新工科背景下的“机械制造工艺学”课程改革与实践

周 凯，杨 帅，张景淘，王 震，龙晓军

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学后勤管理处，山东 泰安 271018）

0 引言

复旦共识、天大行动和北京指南，构建了国内新工科课程建设的基础，开辟了工程教育改革的新途径。新工科的提出，其核心思想在于一个“新”字，而内涵必然是“创新”[1-2]。相比于传统类型的老工科，新工科建设更突出多学科的交叉性、实用性与智能化等特点，特别注重区块链、人工智能、数据传输、智能通讯、电子控制、软件开发等新技术与传统工业技术的紧密结合[3]。因此，新工科贯穿的使命就是促使高等院校实施创新的人才培养模式，培育出适应于新时代的创新型人才。教育部把“新工科”的“新”概括为：分类发展的新体系、课程专业的新目标、人才培养的新模式、教育教学的新质量、工程教育的新思想。

近年来，国家高新科技产业的高速发展，创新性人才缺口很大，对其需求迫在眉睫。因此培养切合新工科所要求的高素质、创新型人才，以成为我国工科教育课程改革急需解决的问题。欲提高教学质量，必须转变传统的教学方法，建立知识传授、能力培养与素质提高三位一体全面发展的教育理念。本项目总体目标是：通过理论+实践的课程体系建设，基于工程案例的互动式教学和基于虚拟仿真技术的工程实训的教学方式[5-6]，开展“大数据”“大制造”“人工智能”“云制造”“机器学习”等方向的课程建设项目，推动大学生系统能力的培养，形成完备的知识体系，最终培养出满足未来需求的交叉复合型工程科技人才。

1 教学改革框架

针对机械制造工艺学课程特点，在内容组织、环节安排、方法改进、创新设计等方面着手，解决好教学中的各种问题，使学生高效掌握所学知识和技能是搞好课程改革的关键。具体教学改革框架如图1（P137）所示。主要包含以下三个方面。

图1 教学改革框架

1.1 理论+实践课程体系建设

在教学模式的探索过程中，创建“工学结合”的教学模式，使机械制造工艺学的课堂理论教学与实际工程实践密切结合。理论实践一体化的教学模式突出了“实践、探索、研究”的教学理念，以问题为导向，以培养学生的科研素养和创新能力为核心，加强课程与科研课题的衔接和整合，为工程专业领域的研究提供课程知识和实践方法论。主要包括：

（1）教学方法的灵活性。

（2）注重教学内容中的理论与实践相结合。

（3）突出新型教学理念。

1.2 基于工程案例的互动式课堂教学

互动式工程案例教学，作为一种新颖的教学改革措施，主线在于典型工程案例，例如：物料运输、车间装配、车间调度等工程案例。在工程案例中全面贯穿即将要讲授的理论知识，在这个前提下构建形象生动的完善的课程体系。就互动式案例教学来讲，顾名思义，其具有双向互动性，这里的双向是“教”和“学”，师生在双向互动中，利用解决问题和提出问题的过程，调动学生积极性，提高学生的互动参与度，有效改善课堂教学效率低下的情况，从而构建新型的“高效课堂”。主要包括：

（1）激发学生的创新思维，促进学生创新能力培养。

（2）提高学生数学分析和解算能力。

（3）计算结果对实际问题的应用指导作用。

1.3 基于虚拟仿真技术的工程实训

虚拟仿真技术的进步日新月异，现阶段大多前沿应用问题都依托虚拟仿真技术进行仿真运算，既可以检测方法的可行性，又可以由虚拟仿真实验结果改进相应的方法或算法，因此，将虚拟仿真技术的应用等前沿应用热点问题引入到课程教学中势在必行。“学有所用，学为今用”应是机械类专业最终要完成的任务，因此在教学过程还在那个应着重解决的问题是：

（1）注重学科前言知识的引导作用。

（2）理论知识与仿真分析软件的结合。

（3）虚拟仿真分析与工程实训的结合。

1.4 课程反馈与改进体系建设

构建一套符合机械制造工艺学课程的课程反馈机制，学生将对机械制造工艺学课程改进教学方式的意见反馈至雨课堂等网络开放资源。指导老师可以依据学生反馈的意见对机械制造工艺学的课程内容与教学方式进行进一步改进，以提高教学质量。主要包括：

（1）建立并完善机械制造工艺学网络教学平台。

（2）借助互联网技术，将课程意见反馈至雨课堂等信息平台。

（3）扩展教学知识内容，扩充学生的知识储备。

2 教学改革实施计划及步骤

基于机械制造工艺学课程的改革与实践，需要根据前述项目研究思路中拟解决的三个重点问题，穿插、协同进行。并将研究成果归纳提炼，建成网络在线开放资源。具体步骤如下：

（1）针对课程理论与实践衔接不紧密的问题，引入理论+实践课程体系。由于机械制造工艺学这个课程主要处理的是机械工程实践中的技术问题，并且对学生的创新实践能力要求较高，现有的课程实践内容过于陈旧且与实际相关性较低，导致学生在理论学习阶段对知识点理解不够透彻，易导致实践过程中脱节，使学生很难深入理解课程专业知识。并且目前机械制造车间越来越趋向于基于大数据的智能制造，亟须对课程的内容和教学模式进行改革。

