机械工程专业学位研究生高等机械工程学教学案例库建设

孙玉晶，王高琦，刘 茵，周婷婷

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），济南 250353；2.济南大学，济南 250022）

2015 年，教育部发布的《关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研〔2015〕1号）中明确提出“案例教学是推动专业学位研究生培养模式改革的重要手段”[1]。因此，在课堂教学中尝试采用案例教学法，面向新工科建设需要，以科研创新能力培养为主线，与学科发展前沿相结合，引导学生运用所学知识进行主动思考和分析，重现真实工程情境，实现课程结构融合、知识融合和能力融合，以寻找解决实际问题的最佳办法，紧跟学科发展前沿，可拓宽研究生的科研视野，提升科研与创新能力，为研究生课题研究的顺利开展奠定良好基础[2-3]。

一、专业学位教学案例库建设意义

高等机械工程学是齐鲁工业大学机械与汽车工程学院高等机械工程学教研团队开发的研究生省级优质课程，团队成员专业包括机械制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程和力学，研究方向涵盖了先进制造技术、智能制造、先进设计理论及方法等方面，具有多学科交叉、各课程知识点综合性强、理论知识抽象难以理解的特点。这就要求任课教师在课堂讲授时不能只是简单复述书本知识，而应紧密结合工程实践，提高学生应对复杂工程问题的能力。

国内外关于机械工程专业高等机械工程学相关课程的教学案例研究比较少，已有的教学案例库建设更多集中于本、专科阶段，针对专业学位研究生的教学案例库研究则非常少。虽然讲授教师在之前的教学中会应用一些工程实例。但是这些工程实例都还未达到一个真正教学案例的要求。例如包含的知识点较为单一，缺乏综合性和系统性；一些教学案例基于理论知识，而脱离工程实际；不少案例沿用多年，涉及的应用背景陈旧，不能很好地联系本专业当前最新的科技发展前沿。因此，案例良好的教学效果不能够得到体现，难以实现对研究生分析解决问题的能力、实践能力和创新能力的培养。

合理优化高校人才培养结构，加大高层次应用型人才培养力度，着力促进以提升专业实践能力和职业创新素养为导向的专业学位研究生教育的快速发展，是当前我国高等教育领域的一项重要改革任务[4]。因此，为了加强研究生对理论知识的系统掌握、拓宽研究生的科研视野、提升科研与创新能力和提高研究生分析解决实际问题的能力，建设与完善高等机械工程学相关课程教学特点相适应的教学案例库具有重要的意义。

二、专业学位教学案例库建设应用前景

中国机械工程学会面向未来20 年机械制造业发展，组编了《中国机械工程技术路线图》。该路线图在分析总结当前国际经济和技术发展现状及我国制造业发展态势的基础上，选择了机械工程技术的产品设计、成形制造、智能制造、精密和微纳制造、再制造和仿生制造6 大领域，研究制定了面向2030 年的中国机械工程技术发展规划[5]。基于此背景，结合高等机械工程相关课程特色，建设一个适用于机械工程领域研究生培养的高等机械先进制造技术相关课程教学案例库。本案例库围绕高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术、表面工程技术和微纳米制造技术等先进制造技术，从工程实践中及与工程实践密切联系的优秀学术成果中提取素材，收集15 个机械领域学术前沿、工程生产实践及项目组成员的相关科研成果案例。通过案例教学，可以使研究生了解学科前沿动态，感受企业生产实际，并在解决案例问题的过程中巩固基础知识，提高实践能力和创新意识。通过案例教学和相关成果的推广，可有效提高研究生的学习主动性和课堂互动性，并进一步激励教师改善教学方法和提升教学水平，从而使课堂教学效果得到总体提升，同时对于进一步探讨产学研合作新模式，推进应用型人才培养具有重要意义。

三、前期已开展的相关工作

高等机械工程学教研团队在高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术和微纳米制造技术等领域具有丰富的科研经验，将教师的科研成果引入到高等机械工程学课程的教学案例中，可实现科研与教学的良性互动；同时，教研团队撰写了国内首部高等机械工程学教材，以科研创新能力培养为主线，与学科发展前沿相结合，阐述高等机械工程理论知识体系，实现课程结构融合、知识融合和能力融合。

四、拟建设案例库内容

依据机械专业学位研究生高等机械工程学课程内涵、教学大纲及教学目标，围绕高等机械先进制造技术的内涵及特点拟定了5 个技术专题，涵盖了高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术、表面工程技术和微纳米制造技术等内容，并针对每个专题和关键技术收集、整理，构建了15 个工程案例，其总体框架如图1 所示。

