基于精密加工技術的開放性創新實驗教學研究

高 尚*，郭曉光，董志剛，朱祥龍，康仁科

（大連理工大學機械工程學院 遼寧 大連 116024）

隨著新一輪科技革命和產業變革的加速進行，全球制造業的產業結構、發展環境和制造技術正在發生深刻變化，中國制造面臨著新的歷史機遇與挑戰[1]。國內各高校一貫重視學生的實踐教學環節[2-3]，本文以大連理工大學機械學院為例，鼓勵和支持本院教師利用大連理工大學的大學生創新實驗項目進行本科生的創新實踐教學活動，得到學生和老師的廣泛好評，但因項目數量的限制，難以使更多的學生通過該項目參與創新實踐活動。大連理工大學機械學院擁有精密與特種加工教育部重點實驗室科研平臺，為了充分利用機械學院在精密加工技術方面的科研硬件條件和師資力量，近年來一直在積極探索本科生創新實踐教學的新模式新方法。例如：在精密加工等專業課中，安排學生分批參觀實驗室，使學生們能夠對精密加工技術有直觀的認識，并從中吸納對科研有濃厚興趣的同學作為科研助手。此外，實驗室還為高年級本科生開展實踐學習積極創造條件，本科生經實驗室培訓合格后，進入精密與特種加工教育部重點實驗室，進行大學生創新實驗項目和本科畢業設計試驗等。其中，部分優秀的本科生從大二開始在創新實驗項目支持下，與實驗室研究生共同圍繞不同零件的加工理論、工藝和工具等系統的研究，相關零件的加工和檢測均在實驗室完成，并發表論文等相關成果，使學生的創新和實踐能力得到全方位鍛煉。

本文以大連理工大學機械學院基于精密加工技術的開放性創新實驗教學為例，介紹大連理工大學機械學院利用精密與特種加工教育部重點實驗室在精密加工技術方向的科研資源，面向現代機械前沿行業人才需求，從教學模式、管理機制、資源重構等方面出發，開展基于精密加工技術的開放性創新實踐教學模式和方法，提高學生分析和解決問題的實踐能力和創新能力。

1 開放性創新實驗教學方案

1.1 教學方案整體框架

通過分析國外高校較成熟的相關案例[4-5]，同時深入制造企業調查研究，使用調查問卷法和談話法了解企業的人才需求和技術創新需求等，確立了開放式創新實踐教學的整體框架。鼓勵具有實驗和教學雙重經驗、師德高尚的老師擇優選擇對科學研究有熱情、樂于實踐動手的學生“一對一”深度培養，精選適宜的小型科研項目，從相對獨立的實驗入手，以項目驅動教學，引導學生積極參與科研項目，與研究生共同協作攻關難題。在教學-實踐的螺旋式學習過程中，針對學生的個性差異，因材施教，在實踐積累的過程中，鍛煉學生的創新能力。為表現突出、成績優良的學生提供科研助手、實驗室助理等崗位，鼓勵學生在導師和高年級學長的協助下，研究加工測量原理，組隊參加相關科技競賽，培養實踐類創新能力，引導和激勵學生勇于創新，挖掘和培養優秀人才。

1.2 多元化教學模式建設

圍繞“重視基礎、反映前沿、交叉綜合、突出實用”的課程建設原則，進行課堂教學與實驗實踐深度融合的課程建設。支持承擔教學任務的教師廣泛結合本領域前沿和實驗室條件，取精用宏，濃縮講授共性原理和基本方法，增加實踐教學的比重，實施“課堂講授+啟發互動+創新實踐”三體教學模式。針對關鍵的精密加工技術和測試工藝，以點帶面，鼓勵師德高尚、業務精湛的實驗員開設課堂授課與實驗一體化的專題微課。面向全校學生開設機械制造科學相關培訓課程和專題講座，設立實驗室開放日，給學生提供觀摩實驗室、了解課題發展狀況、操作儀器的機會。同時，圍繞實踐內容，根據企業實際需求和授課教師團隊承擔的科研項目，開設硬脆晶體基片超精密磨削技術、硬脆晶體基片研磨與拋光技術、蜂窩芯超聲切削技術與裝備、薄壁曲面零件橢圓振動切削加工等專題講座激發學生的學習興趣，提高學習的主動性。圍繞教學內容和專題講座，開展實驗室實踐教學，提升學生的科研意識和實踐能力。此外，邀請企業專家走進課堂，講解企業實際應用的超精密加工技術，讓學生了解企業生產實際，增強對超精密加工領域的認識。

1.3 教學平臺建設

從管理方法、設備投入、工藝安排等角度整合資源，優化開放創新環境。首先，現有的實驗室管理運行模式是主要針對教師和研究生實施科研任務設立的，需要對此進行修正和完善管理方法，既要滿足開放性創新實驗需求，也要保證不影響正常的科研任務，還要考慮到安全性和儀器保管等多方面的問題。其次，部分實驗周期長和實驗費用高的環節，例如掃描電子顯微鏡、超精密磨床等，需要考慮代用方法，例如采用光學顯微鏡代替掃描電子顯微鏡進行檢測、對國產磨削裝備進行改造修復或對演示工藝進行濃縮等方案，使其能滿足學生實踐動手的需求。最后，針對本科生時間段分散、實驗室接納人數有限的問題，考慮重構實驗室網絡平臺，增加實驗預約、實驗報告提交、實驗查詢、資料下載等功能，做到反饋及時、信息有效、渠道暢通。

