、學生整理并提交實驗報告以及教師評定實驗成績等環節，這樣的教學模式一定程度上達到了理論指導實踐、實踐驗證理論的教學效果。然而，在電解加工實驗教學過程中，由于陰陽極之間三相流場狀態和陽極工件成形過程對加工參數的變化極為敏感，且各實驗參數還會對加工過程產生復合的影響，因此，僅依靠示范性、驗證性的實驗教學模式很難讓學生真正理解電解加工技術的工藝特性。同時，主要依據學生提交實驗報告評定實驗成績的方式也無法真正反映學生對電解加工技術的認知水平。結合電解加工技術的工藝特點，在電解加工實驗教學過程中，帶領學生探究加工參數對陽極材料去除規律的影響才更有意義，也更有利于培養學生的實踐能力和創新能力。此外，為保障高壓高速的電解液及時沖走加工間隙內的電解產物，陰陽極之間流場通常是被約束在一個只留有電解液進口和出口的密封夾具內。對于實驗者來說，整個加工過程變成一個不可知的黑匣子，如圖3所示，加工參數變化對陽極工件成形過程的影響被完全切斷。綜上所述，急需根據電解加工技術特點和實驗教學需求，研制加工過程可視可控的實驗教學設備，并探尋創新性的實驗教學模式。

圖2 實驗教學流程

圖3 實驗教學效果示意圖

2 電解加工實驗教學改革

2.1 實驗教學設備改進

實驗教學設備的改進和革新是實驗教學改革的重要環節，也是保障實驗教學質量的關鍵因素［12］。為進一步提升電解加工試驗教學質量，充分考慮了電解加工技術特點和實驗教學需求，對實驗教學設備進行了優化和改進，如圖4所示。該實驗裝置由機床運動控制系統、供電回路系統、電解液供給與過濾系統、加工參數檢測系統、高性能攝像機在線觀察系統及電解加工實驗教學控制軟件6部分組成。機床運動控制系統給加工過程提供必要的運動；供電回路系統負責在加工過程給陰極工具和陽極工件提供必要的電勢差，驅使陽極材料溶解；電解液供給與過濾系統向加工區域提供高速高壓的工作液，及時帶走加工間隙內的電解產物，同時保證加工產物被及時過濾，實現電解液循環利用；通過高精傳感器實時采集加工參數，并傳輸給控制計算機展示給實驗人員；電解加工實驗教學控制軟件對陰極工具進給速度、加工電壓、電解液壓力等重要加工參數進行實時顯示和監控；將約束陰陽極之間流場的夾具采用可視化材料制備，通過高性能攝像機采集加工過程的實時狀態，并傳輸給控制計算機展示給實驗人員。實驗人員可以根據實驗教學需要調節加工參數，并在控制計算機上實時觀察到加工參數對加工過程的影響，在實驗參數和實驗結果之間建立直觀生動的聯系，激發同學們學習興趣和學習熱情。此外，實驗人員可以通過單因素試驗、正交試驗等不同的試驗方法探索不同加工參數及不同參數間的復合作用對加工過程及加工結果的影響，幫助同學們更深層次的理解電解加工原理及工藝規律，提升同學們創新實踐能力。

圖4 改進后的電解加工實驗教學裝置示意圖

2.2 實驗教學改革措施

以培養學生實踐能力、創新能力和工程素養為目標，滿足國防、航空、航天、能源等高科技裝備制造領域中對高素質制造人才的迫切需求，針對電解加工技術特點及實驗教學需要，對電解加工實驗教學過程進行改革，并提出具體的改革措施，如圖5所示。

圖5 電解加工實驗教學改革措施

（1）貫徹學生主體地位。為了更好地達到培養高素質人才的目的，必須在實驗教學過程中嚴格執行以學生為中心的教學理念。明確學生在實驗學習過程中的主體地位，才能高效激發學生主動學習的熱情。為此，在電解加工實驗教學過程中，合理增設一些設計性的實驗任務。為保證設計的實驗方案合理，學生需要在深入理解電解加工技術原理的基礎上，多途徑查閱相關資料。這個過程極大地激發了學生主動學習的內在動力，既鍛煉了實踐操作能力，也有效提升了學生的創新能力和工程素養。

（2）游戲化實驗教學過程。增加教學過程的趣味性能夠顯著提高學生的學習興趣。本文借鑒游戲中打怪升級的設計思路，將電解加工實驗教學內容進行分層設計［13-14］，從單個參數加工規律探索，到多個參數對加工結果綜合影響規律研究，再到加工過程中異常現象背后隱藏問題的分析和解決。由易到難，由小妖到大BOSS，讓同學們在學中做，在做中思，真正體驗學習的成就感和獲得感。

