新技術新模式推進機械制造實踐教學強化一流本科建設的能力培養

王翔，葉回春，李曉峰，李木軍，張世武

（中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，合肥 230027）

0 引言

隨著高等教育“雙一流”建設的持續深入，特別是中國制造已從“制造大國”開始邁向“制造強國”的征程，適應時代發展需求的“工程師”培養，就成為中國高等教育的必然任務。“新工科”建設和實施“卓越工程師教育培養計劃2.0版”等已得到國家、社會及學術界的高度關注，更已經成為高等院校工程學科教育的時代使命[1-2]。針對相對傳統的機械制造學科，其本身不僅具有實踐性強的學科特點，更是直接為“制造強國”提供核心基礎裝備的基礎學科，為此，如何在教育教學改革中體現新理念、新模式、新質量要求，已有眾多高校和學者進行不同層次和范圍的嘗試[3-4]。

從面向一流學科建設角度看，工科教育教學不僅需要加強學生對所學核心知識的理解，還需要培養學生具有“創造”事物的能力，而“創造能力”重要特點之一就是其實踐性，故充分重視實踐環節教育是實現培養工科學生具有持續創新創造力的重要手段。為此，本文以面向一流本科建設對學生“能力”培養為出發點，以機械制造學科體系的實踐教學為背景，結合新技術應用，改進本科教學中的實驗教學、實習教學的模式，來加強學生獲取知識能力、應用知識能力和創新創造能力的培養，以滿足面向全球競爭的工程教育強國建設需要。

1 新時代一流本科建設的能力培養對實踐教學改革要求

隨著新科技革命和產業變革的蓬勃興起，對一流本科教育的人才培養提出了新要求。大學本科教育教學的任務就是在“以學生為本”教育理念的基礎上，培養具有國際競爭力的創新創造型人才。縱觀現階段中國高等教育，絕大多數是基于教材的知識教學，基本概念（或原理）大多是通過教師的課堂教學方法和經驗來促進學生理解，故存在著理解深度不夠和死記硬背等現象；而實踐的感性感知可以讓學生將書本概念轉化為自己的知識，同時，實踐還能有效地激發學習動機，進一步促進學習的自覺性和有效性。因此，實踐教學對工程學科的教育教學唯有根據時代變遷不斷地改革實踐教學的理念和模式，才能促進和強化學生獲取知識能力、應用知識能力、創新創造能力的培養，以適應新時代的召喚。

我國高等教育經歷“211”、“985”建設后，學科建設取得了長足進步。但如何利用“實踐教學”來突出能力培養，需要對大學本科教育的實踐類教學重新思考，現階段大學本科教育的實踐類教學，可按目標導向分類為：1）實驗教學。是與理論課程教學中相對重要和難理解知識點密切相關的課程實驗，以促進理論知識理解為主要目標。2）實習教學。是利用感性認知和實操的實習和課程設計的實踐學習，以鞏固知識學習深度、知識應用等基礎能力為主要目標；3）綜合實踐。是利用競賽、大學生研究計劃、畢業論文等多種形式，以知識的實際綜合應用來提升全面能力為目標。而前兩者是本科教育培養擁有“基礎能力”的核心，為此，對于現階段通常由課程實驗、金工實習、生產實習和課程設計幾個部分組成的機械制造學科的實踐類教學進行多維度的改革，將能有效促進學生“基礎能力”的培養。

2 以新模式、新技術下的實驗教學創新提升知識獲取能力

2.1 改進實驗教學模式，加強知識的理解

現階段高校中的多數課程實驗與課堂教學是相對獨立的，且大多“實驗”僅是讓學生在已調試好或部分調試好的實驗裝置上做簡單操作和數據記錄、處理，無法有效促進對知識的理解。為此，我們將課程實驗與課堂教學緊密結合，改進實驗教學模式，以提高參與度和趣味性，加強有效性。

對于需要深入認知的知識點的實驗，如機床主軸回轉精度的動態測量與分析，其影響因素多，且隨著機床類型不同而不同。為此，首先將需要深入理解的知識點和實驗目的作為一個大作業，讓學生自由組合成小組、擬訂實驗方案，以小組形式在課堂上講解，與大家共同討論后，根據現有的技術成熟度和經濟性來進行可變參數的實驗系統搭建和實驗操作，并與不同參數的實驗小組來一起分析。在熱烈的討論、辯論中，強化了學生對與實驗相關理論知識的學習，學會了多知識的綜合應用，將被動實驗轉變為學生積極參與的開放性實驗，有效培養了知識獲取能力、團結協作和表達的能力，了解實際問題的解決方法，真正實現了基礎能力的培養。

2.2 應用新技術來提升知識學習的能力

隨著計算機技術的發展，計算機輔助技術已與機械工程學科緊密融合，教學中CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學）業已得到廣泛應用。CAI可以將實驗教學重點轉向實驗結果分析，既提高了實驗教學效率，也能有效地促進知識的學習。為此，對于需要較深入學習的知識點相關實驗，研制了一系列計算機輔助實驗系統（如圖1），分別為機床主軸回轉精度動態測量實驗系統、導軌及直線運動精度測量實驗系統、機床靜剛度測量實驗系統和機械加工誤差統計分析實驗系統。通過實驗有效增強了學生的知識學習的能力。

