新技术新模式推进机械制造实践教学强化一流本科建设的能力培养

王翔，叶回春，李晓峰，李木军，张世武

（中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，合肥 230027）

0 引言

随着高等教育“双一流”建设的持续深入，特别是中国制造已从“制造大国”开始迈向“制造强国”的征程，适应时代发展需求的“工程师”培养，就成为中国高等教育的必然任务。“新工科”建设和实施“卓越工程师教育培养计划2.0版”等已得到国家、社会及学术界的高度关注，更已经成为高等院校工程学科教育的时代使命[1-2]。针对相对传统的机械制造学科，其本身不仅具有实践性强的学科特点，更是直接为“制造强国”提供核心基础装备的基础学科，为此，如何在教育教学改革中体现新理念、新模式、新质量要求，已有众多高校和学者进行不同层次和范围的尝试[3-4]。

从面向一流学科建设角度看，工科教育教学不仅需要加强学生对所学核心知识的理解，还需要培养学生具有“创造”事物的能力，而“创造能力”重要特点之一就是其实践性，故充分重视实践环节教育是实现培养工科学生具有持续创新创造力的重要手段。为此，本文以面向一流本科建设对学生“能力”培养为出发点，以机械制造学科体系的实践教学为背景，结合新技术应用，改进本科教学中的实验教学、实习教学的模式，来加强学生获取知识能力、应用知识能力和创新创造能力的培养，以满足面向全球竞争的工程教育强国建设需要。

1 新时代一流本科建设的能力培养对实践教学改革要求

随着新科技革命和产业变革的蓬勃兴起，对一流本科教育的人才培养提出了新要求。大学本科教育教学的任务就是在“以学生为本”教育理念的基础上，培养具有国际竞争力的创新创造型人才。纵观现阶段中国高等教育，绝大多数是基于教材的知识教学，基本概念（或原理）大多是通过教师的课堂教学方法和经验来促进学生理解，故存在着理解深度不够和死记硬背等现象；而实践的感性感知可以让学生将书本概念转化为自己的知识，同时，实践还能有效地激发学习动机，进一步促进学习的自觉性和有效性。因此，实践教学对工程学科的教育教学唯有根据时代变迁不断地改革实践教学的理念和模式，才能促进和强化学生获取知识能力、应用知识能力、创新创造能力的培养，以适应新时代的召唤。

我国高等教育经历“211”、“985”建设后，学科建设取得了长足进步。但如何利用“实践教学”来突出能力培养，需要对大学本科教育的实践类教学重新思考，现阶段大学本科教育的实践类教学，可按目标导向分类为：1）实验教学。是与理论课程教学中相对重要和难理解知识点密切相关的课程实验，以促进理论知识理解为主要目标。2）实习教学。是利用感性认知和实操的实习和课程设计的实践学习，以巩固知识学习深度、知识应用等基础能力为主要目标；3）综合实践。是利用竞赛、大学生研究计划、毕业论文等多种形式，以知识的实际综合应用来提升全面能力为目标。而前两者是本科教育培养拥有“基础能力”的核心，为此，对于现阶段通常由课程实验、金工实习、生产实习和课程设计几个部分组成的机械制造学科的实践类教学进行多维度的改革，将能有效促进学生“基础能力”的培养。

2 以新模式、新技术下的实验教学创新提升知识获取能力

2.1 改进实验教学模式，加强知识的理解

现阶段高校中的多数课程实验与课堂教学是相对独立的，且大多“实验”仅是让学生在已调试好或部分调试好的实验装置上做简单操作和数据记录、处理，无法有效促进对知识的理解。为此，我们将课程实验与课堂教学紧密结合，改进实验教学模式，以提高参与度和趣味性，加强有效性。

对于需要深入认知的知识点的实验，如机床主轴回转精度的动态测量与分析，其影响因素多，且随着机床类型不同而不同。为此，首先将需要深入理解的知识点和实验目的作为一个大作业，让学生自由组合成小组、拟订实验方案，以小组形式在课堂上讲解，与大家共同讨论后，根据现有的技术成熟度和经济性来进行可变参数的实验系统搭建和实验操作，并与不同参数的实验小组来一起分析。在热烈的讨论、辩论中，强化了学生对与实验相关理论知识的学习，学会了多知识的综合应用，将被动实验转变为学生积极参与的开放性实验，有效培养了知识获取能力、团结协作和表达的能力，了解实际问题的解决方法，真正实现了基础能力的培养。

2.2 应用新技术来提升知识学习的能力

随着计算机技术的发展，计算机辅助技术已与机械工程学科紧密融合，教学中CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）业已得到广泛应用。CAI可以将实验教学重点转向实验结果分析，既提高了实验教学效率，也能有效地促进知识的学习。为此，对于需要较深入学习的知识点相关实验，研制了一系列计算机辅助实验系统（如图1），分别为机床主轴回转精度动态测量实验系统、导轨及直线运动精度测量实验系统、机床静刚度测量实验系统和机械加工误差统计分析实验系统。通过实验有效增强了学生的知识学习的能力。