图1 高等机械先进制造技术案例库建设总体框架

案例1：高速及超高速硬车削工艺。

高速及超高速硬车削是高速切削技术的一个典型应用领域，可以实现“以切代磨”的新工艺。针对高速及超高速硬切削时切削力大、切削温度高，需要刀具、机床和夹具同时提供良好的条件支持，引导学生分析机床刚性来支持高速硬车削加工过程；进而通过优选刀具材料与几何结构保证高速及超高速硬切削加工顺利进行；同时基于加工过程中采集到的切削力、切削温度、系统振动、刀具磨损及切屑等，分析高速及超高速硬切削机理，并进一步优选切削工艺。

案例2：薄壁件高速及超高速铣削工艺。

薄壁结构件在保持较轻重量的情况下拥有较好的刚性和较高的比强度，在航空航天领域有着广泛应用。引导学生分析薄壁结构件的加工特点，围绕薄壁零件的变形控制及矫正进行探讨，明确弱刚性薄壁构件近恒刚度高速及超高速铣削加工及其误差自适应补偿关键技术。

案例3：高速切削用复合涂层硬质合金刀具寿命预测。

针对高速切削用复合涂层硬质合金刀具寿命预测，引导学生探讨基于表征涂层/涂层及涂层/基体界面结合性能的评价体系，研究界面结合性能对界面裂纹扩展的影响机制；基于涂层组织结构和性能特点，研究残余应力对界面裂纹扩展行为的影响，完善界面结合性能表征体系，建立涂层剥离临界条件，并指导学生进行刀具寿命实验。

案例4：基于增材制造的典型工艺设计。

增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是20世纪80 年代中期发展起来的高新技术。引导学生从成型原理出发，提出一个分层制造、逐层叠加成型的全新思维模式；通过面向学生的软件培训及实操，掌握计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机数字控制（CNC）；了解激光伺服驱动和新材料等先进技术，参观实操增材制造设备，并进行工艺参数优化。

案例5：增材制造构件表面激光抛光。

激光增材制造技术受到学术界、工业界的高度关注，并在众多工程领域得到成功应用，但由于增材制造成形过程中固有的“阶梯效应”“球化效应”及“粉末粘附”等综合作用，导致成形金属零件表面质量较差，无法满足装配、摩擦等功能要求。鉴于此，本案例提出增材制造构件表面激光抛光技术，引导学生开展面向增材制造表面的激光抛光基础理论和性能技术的研究，为激光抛光技术在增材制造成形表面乃至整个金属零件的推广应用提供理论保障。

案例6：增材制造内流道特征件磁力研磨抛光。

金属增材制造是解决航空航天和高端装备领域复杂内流道构件制造难题的有效方法，但成形表面质量差，未经后处理加工无法满足高使役性要求，抛光加工是高性能金属增材制造技术链中的关键环节。针对典型增材制造弯管，引导学生了解磁力研磨原理及应用，分析该抛光技术实现的关键因素，借助有限元分析建立复杂磁场，建立面向增材制造表面形貌特征的精确材料去除模型，借助机械手臂搭建实验平台，撰写发明专利。

案例7：铝合金5052 板材超声辅助渐进成形复合加工。

以针对渐进成形技术在成形几何精度、表面质量方面的不足，以及在成形复杂形状过程中易褶皱与破裂等问题，提出金属板材超声辅助数字渐进成形关键技术研究，以铝合金板材为研究对象，通过引入超声振动辅助能量，改善板材在渐进成形过程中的塑性变形行为，以提高材料变形极限，改善成形件表面质量、精度及力学性能，延长有效服役寿命。

案例8：Inconel 718 超声振动辅助微铣削复合加工。

超声振动辅助铣削是一种将超声振动以不同方式施加到刀具或者工件上从而实现振动切削的加工方式，相比传统铣削，可有效降低切削力和切削温度，改善加工表面质量，提高零件的使用性能。鉴于此，本案例提出了Inconel 718 超声振动辅助微铣削复合加工技术研究，将超声振动以不同方式施加到工件上，从而实现振动切削的加工方式。引导学生在选择合理的切削参数和振动参数条件下，探讨超声振动辅助微铣削降低平均切削力和切削温度，增大零件表面的残余压应力等机理研究。

案例9：超高强度钢Aer Met100 激光加热辅助铣削复合加工。

超高强度钢Aer Met100 属于典型的难加工材料，加工过程中存在刀具寿命低、断屑困难等突出问题。鉴于此，结合当前复合加工研究热点，本案例提出了激光加热辅助切削复合加工技术研究。引导学生针对激光加热辅助铣削复合加工与常规铣削进行对比，探讨材料去除机理；分析在激光辅助铣削力、热、刀具磨损及表面完整性（热影响区和残余应力）等变化机制。

案例10：超声振动辅助滚压钛合金Ti6Al4V 表面强化。

超声振动辅助滚压表面强化技术是通过滚压工具头沿着表面法线方向给材料施加一定幅度的超声频机械振动，技术已被大量研究证明是可有效提高金属构件表面完整性的强化处理工艺。鉴于此，本案例提出了超声振动辅助滚压钛合金Ti6Al4V 表面强化技术，本案例基于普通车床完成，超声滚压强化装置由电子控制系统、冷却润滑系统和滚压刀具组成。