在课程理论上，将所讲内容的重点与现实实际生产相互结合，淡化与教学主线关系不大的内容；在教学实践上，注重培养学生的实践和创新能力，同时，密切结合教学和实践，培养学生综合运用工艺知识、分析零件结构工艺性的基本能力，并且使同学们了解与本课程有关的机械行业发展趋势。通过理论和实践的紧密结合，确实达到“厚基础、宽实践”的基本教学要求。

以“机械制造工艺学”课程中的“工艺尺寸链”的计算为例。在尺寸链的计算过程的重点是建立尺寸链和判断封闭环，其决定工序尺寸的计算结果。针对尺寸链的计算和尺寸链相关概念缺乏清晰认识等问题，以实际零件的全加工流程为例进行实验和案例分析，使同学们对尺寸链的概念和计算方式有直观的感受。以汽车的变速器倒挡装置为例，首先，提出装配的各尺寸设置问题，引导学生对装配尺寸问题进行深入思考；然后，老师引导学生分析零件与装配工程图，分析相互关联的尺寸，建立工艺尺寸链，并进行分析和求解；其次，同学们对工艺尺寸链进行建立、分析、求解；最后，归纳总结相关知识点，对工程实例深入解读，从而提高学生的机械制造工艺设计能力。通过理论与实践相结合的教学形式，提升学生的兴趣和好奇心，启发学生思考，提高学生的工程实践能力和工艺设计能力。

（2）针对教学模式单一枯燥的问题，引入基于工程案例的互动式教学。通过研究“机械制造工艺学”课程内容，分析理论教学的关键环节，对现有相关案例资源进行调查，并对其进行分类分析，设计适合学生的教学环节；尝试利用移动互动平台完成学生课堂和课后的实践体验，培养学生的自学能力，激发学生的学习主观能动性，建立课堂内的质量保证体系和课外体验平台；完善现有的教学评价体系，建立课前+课内+课后动态评价的新模式，不仅检验学生理论知识的掌握程度，实现了人才的全面培养。

由于，目前课堂教学过于注重理论知识的讲解，课堂气氛较沉闷，一个符合课程内容的工程实例可以有效提高学生的兴趣和课堂的活跃度。在课程每一章的讲解过程中加入1到2个大案例，以车间调度为例，通过对大量工序的合理安排，减少机械加工制造所用的时间，可以提高车间的加工效率，通过此案例，同学们可以对车间现场、工序安排、设备加工等内容有一个整体的认识。但是，课程导入和学生展示的工程案例必须是紧贴课程内容的工程案例。如果所选用工程案例的重点与课程内容出现偏差，容易降低同学们探索未知领域的兴致，最终导致教学成效降低。

（3）针对无法直观感受真实车间和检验实践能力的问题，引入基于虚拟仿真技术的工程实训。通过Unity等仿真软件可搭建车间现场的虚拟平台，同学们通过VR技术进行虚拟沉浸式体验，可以对车间加工过程进行全方位立体的感受，将使用者的听觉和视觉与外界的环境分离开来，促使其在沉浸体验中，完成机械制作相关流程的学习中，最终达到相关知识的深度学习；通过 Plant Simulation、Flexsim等数值模拟软件对具体机械加工制造流程进行虚拟仿真，可以验证加工的合理性和可行性。可有效避免在传统工厂操作中出现的原材料耗损等现象，节约人力成本的开支，提升工作效率；有机的结合虚拟仿真技术和机械制造工艺学中较难理解的抽象知识点，开发新型交互式课件，提高课件操作的交互性，表现的生动性，同时提升学生的参与度，帮助学生更好地理解知识点。

（4）将重要教学案例等进行归纳总结，由老师指导学生建立微信公众号、网络平台等开放资源，供校内外学生学习使用。根据“机械制造工艺学”课程教学目标，借助于互联网信息平台技术，建立并完善机械制造工艺学网络教学平台，形成一整套完善的互动式课堂教学资料。丰富的网络教学资源为学生以问题为引导的自主学习提供了良好的网络学习环境，突出了新工科学习特点，可以提高学生的学习兴趣，同时学生在雨课堂等大数据平台或以作业的形式提出各种改进教学方式的意见，老师可以根据学生反馈的意见对“机械制造工艺学”的课程内容与教学方式进行持续改进。

3 工作成效与思考

通过大量的教学探索与创新实践活动的开展，最大限度地提高了学生的创新实践基础和能力，增强了校园中创新实践学习氛围，同时构建了以教师主导学生为主体的多元立体化、创新性、物联网的智慧课堂。让学生进行沉浸式学习，从而构建“机械制造工艺学”的基本知识框架，当遇到课程问题时，通过互联网等新技术反馈给老师，老师会对问题进行汇总、整理，然后为同学们进行解答，最后同学们对新问题进行整理研究，再学习，再实践解决问题，从而巩固吸收课本上的新知识，实现科学实践教育，收获了良好的教学效果。