图1 计算机辅助的实验教学系统

对于需要系统化深入认知的知识点的实验，如实验装备需求高，机床、刀具和加工环境要求高[5]，加工精度高的基于金刚石刀具的超精密加工教学实验，其切削原理是切削深度小于10 μm的微量切削过程，与常规加工的去除机理有所不同，如图2所示。为此，开发了金刚石刀具超精密加工虚拟实验教学系统[6]，如图3所示，来模拟真实设备操作，不仅可以完整展现超精密加工过程，还可以结合理论课程来认知切削过程的微观机理，从而进一步深化知识的学习和理解。

图2 超精密加工的切削原理

图3 超精密切削加工虚拟实验系统

3 以新理念、新技术下的实践教学变革强化知识应用能力

3.1 新技术下金工实习促进知识更新与应用能力

面向装备的机械制造能力是建设制造强国的核心，制造能力提高不仅体现在制造系统的水平，还关乎制造对象的“可制造性”，或狭义称之为“工艺性能”，其反映零件的设计结构与对应工艺方法的关系，“工艺性好”表示可以用某种加工方法相对经济、快速加工出满足质量要求的零件。因此，“可制造性”是机械制造课程的最重要知识点之一，也是与产品制造直接关联的最基础的应用能力之一。

现阶段，众多高校的“金工实习”定位在机械加工的简单认知和操作上，与课程教学的脱节使得其实现的教学效果很有限。为此，我们在普通的认知性教学基础上，将其与制造技术课程教学相结合，既关注理论课程知识点的实践，也引入各种新技术的实践，结合新技术的原理和关键工艺特征分析，来认知新技术对制造能力的影响，在促进知识学习的同时，引导知识应用和创新创造能力的培养。

如作为特种加工工艺的电火花线切割加工，其在计算机控制下可以实现任意复杂度的二维扁平零件加工；而随着技术进步，电火花线切割现在不仅可以实现微米级的精度，还可以直接加工准三维的零件。如图4所示，对于仪器中应用的较小尺度导轨副，传统铣刨方法的工艺性和精度较差，而利用线切割可直接获得微米量级间隙的燕尾形导轨副，大大提高了加工“工艺性能”。

图4 电火花加工小型导轨副

同样地，近年来持续热度的3D打印技术，其基于逐层增材的成形原理，相对于传统的刀具减材加工和铸锻焊的等材加工[7]，其核心技术特征是可制造任意复杂度的真三维结构，很大程度上颠覆了传统制造对零件结构的“工艺性能”要求，如图5所示的内外曲面壶体、中空壶嘴和手柄一体的小水壶模型。将其纳入在“金工实习”实践环节，并与课程教学的“工艺性能”及对零件的结构设计、创新设计等多知识点结合，激发学生学习主动性，促进知识学习的同时，有效地实现创新能力培养。

图5 3D打印制作的模型

3.2 基于问题学习的生产实习增强知识应用能力

机械学科是在生产实践中产生和发展起来的，作为制造技术课程重要内容之一的“加工工艺规程设计”，必须通过面向工艺的“生产实习”教学才能实现应用能力的培养。

由于社会、企业等环境变化，“生产实习”大多演变为只是在工厂的观摩，学生几乎没有学习积极性，更谈不上将理论与实际结合来培养解决实际问题的能力。为此，我们将其与“工艺课程设计”实践课程融为一体：首先让学生在校内拆装、测绘典型的机械部件（如图6所示的齿轮泵），来了解和熟悉该产品的性能、用途，明确各零件装配关系及作用，以及其结构工艺性；再分配其需要进行“工艺规程设计”的典型零件（如轴类、箱体类、盘套类和齿轮）；让学生带着“问题”去生产该部件的企业，了解企业的实际生产及工艺流程，结合实习中现场讲解来引导学生学会在实际现场的学习方法；再回到校内让学生根据现阶段我国的实际生产水平，结合新技术的应用，以单件、小批生产工艺特征为基础，来完成“工艺课程设计”任务。不仅减少了对实习企业生产的过多干扰，也使学生能依据课程学习中的基本方法步骤来进行相对完整的实践训练。有效地提高了学生在实习过程的学习主动性和解决实际问题能力，在发挥学生能动性的同时，创新思维和创造能力也得到了有效训练和培养。

图6 齿轮泵

4 结语

结合我校机械学科的一流建设，从培养适应新时代发展的“卓越工程师”目标出发，对机械制造学科的实践类教学进行了改革。主要有：将CAI、虚拟现实等新技术引入到课程的实验教学，来促进和深化知识的学习；在金工实习中将特种加工和3D打印技术的实操与“工艺性能”学习结合，在提升学习兴趣的过程中进一步加深理论知识学习和知识应用能力培养；将生产实习和工艺课程设计融为一体，以问题为导向，结合感性的拆装和工业现场学习，促进学生的学习能动性的同时，实现解决工程实际问题和创新创造能力的培养。