新工科背景下“機械制造工藝與裝備”課程改革探索

宋小科　陳齊平

[摘 要] “機械制造工藝與裝備”是本科院校機械專業(yè)的重點專業(yè)課程。在新工科建設(shè)的時代背景下，傳統(tǒng)“機械制造工藝與裝備”課程內(nèi)容存在一定問題，不能滿足智能制造工程的教學需求。智能制造工程的教學目標是培養(yǎng)掌握核心技術(shù)，具有實踐能力和創(chuàng)新理念的多學科復合型人才。為了達到這一目標，對“機械制造工藝與裝備”課程進行改革探索，從教學內(nèi)容入手，分析了傳統(tǒng)教材存在的問題，從多學科融合、加強新型制造技術(shù)教學等方面提出了相應的改革建議。

[關(guān)鍵詞] 新工科;智能制造;教學改革

[基金項目] 2020年度江西省自然科學基金項目“基于空間單閉環(huán)機構(gòu)的空間多環(huán)路可展開機構(gòu)運動耦合機理與組網(wǎng)方法研究”

（20202BABL214030）;2018年度江西省教育廳科學技術(shù)研究項目“大長細比車頭高速列車可展開防碰撞緩沖吸能裝

置研究”（GJJ180345）

[作者簡介] 宋小科（1986—），男，河南洛陽人，工學博士，華東交通大學機電與車輛工程學院講師（通信作者），主要從事展開機構(gòu)與智能制造研究;陳齊平（1984—），男，江西樟樹人，工學博士，華東交通大學機電與車輛工程學院副教授，主要從事智能電動汽車研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）16-0073-04? ? [收稿日期] 2021-02-18

一、前言

以信息技術(shù)為代表的新技術(shù)的發(fā)展，推動了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。為了在新時代的競爭中取得領(lǐng)先地位，主動應對未來的技術(shù)競爭，各國都提出了自己的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。德國政府于2013年提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，將信息化技術(shù)融入制造業(yè)，提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有高度靈活性的智慧工廠，從而提高德國工業(yè)的競爭力[1，2];中國政府于2015年提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，以強化新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合為主線，以智能制造為前進方向，強化工業(yè)基礎(chǔ)能力，以創(chuàng)新為手段，實現(xiàn)中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展[3-5];美國政府提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，通過全球化的網(wǎng)絡(luò)，將人、數(shù)據(jù)、機器連接起來，從而重構(gòu)全球工業(yè)系統(tǒng)，激發(fā)生產(chǎn)力，激活傳統(tǒng)工業(yè)，保持其制造業(yè)的長期競爭力[6，7]。這些技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略都提出采用信息技術(shù)等新技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)進行變革，使制造變得智能起來，從而促進制造業(yè)的變革[8，9]。

新產(chǎn)業(yè)變革對制造業(yè)的從業(yè)者提出了更高要求，除傳統(tǒng)知識外，還需要從業(yè)者掌握最新信息技術(shù)，具有多學科復合的知識儲備，能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)和制造業(yè)互相融合，提升生產(chǎn)效率，重塑制造業(yè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)工科教育按學科對人才進行培養(yǎng)，學生只需要掌握自己所在專業(yè)的知識即可，對其他方面尤其是信息技術(shù)方面的學習不夠重視，人才培養(yǎng)難以滿足產(chǎn)業(yè)變革的需求。在此背景下，為主動應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐國家的“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，教育部于2017年提出了“新工科”概念，探索建立工科發(fā)展新范式，根據(jù)工業(yè)界的實際需求構(gòu)建專業(yè)教育體系，創(chuàng)新工程教育方式和手段，針對新興產(chǎn)業(yè)，著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、高素質(zhì)、高技能的多學科復合型工科人才[ 10-12 ]。

二、新工科背景下智能制造專業(yè)“機械制造工藝與裝備”存在的問題

為支撐“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，教育部于2017年批準設(shè)立智能制造工程專業(yè)，本專業(yè)學生重點學習機械類、測控技術(shù)類、計算機與人工智能、機器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)課程，通過培養(yǎng)，成為具有創(chuàng)新精神，掌握現(xiàn)代化機械、電子、計算機、智能生產(chǎn)與工程管理等知識的高技術(shù)人才。“機械制造工藝與裝備”是智能制造專業(yè)一門重要的必修課程，它為學生學習機械加工工藝和設(shè)計機械加工工藝裝備提供必要的基礎(chǔ)知識，使學生了解車銑刨磨等常見機械加工的理論知識、工藝裝備設(shè)計原則及機械設(shè)備裝配相關(guān)知識，為學生從事機械制造工作提供理論基礎(chǔ)[ 13 ]。然而，目前智能制造工程的“機械制造工藝與裝備”課程存在一系列的問題，難以實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標，以應對新產(chǎn)業(yè)的變革。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）教學內(nèi)容陳舊，缺少新制造方法的介紹

