先進制造技術在實踐教學中的探索與實踐

［摘 要］ 以江蘇理工學院“金工實習”課程為研究對象，闡述了將以激光加工為代表的先進制造技術納入“金工實習”實踐教學體系中的課程建設及實施效果。根據不同的人才培養需求構建了“認知—加工—創新制作”三種不同的課程內容，滿足不同專業、不同層次學生的培養需求，契合工程實踐教育改革發展方向。通過該教學模式，能夠開闊學生視野，鍛煉學生創新設計和工程實踐能力，對推動先進制造技術融入高等學校實踐教學體系具有一定的借鑒意義。

［關鍵詞］ 金工實習；實踐教學；先進制造技術；激光加工

［基金項目］ 2022年度江蘇理工學院教學改革與研究項目“先進制造視角下的實踐教學改革——以‘金工實習’課程為例”（11613412303）；2022年度江蘇理工學院“課程思政”示范課程項目“金工實習”（11211342301）

［作者簡介］ 陳國炎（1984—），男，江蘇鹽城人，學士，江蘇理工學院工程實訓中心實驗師，主要從事復雜機械裝備設計與優化研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）33-0111-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

引言

“金工實習”課程作為工程教育的精髓，是培養工程實踐能力與創新思維不可或缺的一環，其不僅是工程教育的載體，更是應用型本科教育體系的骨架與脊梁，是理論聯系實際、教育回歸工程、教學扎根實踐的生動體現［1-3］。在新工科建設大背景下，“金工實習”的重要性愈發凸顯，對于鍛造學生的實踐技能、激發創新思維、提升綜合素質具有重要意義。工程教育的發展應與制造業的發展前沿保持緊密對接，這意味著我們必須不斷將新興技術融入教學實踐，讓學生在校園內就能領略到先進制造技術的魅力［4-5］，先進制造技術實踐教學成為高校工程教育課程中不可或缺的一部分。激光加工作為先進制造技術領域的典型代表，利用高密度的能量為金屬材料和非金屬材料的加工開辟了新的天地。當激光技術與數控技術相結合，其應用場景更加廣闊，已成為推動我國新興技術產業發展的核心力量。將激光加工技術納入高校實踐教學之中，旨在讓學生在實際操作中理解加工技術的原理和工藝過程，深切體會工程文化的獨特魅力，從而全面提升其工程素質、創新思維和實踐能力。因此，在“金工實習”這一充滿實踐性和工程應用性的課程中引入激光加工教學，不僅有助于拓展教學內容的廣度和深度，更能夠強化學生的創新思維和挑戰精神，是新工科背景下實踐課程教育發展的必由之路。

一、激光加工實踐教學現狀和存在的問題

激光加工是一種應用廣泛的新興技術，主要應用于切割、雕刻、打標、焊接、熔敷、打孔、劃線、表面處理、快速成型等場合，讓學生耳目一新，能夠拓寬學生的眼界和創新學生思維，激發學生的求知熱情與創新欲望。激光加工技術如今廣泛納入高校的工程實訓課程中，并深受學生喜愛［6］。然而當前高校激光加工實訓教學面臨設備配置、教學資源、實踐應用、師資力量等四方面問題，亟待我們共同應對與突破：（1）教學設備不足，難以支撐多樣激光加工技術在學生作品創作中的實踐應用，學生操作設備進行加工的機會受限。（2）由于課程設置不夠合理，非機械專業的學生常因學時限制而未能體驗激光加工實訓教學，致使這一技能的培養在某些專業中有所缺失。（3）激光加工技術種類繁多，針對不同專業的學生，教學內容需體現多元化。當前教學內容單一，缺乏與專業差異和學科特點的對接。為提升教學效果，應科學區分學生差異，設計多樣化的實訓時間和內容，并確保與其他實訓內容的有機銜接。（4）激光加工設備的精密度與潛在危險性要求具備專業素養的教師進行教學與管理，而當前師資隊伍建設存在不足，無法滿足實際教學需求，不僅影響了教學質量，也阻礙了學生技能的提升。

二、“金工實習”課程介紹

（一）教學目標

為培養學生的創新實踐能力，需要讓學生深入了解激光加工技術的基本原理、特點和應用。通過自主設計和親身實踐操作，學生將能夠掌握這一先進技術。“金工實習”課程具體的教學要求包括：（1）深入了解激光加工技術，包括技術類型、工作原理、特點、應用和發展等方面的基礎知識，使學生更好地應用這一先進技術，同時也為學生日后的學習和研究打下堅實基礎；（2）深入了解激光加工設備，包括激光打標、激光切割、激光焊接和激光內雕等設備的基本構成和激光器配置，幫助學生更好地理解設備的工作原理和性能特點，為未來的應用提供更有效的指導；（3）熟練掌握激光加工技術，包括圖形設計、設備調節和作品加工，能熟練運用各種激光加工方法。通過這樣的學習方式，學生不僅能夠提升技術水平，還能培養學生的創新思維和實踐能力。