1.4 過程式考核方法建設

針對開放性創新實驗教學的目的，為了全面客觀地評價學生的實踐情況和調動學生的學習自主性，建立面向研究型教學的過程式考核方法。過程化考核方法將實踐過程分為“理論自主學習報告、教師/企業專家講座學習報告、現場實踐報告、學習總結報告”四個環節，并按照學生表現在各環節打分，最終形成課程考核成績，四個環節在考核總成績中的占比分別為20%、10%、40%、30%。其中，自主學習報告由老師根據實踐教學內容為學生提出開放性答案的課后作業，重點培養學生的自主學習能力和基礎理論應用能力；教師/企業專家講座學習報告、現場實踐報告、學習總結報告等由老師根據學生選定的實踐教學題目對相關教學內容進行講解，同時指導學生操作相關設備并完成指定零件的加工，重點考查學生在實踐教學過程中的學習能力，培養學生的創新能力和實踐能力。整個實踐教學過程重點考查學生綜合運用知識來分析、解決實際問題的能力，進而使學生從為了考試而學習向自主學習轉變。

2 開放性創新實驗教學的成效

2.1 創新實踐教學平臺建設

近年來，大連理工大學機械學院創新實踐教學團隊以承擔的國家自然基金重大/重點/面上項目、國家重點研發計劃項目課題等國家級高水平課題為依托，在進行科研項目的同時，將科研成果與創新實踐教學融合，轉化為學生的創新實踐教學課題，將為科研購置的工件旋轉法超精密磨床、大口徑基片研磨/拋光機、超聲輔助磨削加工中心、五軸聯動超精密車削機床、掃描電子顯微鏡、白光干涉輪廓儀、超景深顯微鏡等先進的加工與檢測設備用于本科生的創新實踐教學，實現了服務于開放性創新實踐教學的實驗平臺建設。近三年來，以大連理工大學機械學院機械設計制造及其專業的本科生為對象，教學團隊在創新實驗教學平臺上提供了硬脆晶體基片精密磨削加工技術、硬脆晶體基片精密研磨加工技術、硬脆晶體基片精密拋光加工技術、硬脆晶體基片精密加工表面/亞表面損傷檢測技術、超硬晶體材料光電化學機械拋光技術、蜂窩芯超聲輔助切削技術、薄壁曲面零件橢圓超聲振動切削加工技術等10 個實踐教學課題，機械學院在讀本科生均可在開放性創新實驗教學平臺上選擇自己喜歡的實驗課題，每年參加開放性創新實踐教學的學生超過200 人次，創新實踐教學得到了學生的認可。

2.2 學生創新與實踐能力

基于搭建的創新實踐教學平臺，依托于教學團隊承擔的科研課題，通過指導學生參與各類創新創業訓練項目和各類科研課題，使學生自主或協助博士研究生完成創新性實驗研究。經項目設計、項目實施、報告撰寫、學術交流等過程，鍛煉和提升學生的科技創新能力。近3 年，教學團隊指導學生主持國家級創新實驗項目6 項、省級創新實驗項目12 項、校級創新實驗項目70 余項。學生們通過基于超精密加工技術的開放性創新實驗對精密加工技術有了深刻認識，開闊了知識視野，發掘了自己的學術興趣，增強了學術功底，拓展了知識面，對今后的工作和深造學習均有很大的啟發。此外，學生對于專題講座和現場實踐的學習興趣最高，由于現場實踐能夠使課本上的教學變成“看得到，摸得著”的機械，學生對精密零件的加工過程也有了更加直觀的見解，能夠親自操作機器也使學生增加了對學科的歸屬感，增強了學生的學習興趣。最后，對開放性創新實驗教學的總體教學評價還可以反映在學生的過程化考核成績上，從最終的課程考核成績來看，成績高于80 分的學生人數達85%以上。

2.3 學生科技競賽成績

科技競賽是檢驗學生創新和實踐能力的有效方法，賽教融和能夠有效檢驗創新實踐教學的效果。互聯網+，挑戰杯、數字化三維設計大賽、機械創新設計大賽等科技競賽均面向機械設計制造及其自動化專業的本科生。學生們依托于創新實踐教學平臺，結合不同科技競賽的命題要求，自主組建參賽小組，在實踐教學平臺教學團隊的指導下完成方案設計、零件材料和工具采購、加工參數優化、加工程序編寫等工作，參賽成員協同完成參賽作品的加工與制造。近三年來，依托于精密加工技術創新實踐教學平臺，學生獲得中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎2次、銀獎1 次，遼寧省“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎3 次，“挑戰杯”全國大學生課外科技作品競賽一等獎1 次、遼寧賽區一等獎2 次，遼寧省機械設計創新大賽一等獎3次，獲獎學生達80 余人次，學生以第一發明人申請發明專利14 余項，發表SCI/EI 論文8 篇。基于精密加工技術的開放性創新實驗教學，以科技競賽為載體，培養了一批基礎理論扎實、創新實踐能力強的優秀學生。

3 結語

面向我國集成電路、航空航天、國防武器等先進制造前沿行業對工科人才創新和實踐能力的要求，以大連理工大學機械學院基于精密加工技術的開放性創新實驗教學為例，研究了以理論教學為依托，以實驗工程應用為基礎的精密加工技術方向的創新實踐課程體系，以及開放式創新實踐教學的導師制人才培養機制。通過有效整合實驗資源，完善實驗室管理方法和網絡化平臺，建立了高效靈活的開放式創新訓練軟硬件環境，完成了教學與創新實踐深度融合的課程建設，增加了啟發式教學和實踐教學的比重，形成了理論-實踐的系列專題課程，實現了精密加工技術方向的科研成果快速向本科生創新實踐教學資源轉化，達到了提高教學質量、培育學生創新實踐能力和提升機械專業學生就業競爭力的目的。