“機械制造工藝與裝備”是一門專業(yè)課，教材內(nèi)容包括金屬切削基本概念、刀具相關(guān)知識、車銑刨磨的基本參數(shù)、加工工藝規(guī)劃、工藝裝備設(shè)計、公差與配合等。“機械制造工藝與裝備”課程性質(zhì)不要求學生掌握太多的理論知識，而是以經(jīng)驗參數(shù)和實驗驗證為主，要求學生經(jīng)過學習后，能夠根據(jù)裝備加工要求，選定合適的加工方法和工藝參數(shù)，制定工藝規(guī)程。

“機械制造工藝與裝備”課程教材一般選用經(jīng)典教材，教材結(jié)構(gòu)嚴密，邏輯清晰，經(jīng)過多年改進和教學，能夠滿足傳統(tǒng)機械加工工藝教育的要求，培養(yǎng)的學生能夠勝任一般的機械制造任務(wù)。但是，在信息技術(shù)帶動下，出現(xiàn)了很多新的加工方法，如3D打印、激光加工等，這些加工方法能解決很多傳統(tǒng)加工方面難以解決的問題，具有重要的學術(shù)價值和經(jīng)濟意義，也是智能制造領(lǐng)域的重要內(nèi)容。經(jīng)典教材專注于傳統(tǒng)制造方法，對這些新型制造方法關(guān)注較少。新型制造方法作為制造產(chǎn)業(yè)變革的著力點，對人才有著旺盛需求，傳統(tǒng)教材培養(yǎng)的學生缺乏新型制造方法的教育，在工作中需要依靠自學，知識不夠系統(tǒng)全面，為了滿足新型制造產(chǎn)業(yè)的需求，應該在以后教學工作中注意改進，在教學過程中添加新型制造方法內(nèi)容。

（二）圍繞制造的新技術(shù)內(nèi)容較少，與智能制造結(jié)合不夠緊密

傳統(tǒng)機械制造工藝中，各個工序互相分割，依靠人力來轉(zhuǎn)運工件，依賴工人經(jīng)驗和簡單的檢測工具來測試加工質(zhì)量，制造效率較低，成本較高。同時，制造過程與整個生產(chǎn)過程的供應鏈連接不夠緊密，制造往往作為一個獨立過程，供應鏈應對不夠靈活。經(jīng)典教學內(nèi)容偏重于單一加工工序，對工序間的互相關(guān)聯(lián)關(guān)系、加工過程的詳細參數(shù)變化講述較少。另外，對與制造相關(guān)的內(nèi)容，如供應鏈、成本等關(guān)注較少。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的技術(shù)滲透機械加工過程，如機器人技術(shù)、計算機集成制造、智能生產(chǎn)與管理、數(shù)字孿生等，這些技術(shù)將整個制造系統(tǒng)數(shù)字化，提升了機械加工的效率，降低了制造成本，加強了對制造過程的監(jiān)控，提升了工件的加工品質(zhì)。制造系統(tǒng)的數(shù)字化還使得整個生產(chǎn)過程變得靈敏，對外界信號反應加快，能夠很好地適應小批量、多品種、多樣化的產(chǎn)品生產(chǎn)要求。新技術(shù)的加入使得制造系統(tǒng)智能化。這些新技術(shù)構(gòu)成了智能制造的主要內(nèi)容，是智能制造工程專業(yè)相對于傳統(tǒng)機械制造專業(yè)的特色之處，而這些內(nèi)容在目前課程中涉及較少，不能滿足如今新工科教育的要求。

（三）教學內(nèi)容繁雜，學生學習興趣不足

“機械制造工藝與裝備”課程涉及車銑刨磨等經(jīng)典切削加工方法、刀具結(jié)構(gòu)、工藝裝備、尺寸鏈、零件裝配等多種內(nèi)容，內(nèi)容繁雜，記憶內(nèi)容多，需要理解和記憶的參數(shù)多，并且知識點之間缺乏一以貫之的理論，難以用一套統(tǒng)一的理論將知識點串聯(lián)起來，學生上課時興趣較低，缺乏學習動力，影響教學效果。