圖1 計算機輔助的實驗教學系統

對于需要系統化深入認知的知識點的實驗，如實驗裝備需求高，機床、刀具和加工環境要求高[5]，加工精度高的基于金剛石刀具的超精密加工教學實驗，其切削原理是切削深度小于10 μm的微量切削過程，與常規加工的去除機理有所不同，如圖2所示。為此，開發了金剛石刀具超精密加工虛擬實驗教學系統[6]，如圖3所示，來模擬真實設備操作，不僅可以完整展現超精密加工過程，還可以結合理論課程來認知切削過程的微觀機理，從而進一步深化知識的學習和理解。

圖2 超精密加工的切削原理

圖3 超精密切削加工虛擬實驗系統

3 以新理念、新技術下的實踐教學變革強化知識應用能力

3.1 新技術下金工實習促進知識更新與應用能力

面向裝備的機械制造能力是建設制造強國的核心，制造能力提高不僅體現在制造系統的水平，還關乎制造對象的“可制造性”，或狹義稱之為“工藝性能”，其反映零件的設計結構與對應工藝方法的關系，“工藝性好”表示可以用某種加工方法相對經濟、快速加工出滿足質量要求的零件。因此，“可制造性”是機械制造課程的最重要知識點之一，也是與產品制造直接關聯的最基礎的應用能力之一。

現階段，眾多高校的“金工實習”定位在機械加工的簡單認知和操作上，與課程教學的脫節使得其實現的教學效果很有限。為此，我們在普通的認知性教學基礎上，將其與制造技術課程教學相結合，既關注理論課程知識點的實踐，也引入各種新技術的實踐，結合新技術的原理和關鍵工藝特征分析，來認知新技術對制造能力的影響，在促進知識學習的同時，引導知識應用和創新創造能力的培養。

如作為特種加工工藝的電火花線切割加工，其在計算機控制下可以實現任意復雜度的二維扁平零件加工；而隨著技術進步，電火花線切割現在不僅可以實現微米級的精度，還可以直接加工準三維的零件。如圖4所示，對于儀器中應用的較小尺度導軌副，傳統銑刨方法的工藝性和精度較差，而利用線切割可直接獲得微米量級間隙的燕尾形導軌副，大大提高了加工“工藝性能”。

圖4 電火花加工小型導軌副

同樣地，近年來持續熱度的3D打印技術，其基于逐層增材的成形原理，相對于傳統的刀具減材加工和鑄鍛焊的等材加工[7]，其核心技術特征是可制造任意復雜度的真三維結構，很大程度上顛覆了傳統制造對零件結構的“工藝性能”要求，如圖5所示的內外曲面壺體、中空壺嘴和手柄一體的小水壺模型。將其納入在“金工實習”實踐環節，并與課程教學的“工藝性能”及對零件的結構設計、創新設計等多知識點結合，激發學生學習主動性，促進知識學習的同時，有效地實現創新能力培養。

圖5 3D打印制作的模型

3.2 基于問題學習的生產實習增強知識應用能力

機械學科是在生產實踐中產生和發展起來的，作為制造技術課程重要內容之一的“加工工藝規程設計”，必須通過面向工藝的“生產實習”教學才能實現應用能力的培養。

由于社會、企業等環境變化，“生產實習”大多演變為只是在工廠的觀摩，學生幾乎沒有學習積極性，更談不上將理論與實際結合來培養解決實際問題的能力。為此，我們將其與“工藝課程設計”實踐課程融為一體：首先讓學生在校內拆裝、測繪典型的機械部件（如圖6所示的齒輪泵），來了解和熟悉該產品的性能、用途，明確各零件裝配關系及作用，以及其結構工藝性；再分配其需要進行“工藝規程設計”的典型零件（如軸類、箱體類、盤套類和齒輪）；讓學生帶著“問題”去生產該部件的企業，了解企業的實際生產及工藝流程，結合實習中現場講解來引導學生學會在實際現場的學習方法；再回到校內讓學生根據現階段我國的實際生產水平，結合新技術的應用，以單件、小批生產工藝特征為基礎，來完成“工藝課程設計”任務。不僅減少了對實習企業生產的過多干擾，也使學生能依據課程學習中的基本方法步驟來進行相對完整的實踐訓練。有效地提高了學生在實習過程的學習主動性和解決實際問題能力，在發揮學生能動性的同時，創新思維和創造能力也得到了有效訓練和培養。

圖6 齒輪泵

4 結語

結合我校機械學科的一流建設，從培養適應新時代發展的“卓越工程師”目標出發，對機械制造學科的實踐類教學進行了改革。主要有：將CAI、虛擬現實等新技術引入到課程的實驗教學，來促進和深化知識的學習；在金工實習中將特種加工和3D打印技術的實操與“工藝性能”學習結合，在提升學習興趣的過程中進一步加深理論知識學習和知識應用能力培養；將生產實習和工藝課程設計融為一體，以問題為導向，結合感性的拆裝和工業現場學習，促進學生的學習能動性的同時，實現解決工程實際問題和創新創造能力的培養。