案例11：生物医用镁合金ZK60 激光喷丸表面强化。

镁及镁合金是21 世纪以来新兴的第三代生物材料，被广泛研究用于血管支架、骨板、骨螺钉和药物洗脱生物可吸收材料等，但是降解速率得不到有效控制和较差的耐磨性是限制其应用的主要原因。鉴于此，本案例提出了生物医用镁合金激光喷丸表面强化技术，根据镁合金ZK60 的力学性能对激光参数进行了合理的估算并确定了最终试验方案，对激光喷丸强化以后的表面参数特征进行检测和表征，分析总结性能变化的原因和规律，引导学生对激光喷丸表面强化技术有更深刻地认识，并基于此案例推广其他表面强化技术的探讨。

案例12：钛合金Ti6Al4V 骨板表面激光冲击强化。

激光表面强化又称激光淬火，其实是利用高功率密度激光束使材料表面非平衡快速加热和冷却，实现相变硬化。相对于传统的强化技术，加工过程更加简单，且对工件表面无损伤，变形量小，硬度高，耐磨性很好。鉴于此，本案例提出了钛合金Ti6Al4V 骨板表面激光冲击强化技术，引导学生搭建实验平台，研究激光冲击强化后，Ti6Al4V 表面性能的变化，尝试对其改性调控机理进行研究，并通过摩擦磨损试验对骨板表面的摩擦学特性进行分析和评价，以指导医用材料在实际临床的应用。

案例13：聚焦离子束加工实现纳米尺度制造。

微纳制造技术得到了国家政策的高度重视，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中提到，因微纳制造技术的光明前景，政策上优先支持和鼓励发展微纳制造，并推动形成多学科交叉的系统。由于微纳尺度下在电荷传递、摩擦、热传导、扩散和流体阻尼特有的小尺寸效应，所以研究纳米尺度制造关键技术具有重大意义，而聚焦离子束加工是实现纳米尺度制造的重要操作手段。引导学生了解聚焦离子束加工原理及特征，结合学院设备，进行聚焦离子束实际操作演练，以推动后期柔性微纳传感器制作。

案例14：石墨烯修饰的神经微电极阵列。

随着微机电系统加工技术的发展，微电极阵列芯片使得在体或离体条件下对神经细胞的长期无损监测提供了可能。鉴于此，本案例提出了石墨烯修饰的神经微电极阵列技术，采用微机电系统加工工艺制作了60 通道神经微电极阵列芯片，利用计时电压法在多通道神经微电极阵列上定向电聚合成PPy/GO 复合材料，并通过循环伏安扫描法确定了最佳的电镀条件。在该条件下的微电极对DA 响应灵敏度高，并拥有较低的阻抗值，并基于此案例，引导学生分析实现神经微电极阵列的关键技术。

案例15：基于微纳结构的柔性压力传感器制作。

近年来，柔性压力传感器能够作用于弯曲表面甚至不规则表面，受到了国内外研究柔性传感领域的学者高度关注。鉴于此，本案例提出了基于微纳结构的柔性压力传感器制作技术，其中包括具有提高灵敏度的微结构柔性介电层制作；有机硅化合物表面改性的电极板制作及最后的柔性传感结构的性能测试。

基于上述15 个典型教学案例建设，以科研创新能力培养为主线，与学科发展前沿相结合，引导研究生关注机械学科的最新发展趋势和研究热点问题，达到提高研究生机械创新设计能力和科学研究能力的目的。

五、专业学位教学案例库建设可行性分析

学校历来重视提升研究生培养质量，通过设立相关研究生教研项目，如齐鲁工业大学研究生教育质量提升计划和研究生教育创新计划等，以支持教师进行研究生教育教学改革和创新人才培养模式方面的探索。学校通过制订和实施师资水平持续提升计划及“博士+企业”对接计划，引导教师积极参与企业实践，综合提升了教师的教学能力和工程背景。此外，借助于齐鲁工业大学（山东省科学院）科教融合的优势资源，吸引山东省科学院的研究人员参与到研究生教学一线，并通过开展齐鲁工业大学（山东省科学院）青年博士合作科研项目，使得更多的教师和学生能够参与高水平科研课题，有助于提高研究生教学质量和科研学术水平。同时，高等机械工程学教研团队所在院系齐鲁工业大学机械与汽车工程学院拥有山东省高校先进制造与测控技术重点实验室、先进加工与成形技术研究中心和工业机器人技术应用研究院等，并配备多台套设备、软件系统，为本项目的研究工作提供直接支持，从而切实保证教学案例库建设相关工作得以协调推进。