（四）教學方法單一

在教學過程中，教師以理論講授為主，學生由于缺乏實際工作經(jīng)驗，理解機械加工參數(shù)存在一定困難，單靠PPT結(jié)合書本、作業(yè)等講授方法，難以達到預定教學效果。“機械制造工藝與裝備”是一門實踐性很強的課程，機械加工也是一個動態(tài)過程，需要以一種直觀的方式進行教學。同時，智能制造對“機械制造工藝與裝備”課程的講授提出了更高的要求，需要教師在講授時糅合多學科內(nèi)容，并通過多種清晰直觀的方式講授知識，依靠單一教學方法不能滿足教學要求。

三、“機械制造工藝與裝備”教學內(nèi)容改革

在傳統(tǒng)教學方式中，“機械制造工藝與裝備”采用經(jīng)典教材，主要講授金屬切削加工相關(guān)知識，采取“老師講，學生學”的教學方式，通過課堂講授、課下作業(yè)、實驗課程、期末考試等方式傳授給學生知識，存在學生被動學習、內(nèi)容枯燥、教學效果差等問題，不能滿足智能制造工程專業(yè)對培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、多學科復合人才的要求，不能適應如今“新工科”教育的要求。在“新工科”教育時代背景下，為實現(xiàn)創(chuàng)新性、多學科復合人才的培養(yǎng)，特提出幾項教學內(nèi)容改革建議。

（一）加入機械制造新技術(shù)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，伴隨產(chǎn)業(yè)革命，機械制造工藝出現(xiàn)了多種新技術(shù)，如3D打印等，圍繞機械制造全過程鏈條，有機器人技術(shù)、計算機集成制造、數(shù)字孿生等。3D打印等技術(shù)解決了傳統(tǒng)機械加工方法難以實現(xiàn)的異形工件的加工，也帶來了新的加工工藝。機器人技術(shù)、計算機技術(shù)等與機械制造相結(jié)合，使得整個制造過程數(shù)字化，制造過程可控，提升了機械制造效率，降低了制造成本。智能制造工程專業(yè)應在傳統(tǒng)機械制造基礎(chǔ)上，融合多種新技術(shù)，提升制造系統(tǒng)智能化程度。因此，應在經(jīng)典教學內(nèi)容基礎(chǔ)上，添加機械制造新技術(shù)的內(nèi)容，并且在講授理論知識基礎(chǔ)上，增加相關(guān)軟件的介紹，同時通過車間實習、實驗等實踐教育方式，提升學生應用新技術(shù)的能力，從而培養(yǎng)多學科復合人才，為智能制造領(lǐng)域輸送人才。

（二）充分利用仿真分析技術(shù)

在“機械制造工藝與裝備”經(jīng)典教學中，各種加工方法的參數(shù)是通過實驗得到的，然后由教師直接講授。隨著計算機技術(shù)和有限元等相關(guān)仿真理論的發(fā)展，已經(jīng)能夠通過仿真分析的方法，在計算機中預測工件的加工效果。除此外，在機械加工過程中，機床、工藝裝備、工件的互相作用也能夠預測。將機械加工的仿真分析結(jié)果與機器人技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等相結(jié)合，可以在不通過實際驗證情況下，預測裝備的整個制造過程。將仿真數(shù)據(jù)與供應鏈管理軟件等相結(jié)合，可以提升制造系統(tǒng)的管理水平。仿真分析技術(shù)作為智能制造系統(tǒng)的重要組成部分，應在課程教學中占有一定比例。除此外，學生經(jīng)過仿真分析，有助于理解課程中的加工參數(shù)，也為學生參加工作后設(shè)計機械加工工藝提供基礎(chǔ)。

（三）利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)

機械加工過程是一個動態(tài)過程，學生因為缺乏實際工作經(jīng)歷，僅僅學習課本知識，很難將理論與實際結(jié)合起來，不容易理解理論知識的含義，枯燥無味，效果不好。如今有很多虛擬現(xiàn)實技術(shù)，如可視化的VR技術(shù)。通過計算機圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)等，將機械加工的過程直觀地展現(xiàn)給學生，使學生能夠?qū)⒄n本上的知識和實際加工效果聯(lián)系起來，從而使課程學習變得生動起來，加強教學效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能在安全的情況下使學生了解到機械加工技術(shù)。因此，應在傳統(tǒng)課堂講授的基礎(chǔ)上，制作基于VR等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學資源，提高學生學習興趣。