（3）開展研究型實驗教學。研究型教學強調教師研究性地教與學生研究性地學的有機融合，充分體現了創新教育理念。開展研究型教學有利于學生綜合能力的提升、有利于學生創新能力的培養、有利于學生學習能力的提高［15-16］。電解加工是一種典型的非接觸式加工，而且加工結果對加工參數的變化非常敏感，加工過程中參數輕微變化都可能對加工過程和加工結果產生較大的影響。結合上述工藝特性，提出在實驗教學過程中，鼓勵學生關注加工參數變化對加工過程和加工結果帶來的影響，并引導他們結合理論知識探究加工參數給加工過程和加工結果帶來變化的背后原因和控制方法。

（4）建立多維度考評體系。在某種程度上說，實驗成績是學生最在意的“實驗結果”，因此建立合理的多維度考評體系，通過成績考核指標反向驅動學生帶著思考去完成教師布置的實驗任務，會更有利于達到培養高素質人才的教學目標。改變傳統主要以實驗報告內容評定學生實驗成績的考核體系，通過考查學生實驗操作技能、設計類實驗表現、加工規律總結、加工結果分析、實驗報告5部分的內容來綜合評定學生成績，避免了傳統實驗教學過程中，教師演示，學生機械模仿的局限。該考評體系的5部分內容相輔相成，準確反映學生對電解加工技術的認知水平和實踐能力，有利于學生綜合素質的培養。

3 實驗教學流程

改革后的實驗教學流程如圖6所示，整個流程共分6個階段。

（1）學前情況分析。在此過程中教師需要通過互動環節了解學生對基礎理論知識的掌握情況，為接下來的實驗教學和分組安排做好準備。同時，通過趣味性的展示電解加工技術在高科技裝備中的應用案例來激發學生的學習熱情。

（2）教師實驗示范與講解。在此過程中，教師通過詳細講解和示范操作向學生傳授電解加工技術實驗過程的基本操作規范和操作流程。

（3）一階段驗證性實驗。證明電解加工基本理論，并考察同學們實驗操作的規范程度。此外，進一步開展重要參數的單因素實驗，并在知識整理階段進行實驗參數的影響規律總結，強化學生對基礎知識的理解，為開展二、三階段的研究型教學做好準備。

（4）二階段實驗。主要開展實驗研究方法探討和多因素復合影響規律探索等工作。通過分析探討多因素交叉作用的影響規律，培養同學們實踐能力和創新能力。

（5）三階段實驗。主要開展兩方面的研究性實驗，一方面是基于前期實驗中遇到的問題開展探索性研究，引導同學們結合現有理論和一、二階段總結的實驗規律分析問題產生的原因，并提出解決方案。根據解決方案，設計實驗過程和相關參數，驗證解決方案的可行性，直到問題解決。另一方面是針對具體加工對象，開展提高加工性能的研究性實驗，學生需要具有較好的理論功底，在深刻理解該加工對象在一、二階段實驗過程中表現出來的加工特性的基礎上，提出保障加工性能的措施。根據提出的措施，設計實驗過程和相關參數，驗證提出措施的可行性，直到該加工對象獲得預期的加工性能。

（6）提交實驗報告及實驗成績評定。在此過程中，學生需要匯總不同階段的實驗內容及實驗規律，撰寫心得體會，按規定要求形式完成實驗報告。教師現場評閱實驗報告內容，并與學生交流實驗過程中的關鍵知識，將交流過程中了解到的學生對基礎理論、操作流程及實驗規律等方面的知識缺陷，及時反饋給學生。完成上述所有內容后，教師根據操作技能、加工規律總結、加工結果分析、綜合類實驗表現、實驗報告5部分的表現進行多維度考核，給出合理的實驗成績。

圖6 改革后電解加工實驗教學流程

4 實驗教學優勢與效果

培養學生實踐能力、創新能力和工程素養是開展實驗課程教學改革的根本目標。結合電解加工技術的特點和教學需要開展了一系列的改革措施，極大地激發了學生主動學習的內在動力。表1所示為電解加工實驗課程改革前、后的教學效果對比，表中可見，改革后實驗教學過程在出勤頻率、實驗過程、實驗報告及教學效果等幾個方面均取得顯著改善，學生的綜合素質明顯提高，學生滿意教學過程，教師肯定教學效果。

表1 改革前、后電解加工實驗教學情況對比

5 結 語

以電解加工實驗教學為例開展了一系列創新性的實驗教學改革，通過增加設計性、開放性的實驗，貫徹學生在學習過程中的主體地位，激發學生主動學習的內在動力，避免了機械性的模仿。結合電解加工技術特點將實驗過程分解成不同層次的實驗教學環節，由易到難，在學中做，在做種思，讓同學們真正體驗學習的成就感和獲得感。此外，將研究型教學思想帶入實驗教學過程，針對實驗過程中出現的重要實驗現象，鼓勵學生結合理論知識探究實驗現象背后的原因。或者針對某一具體加工對象，引導學生探究加工過程及加工質量的控制方法。根據上述改革措施，構建了詳細的實驗教學流程和實驗成績考核標準，實踐表明，該改革方案成效顯著。