“先進制造技術”企業案例教學探討*

胡海霞，王成軍，劉志衛

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學人工智能學院，安徽 淮南 232001）

0 前言

制造業是國民經濟的支柱產業，是衡量一個國家科技水平和綜合國力的重要標志[1]。近幾十年來，機械制造專業已逐漸發展成為與光學、微電子、自動化、材料科學、信息科學等先進技術相結合的新型交叉學科[2]。如各種智能機械、光電子集成器件、高速光電子芯片、生物芯片，以及超導產品、太陽能裝置、空間裝置等高技術產業的發展，都離不開先進制造業[1-2]。先進制造技術是制造業的前沿和核心，是增強我國自主創新能力、建設創新型國家的重要保障，高等院校相關專業開設“先進制造技術”課程具有重要意義[3]。“先進制造技術”課程是機械工程類專業的核心專業基礎課程，主要介紹機械制造的先進設計技術、前沿加工制造技術、現代管理模式及新一代加工裝備等[4-5]；在傳統制造技術基礎上不斷吸收其他學科的新技術以及現代管理技術的成果，將其綜合應用于產品設計、加工制造、經營管理、售后服務及回收再利用制造的全過程[6]。

在機械工程及相關專業的研究生培養中，通過“先進制造技術”課程教學，培養學生掌握當今先進制造技術的基本知識、理論方法與關鍵技術，擁有探究新技術與不斷創新的意識。隨著科技的不斷進步和工業的快速發展，新材料、新技術、新工藝、新設備得到了廣泛的應用，傳統的教學內容和教學方式達不到理想的教學效果，迫切需要對當前的課程教學進行變革[7]。

案例教學是一種教育部提倡實施的教學方法，起源于20世紀20年代，由美國哈佛商學院（Harvard Business School）所倡導，30年代初，開始在美國高校中推廣使用；50、60年代，發達國家高等院校中開始采用案例教學；80年代初，案例教學被引進我國后很快受到高等教育界的重視。教育要面向現代，要與時俱進，使學生能更好地適應時代要求和社會發展需求，將教學過程和生產實際相結合將是未來研究生課程教學的主流發展趨勢。通過案例教學，將理論知識和工程實際相結合，能夠將學生引入實踐，可以提高學生面對復雜情境時決策和解決問題的能力，培養學生具備獨立從事科學研究工作的能力[8]；可以克服傳統教育模式的弊端[9]，激發學生的學習熱情，培養學生的實踐能力、創新意識與團隊精神，非常符合機械制造的實踐性、權變性和復雜性的特點及其對學生素質與能力的培養要求[10]。因此，在機械工程專業學位研究生教學中引入案例教學法，采用以傳統教學方法為主、以企業案例教學為輔的教學模式，可以極大地促進當前專業學位研究生教學改革的全面發展，改善教學效果，提高教學質量，滿足機械工程類全日制專業學位碩士研究生的實踐性和應用性的培養要求，更好地適應當前制造企業對人才的需求。

1 課程教學改革的必要性

在經濟全球化條件下，出現了國際產業大轉移、制造業布局大調整的趨勢，發展先進制造業是提高國際競爭力、振興國家經濟的戰略手段，各國廣泛采用先進制造技術和模式[11-12]。“先進制造技術”課程內容涵蓋面廣，涉及的資源信息十分龐雜，理論深奧，知識點處于科技前沿，需要具備大量的理論知識儲備。而且，該課程與工程實際聯系緊密，實踐性強，需要對企業現狀有最新的了解。傳統的教學模式以課堂理論講授為主，教師是教學活動的主體，教學內容容易和生產實際脫節，無法將理論知識和現場實踐相結合，學生無法了解先進的設計及制造工藝的具體應用。因此，傳統教學模式一定程度上降低了學生的學習積極性，學生興趣不足，主動性低，這對提高學生的思維能力和創新能力是不利的。尤其是講解先進制造的理念和模式時，如柔性制造系統（FMS）、成組技術（GT）、并行工程（CE）、精益生產（LP）、智能制造（IM）、虛擬制造技術（VMT）等先進的制造模式，采用傳統教學模式會影響學生學習的主動性和積極性，教學效果不理想。學生大多沒有實際工作經驗，對工程實際缺乏了解，沒有經過理論知識的綜合應用等方面的訓練。因此，在現有的教學條件下，探索新的教學模式，讓學生接觸并學習到企業先進的制造方法和生產模式的經驗，對提高教學質量、培養學生的實踐能力和創新意識具有重要意義。