（二）教學設備

江蘇理工學院工程實訓中心配備齊全的激光設備，如激光切割、激光熔覆、激光焊接和激光打標等，主要用于機械設計制造及其自動化專業的教學與科研。結合課程改革試點，以激光切割和激光打標為重點，開展試點教學，為學生提供更具實踐性和前沿性的學習體驗。這些設備的引入，有助于培養學生的實際操作能力和創新精神，使其更好地適應未來工程技術領域的發展需求。

（三）課程體系

高等教育的核心任務是培養具備工程創新能力的人才。因此，針對機械設計制造及其自動化專業的需求，我們設計了一套逐步提高的教學方案，構建了“認知—加工—創新制作”的課堂教學模式，如表1所示。通過這種方式，學生可從簡單易懂的認知階段逐漸深入，最終達到能夠獨立進行創新制作的水平。這樣的教學模式不僅提高了學生的實踐能力，還培養了其創新精神和解決問題的能力。高校應該將這樣的教學模式納入實踐教學中，以培養更多合格的新興工程科技創新人才。

加工過程的6學時為鉗工加工校徽坯料所需的時間，創新制作的2學時為學生進行圖形構思、設計所需的時間。將傳統加工技術與激光加工技術、理論課程與實踐課程銜接在一起，逐步提高學生的綜合素質和創新能力，從而建立新型的課程體系。

（四）實訓教學內容

學生從課堂走進實訓室，對實訓室里的設備和工藝過程感到新奇和陌生。為使學生初步了解激光加工技術，我們設置了認知階段。在此階段，學生通過文字和圖形的加工演示可以直觀地了解激光加工的原理、方法以及應用場景。接著進行了加工示范階段。每名學生根據自己的校徽坯料開始制作校徽，如圖1所示。通過這個過程，學生不僅掌握了加工設備的操作方法，也學會了如何設置和調整工藝參數，為其未來的創新制作奠定了基礎。在示范加工的過程中，學生逐漸熟悉了激光加工技術，并且通過實際操作提升了動手能力。總體來說，通過這種方式，學生既了解理論知識、提升了動手能力，又對激光加工技術有了更深入的了解，也培養了創新能力。

好奇心被激發后，學生會想設計制作自己作品。創新制作課程內容的目的就是讓學生“自我創作、動手實踐”，課程重點內容在于學生自行設計和自行加工。學生構思作品時需對坯料與圖形的藝術美感進行構思、圖案設計、圖案處理及試加工，在試加工過程中出現問題則需學生自行思考解決問題的辦法，形成自我反思和自我提升過程。試加工完成后即可在準備的坯料上進行作品的制作，圖2為學生自行設計加工的作品。創新制作需要學生將自己的構思圖形通過圖形設計軟件設計，同時利用激光加工技術展現出來，全面鍛煉了學生運用所學知識開展創新設計和工程實踐的能力。

（五）多層次實訓課程教學方法

激光加工教學應以學生為核心，積極借助現代技術，差異化教學，以滿足不同專業需求。

1.認知型實訓項目旨在提供面向非機械類專業的課程教學方式，通過短時間的講授和演示，激發學生的好奇心和求知欲。在實訓課程中，教師采用各種不同于傳統理論課程的教學方式，如結合實驗室現場作品和展板介紹激光加工的技術類型、特點和應用，讓學生能夠直觀地感受到激光加工的應用。在設備加工制作環節中，教師注重講解工藝原理和設備結構，帶領學生觀察加工過程中的現象，如激光強度、加工速度和材料刻蝕深度等。教師要求每名學生在加工結束后提出兩個問題并進行回答，以此引導學生深入了解工藝參數對加工過程的影響。通過這種實踐性強、互動性強的教學模式，學生不僅能夠在短時間內掌握相關知識和技能，更重要的是培養了其對于實際問題的思考和解決能力。認知型實訓項目的實施不僅有助于提升學生的學習興趣和動力，也為學生未來的職業發展提供了更加廣闊的空間和可能性。