（四）結(jié)合項目案例，做好和其他課程的銜接

“機械制造工藝與裝備”課程包括常見的機械切削加工方法、工藝裝備、尺寸鏈、裝配等多個教學內(nèi)容，知識零碎，互相間關(guān)聯(lián)性不強，學生在學習過程中難以將教學內(nèi)容貫穿起來，這提高了學習難度。同時，教師在教學過程中只關(guān)注本課程的教學，不與學生學習的前后課程相關(guān)聯(lián)，學生難以找到學習的意義，降低了學生的學習興趣。以此，在教學時，教師應結(jié)合具體的項目案例，如某一個典型設(shè)備的制造，將設(shè)備進行拆分，根據(jù)教學內(nèi)容，分別制定零件的加工工藝，然后設(shè)計零件加工的工藝裝備、制定裝配工藝，從而將整本書的教學內(nèi)容串聯(lián)起來。考慮到學生前期已經(jīng)學習過“機械原理”“機械設(shè)計”等機械類基礎(chǔ)課程，可以選擇“機械設(shè)計”中的減速器等作為范例，由學生設(shè)計制造工藝，作為學生的課后作業(yè)，這樣學生不僅復習了整個學習內(nèi)容，還能與前期學習內(nèi)容銜接起來，明白了學習的意義，從而可以提升學生學習動力。

四、結(jié)語

綜上所述，在“新工科”的時代背景下，智能制造工程專業(yè)大有可為。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、多學科復合的智能制造人才，在“機械制造工藝與裝備”教學實踐中，教學改革勢在必行。教師應總結(jié)傳統(tǒng)課程教學方法的經(jīng)驗，在經(jīng)典教材基礎(chǔ)上，積極融合智能制造新技術(shù)，充分利用仿真分析、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，提升課程教學的直觀性，融合項目案例，提高學生學習積極性，加快課程內(nèi)容改革步伐，培養(yǎng)出滿足“智能制造”行業(yè)需求的專業(yè)技術(shù)人才。

參考文獻

[1]張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機械設(shè)計與制造工程，

2014，43（8）：1-5.

[2]丁純，李君揚.德國“工業(yè)4.0”：內(nèi)容、動因與前景及其啟示[J].德國研究，2014，29（4）：49-66+126.

[3]國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知

[EB/OL].（2015-05-19）[2020-06-20].http：//www.gov.cn/zhen

gce/content/2015-05/19/content_9784.htm.

[4]郭朝先，王宏霞.中國制造業(yè)發(fā)展與“中國制造2025”規(guī)劃[J].經(jīng)濟研究參考，2015（31）：3-13.

[5]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[6]田洪川.從先進制造戰(zhàn)略到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 美國掀起再工業(yè)化浪潮[J].世界電信，2015（4）：66-70.

[7]閆敏，張令奇，陳愛玉.美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展啟示[J].中國金融，2016（3）：80-81.

[8]徐廣林，林貢欽.工業(yè)4.0背景下傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新思維研究[J].上海經(jīng)濟研究，2015（10）：107-113.

[9]黃陽華.德國“工業(yè)4.0”計劃及其對我國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的啟示[J].經(jīng)濟社會體制比較，2015（2）：1-10.

[10]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[11]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科 主動適應和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：

1-9.

[12]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學教育研究，2017，38（2）：26-35.

[13]葉文華，陳蔚芳，馬萬太.機械制造工藝與裝備[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011.

Exploration on the Reform of Machine Manufacturing Technology and Equipment Course under the Background of "Emerging Engineering Education"

SONG Xiao-ke， CHEN Qi-ping

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013， China）

Abstract： Machine Manufacturing Technology and Equipment is a key course of mechanics major in undergraduate colleges and universities. There are some problems in the traditional course of Machine Manufacturing Technology and Equipment under the background of "emerging engineering education"，which cannot meet the needs of intelligent manufacturing engineering. The teaching goal of intelligent manufacturing engineering is to train multi-disciplinary talents who master the core technology and have practical ability and innovative ideas. In order to achieve this goal， we explored the reform of the course of Machine Manufacturing Technology and Equipment. This paper analyzes the teaching content and the problems existing in the traditional textbooks， and puts forward reform suggestions from the aspects of multidisciplinary integration and strengthening the teaching of new manufacturing technology.

Key words： "emerging engineering education"; intelligent manufacturing; teaching reform