“先進制造技術”課程是一門以科學技術為主、注重應用的課程。科技的快速發展迫切地需要大量應用型工程技術人才。為滿足企業對人才的需求，調動學生的學習積極性和主動性，使學生建立正確的、完整的現代工程意識，從而提高自身綜合素質、工程實踐能力及創新意識和能力，必須在教學中引入經典企業案例[13]。案例教學法在研究生科研學習中，具有直接的促進作用。學生通過經典企業案例了解現代制造技術的基本原理、相關技術及最新發展動態，有助于開拓學生視野，啟發學生主動對案例進行思考與討論，有效拓寬學生知識面的同時，培養學生分析問題的能力，提高學生的科研創新能力[14]。因此，在高等教育的教學中引入案例教學是十分必要的。

2 基于企業案例的教學模式設計

針對“先進制造技術”課程的特點，以培養學生實踐能力和創新意識為目標，結合課堂教學經驗，提出了一種以傳統教學方法為主、以企業案例教學為輔的教學模式。教師在課堂教學中，把先進的設計方法、制造方法和生產模式的基本理論知識傳授給學生，引入企業案例，讓學生盡可能地貼近企業的設計、生產、技術和管理的第一線。教師引導學生積極參與課堂討論、案例閱讀、分析企業的小組作業方式及撰寫案例分析報告等，運用所學知識分析案例并回答問題，加深對“先進制造技術”課程的理解。企業案例教學法是一種將理論知識與工程實踐相結合的教學模式，一定程度上提高了學生的積極性和學習效果，提高了學生的綜合素質。

2.1 案例教學和理論教學相結合

碩士研究生已經具備了較高的自學能力以及分析問題和解決問題的能力，而且還要參與課題研究、科學實驗及撰寫學術論文等。“先進制造技術”課程不僅涉及一些先進的技術和理論，而且課程內容多與學時數少的矛盾也十分突出。采用企業案例教學與傳統課堂教學相結合的方法，學生在教師的引導下自主學習，能夠一定程度上解決課程內容多、技術新、學時少的矛盾。在案例教學過程中，除了應綜合考慮課程本身濃厚的理論基礎和高度的實踐性、應用性特征，還要顧及專業學位研究生教學的特殊要求[15]。為了加深學生對“先進制造技術”課程的理解和掌握，提高學生運用所學理論知識分析和解決工程實際問題的能力，課堂理論教學應注意優化教學內容，突出課程先進性、應用性的特點，注重教學的互動性和實踐性，將工程實際與理論知識相結合，提高教學質量，增強教學效果。

2.2 案例分析與小組討論式教學相結合

良好的案例教學可以讓學生感受到一個仿真的實景，可以讓學生更好地理解和掌握課程內容。案例教學的主要目的是培養學生解決實際問題的能力。在“先進制造技術”課程教學計劃安排中，需要穿插案例討論課，通常采用互動討論法，讓學生利用基本知識和分析技能，針對案例中的問題提出各自的分析解決方案，比較傳統的設計制造方法與先進的設計制造技術和管理模式的差別，鼓勵學生獨立思考，一起探討解決問題的方法。同時，案例會覆蓋教材中的多個知識點，課堂上教師講解該企業案例涉及的知識要點，學生通過分析案例可以對知識結構進行梳理和貫通，從而掌握重點知識。例如，“綠色設計和制造技術”部分，以汽車零部件為例，課前布置與綠色設計及制造工藝相關的案例，指導學生提前閱讀，學生自由組合為研討小組，各個小組開展討論后形成各自的方案。企業案例需要構建理論知識體系，在課堂理論教學中，教師采用多媒體課件的形式向學生講授綠色制造的概念及基本思想、綠色設計的方法、綠色材料的選取和典型的綠色制造工藝技術，指出綠色設計與制造是人類可持續發展戰略的重要組成部分，也是每個企業重點考慮的企業行為。全面推行綠色制造，必須按照全生命周期的理念，革新傳統設計、制造技術和生產方式。課堂上引導各小組積極討論，并對其方案進行點評，指出各自的優點、不足以及適用范圍等。同時，引入上海通用汽車采用綠色設計、綠色材料和綠色制造的案例，對當時案例企業的背景、公司概況、生產經營情況加以說明。然后，提出企業案例問題，列舉展示多款采用新能源技術、綠色工藝的通用汽車，可以采用文字、圖片、動畫、視頻等多種形式展示。采用案例分析和理論講授相結合的教學方法，能夠加深學生對基礎知識的理解與把握，達到融會貫通的目的，有助于深化學生對典型案例、重要知識點的理解，也有助于培養和提高學生分析問題、解決問題的能力。

3 案例教學應解決的問題

3.1 注重企業案例的選擇

綜上所述，在“先進制造技術”課程教學中，案例教學具有減少理論知識的抽象性、提高和培養學生實踐能力和創新意識的優點。適宜的經典企業案例是成功開展案例教學的關鍵，所選擇的課程案例應當與教材內容結構緊密相關，學生感興趣并且富有教育啟發意義。基于此，“先進制造技術”課程案例的選擇，主要從以下三個方向進行：