2.加工型實訓項目，是為近機類專業學生設計的課程，通過“作品驅動，任務導向”的教學方式，幫助學生完成校徽的加工制作，實現圖形提取、操作、檢測、評價為一體的綜合性訓練。在教學過程中，教師采用多媒體附加動畫的方法，生動地展示工藝原理和加工過程，消除學生對設備的陌生感和畏懼感。整個過程以學生為中心，教師由主動教學轉變為輔助教學，與學生多互動、多交流，并鼓勵學生相互學習，共同探討解決問題，體驗“做中學、做中思”的實踐過程。教師適時提出有啟發性的問題引導學生思考，并及時糾正實踐問題，避免安全隱患的發生。項目設計不僅幫助學生掌握加工技能，而且培養了學生的動手能力、合作精神和解決問題的能力。通過實踐操作，學生不僅增強了專業知識的理解和應用能力，還培養了團隊合作意識和創新思維。加工型實訓項目的成功實施，可以有效提高學生的實際操作能力和綜合素質，為其未來就業和職業發展奠定堅實基礎。

3.創新制作型實訓項目主要面向機械類專業的學生，采用CDIO工程教育模式。學生以小組為單位自主選擇課題進行創新制作，課題涵蓋了從構思、設計到加工的全流程，旨在培養學生綜合運用知識進行加工制作的能力和團隊合作精神。作品的主題相對開放，教師需在教學現場陳列展品以進行教學引導。同時，考評過程中引入組長給組員評分的機制，以避免部分學生渾水摸魚，提升教學質量。通過這種方式，學生不僅可以更好地學習專業知識，還可以培養創新能力和團隊合作精神。

三、激光加工實訓教學的效果與分析

江蘇理工學院工程訓練中心承擔了校內三十多個專業的“金工實習”教學任務，每年約1 500名學生進行實習。最近幾年，激光加工作為新興技術被引入到“金工實習”課程中，通過不斷地教學改革和實踐，激光加工模塊逐漸發展成為一個包含“認知—加工—創新制作”多層次實訓的課程體系。這一體系不僅符合各專業對金工實習的要求，還順應了學生知識學習的規律。通過激發學生的興趣，讓學生在實踐中主動學習和主動創新，從而培養其實踐創新能力。通過激發學生的創造力和實踐能力，實訓課程不僅幫助他們提升了專業水平，還激發了他們對于未來職業發展的熱情。江蘇理工學院工程訓練中心的“金工實習”課程在培養學生綜合能力和創新精神方面取得了令人矚目的成就，為學生的未來發展奠定了堅實基礎。

結語

隨著新興技術產業的快速發展，激光加工等關鍵技術正變得越來越重要。將先進制造技術納入高等學校的工程實踐教學體系中，是順應時代潮流的舉措。發展多學科交叉融合的“應用型”和“綜合型”實訓教學模式，有利于培養學生的創新設計和工程實踐能力。因此，推動各種先進制造加工技術實訓教學的開展，契合我國工程實踐教育改革發展的總體方向。通過該教學模式，為學生提供更好的學習機會，激發其創造力和實踐能力，培養出更多具有競爭力的人才，為我國產業發展注入了新的活力。

參考文獻

［1］韓偉，段海峰，江麗珍，等.新工科背景下高校工程訓練中心的建設與管理［J］.實驗技術與管理，2020，37（7）：238-242.

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［5］郭江，孫晶，王永青.面向應用的“先進制造技術”課程教學改革研究［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2022（5）：18-22.

［6］易煦農，陳歡，湯斐.慕課模式下《激光原理》課程教學改革初探［J］.輕工科技，2015，31（9）：162-163+165.

Exploration and Practice of Advanced Manufacturing Technology in Practical Teaching： Taking

Metalworking Practice Course as an Example

CHEN Guo-yan， DING Li-hong， CAO Jian

（Engineering Training Center， Jiangsu University of Technology， Changzhou， Jiangsu 213001， China）

Abstract： Taking the Metalworking Practice course of Jiangsu University of Technology as the research object， this paper elaborates on the course construction and implementation effect of incorporating advanced manufacturing technology represented by laser processing into the practical teaching system of Metalworking Practice. Three different course contents， namely “cognition-processing-innovation production”， have been constructed based on different talent cultivation needs to meet the training needs of students from different majors and levels， in line with the direction of engineering practice education reform and development. Through this teaching mode， students can broaden their horizons and exercise their innovative design and engineering practice abilities. It has certain reference significance for promoting the integration of advanced manufacturing technology into the practical teaching system of higher education institutions.

Key words： Metalworking Practice; practical teaching; advanced manufacturing technology; laser processing