1）根據教材內容結構選擇適宜的案例，以典型企業案例為基礎，理論聯系實際。隨著科學技術的發展，先進制造技術逐漸滲透到產品設計、功能規劃、加工制造、生產經營管理與調度、市場營銷、回收再利用等各個環節。因此，新科技、新理念、新模式不斷涌現，先進制造技術案例的選擇要具有新穎性。教師選擇不同先進制造技術或者先進管理模式的成功案例，引領學生關注科技發展和科技前沿，培養學生的創新意識和科學精神。

2）結合教材內容結構選擇針對性較強的企業案例。課程教學的目的是深入掌握所涉及的技術，促進基礎理論與應用的深度融合。“先進制造技術”課程不僅應用性強，而且實踐性強，因此，所選擇的案例要結合企業生產實際，回歸技術本質，實現真正的產學研結合。

3）所選擇的案例要注意內容充實、難易適中，既不能過于簡單，也不能過于繁雜，要便于加強理論知識的鞏固和應用，培養學生的創造性思維。

隨著科技的不斷進步，工程案例要與時俱進，案例庫也要不斷更新，增加新的工程案例。同時，要跟蹤觀察案例企業現實發展動向，體現工程案例的時效性及實用性[16]。

3.2 案例庫的建設內容及使用

傳統教學法和案例教學法兩者各有優勢和不足，互為補充。傳統課堂理論教學對課程的基礎理論知識的系統分析和講解有利于學生形成知識體系和結構，注重知識的完整性、系統性、規范性。案例教學生動直觀，能夠激發學生的學習興趣，提高學生學習的主動性，培養學生的實務性和創新性。根據機械工程研究生的培養計劃和課程教學大綱及知識點要求，有針對性地篩選收集面向高等院校機械類研究生的典型的、最新的工程案例，按照現代工程設計技術、先進制造工藝技術和先進制造管理模式三大模塊，基于現代信息化技術構建先進制造技術的案例庫，如圖1所示。制作各個教學課程模塊的課件，將傳統教學和案例教學緊密結合起來，綜合利用，互為補充，通過翻轉課堂、微課、視頻及動畫等形式呈現給學生。在教學計劃安排中，在理論教學中用多媒體課件的形式向學生進行講授，再選取典型的案例開展課堂討論。如逆向工程技術的教學，在理論教學中用多媒體課件向學生介紹逆向工程的定義、分類、步驟、應用和前景。對于比亞迪S6逆向工程案例分析中，學生課堂討論反求對象的分析、三維數據采集所需要的儀器設備、模型重構技術及優化，總結逆向工程的一般步驟；重申逆向工程是消化吸收與反求對象相關的國內外先進技術，并在此基礎上進行改進，以實現創新的。目前，比亞迪已經走上了自主設計的道路。逆向工程技術是迅速提升我國汽車車身研發水平、提升汽車自主開發能力的重要手段之一[17]。

圖1 “先進制造技術”課程案例庫體系結構

在參考國內外知名高校機械工程專業的課程大綱、教學課件及企業案例的基礎上，有針對性地選取面向高等院校機械類研究生的典型工程案例，通過翻轉課堂、微課、視頻及動畫等形式呈現給學生。對部分案例進行仿真實訓，如工業機器人的案例教學中，對機械手進行了仿真分析，如圖2所示。相關教學案例已經應用于2019級、2020級機械工程及相關專業研究生“先進制造技術”課程的教學實踐中（40學時）。在將案例庫引入教學后，學生從理論過渡到實際應用，通過課堂教學中的動畫和視頻的演示增強了場景沉浸感，將課程內容展現在實際案例中，加深了對相關先進制造專業基礎知識的理解，對提高學生的實踐與創新能力具有重要意義[18]。實踐證明，在“先進制造技術”課程教學中，采用傳統課堂教學法和案例教學法相結合的模式，有助于培養學生的創新能力和創新意識，提高先進設計方法及制造技術應用水平，教學效果良好。

圖2 案例庫中工業機械手的仿真

4 總結

“先進制造技術”課程是機械工程類專業學生重要的基礎課程之一，課程涉及的內容較多，知識點多處于科技前沿，因此，教師在講授課程時引進經典企業案例是非常必要的。教學內容的組織應緊緊圍繞專業需求，企業案例的選擇既要有代表性，又要結合當前先進制造技術的發展趨勢，體現出明顯的專業性、針對性和實用性。采用以傳統教學方法為主、以企業案例教學為輔的教學模式，有助于提高課堂教學效果，培養學生的工程實踐能力和創新能力。