王翔，葉回春，李曉峰，李木軍，張世武

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機械與精密儀器系，合肥 230027）

0 引言

隨著高等教育“雙一流”建設(shè)的持續(xù)深入，特別是中國制造已從“制造大國”開始邁向“制造強國”的征程，適應(yīng)時代發(fā)展需求的“工程師”培養(yǎng)，就成為中國高等教育的必然任務(wù)。“新工科”建設(shè)和實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0版”等已得到國家、社會及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，更已經(jīng)成為高等院校工程學(xué)科教育的時代使命[1-2]。針對相對傳統(tǒng)的機械制造學(xué)科，其本身不僅具有實踐性強的學(xué)科特點，更是直接為“制造強國”提供核心基礎(chǔ)裝備的基礎(chǔ)學(xué)科，為此，如何在教育教學(xué)改革中體現(xiàn)新理念、新模式、新質(zhì)量要求，已有眾多高校和學(xué)者進行不同層次和范圍的嘗試[3-4]。

從面向一流學(xué)科建設(shè)角度看，工科教育教學(xué)不僅需要加強學(xué)生對所學(xué)核心知識的理解，還需要培養(yǎng)學(xué)生具有“創(chuàng)造”事物的能力，而“創(chuàng)造能力”重要特點之一就是其實踐性，故充分重視實踐環(huán)節(jié)教育是實現(xiàn)培養(yǎng)工科學(xué)生具有持續(xù)創(chuàng)新創(chuàng)造力的重要手段。為此，本文以面向一流本科建設(shè)對學(xué)生“能力”培養(yǎng)為出發(fā)點，以機械制造學(xué)科體系的實踐教學(xué)為背景，結(jié)合新技術(shù)應(yīng)用，改進本科教學(xué)中的實驗教學(xué)、實習(xí)教學(xué)的模式，來加強學(xué)生獲取知識能力、應(yīng)用知識能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，以滿足面向全球競爭的工程教育強國建設(shè)需要。

1 新時代一流本科建設(shè)的能力培養(yǎng)對實踐教學(xué)改革要求

隨著新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興起，對一流本科教育的人才培養(yǎng)提出了新要求。大學(xué)本科教育教學(xué)的任務(wù)就是在“以學(xué)生為本”教育理念的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)具有國際競爭力的創(chuàng)新創(chuàng)造型人才。縱觀現(xiàn)階段中國高等教育，絕大多數(shù)是基于教材的知識教學(xué)，基本概念（或原理）大多是通過教師的課堂教學(xué)方法和經(jīng)驗來促進學(xué)生理解，故存在著理解深度不夠和死記硬背等現(xiàn)象；而實踐的感性感知可以讓學(xué)生將書本概念轉(zhuǎn)化為自己的知識，同時，實踐還能有效地激發(fā)學(xué)習(xí)動機，進一步促進學(xué)習(xí)的自覺性和有效性。因此，實踐教學(xué)對工程學(xué)科的教育教學(xué)唯有根據(jù)時代變遷不斷地改革實踐教學(xué)的理念和模式，才能促進和強化學(xué)生獲取知識能力、應(yīng)用知識能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)新時代的召喚。

我國高等教育經(jīng)歷“211”、“985”建設(shè)后，學(xué)科建設(shè)取得了長足進步。但如何利用“實踐教學(xué)”來突出能力培養(yǎng)，需要對大學(xué)本科教育的實踐類教學(xué)重新思考，現(xiàn)階段大學(xué)本科教育的實踐類教學(xué)，可按目標(biāo)導(dǎo)向分類為：1）實驗教學(xué)。是與理論課程教學(xué)中相對重要和難理解知識點密切相關(guān)的課程實驗，以促進理論知識理解為主要目標(biāo)。2）實習(xí)教學(xué)。是利用感性認(rèn)知和實操的實習(xí)和課程設(shè)計的實踐學(xué)習(xí)，以鞏固知識學(xué)習(xí)深度、知識應(yīng)用等基礎(chǔ)能力為主要目標(biāo)；3）綜合實踐。是利用競賽、大學(xué)生研究計劃、畢業(yè)論文等多種形式，以知識的實際綜合應(yīng)用來提升全面能力為目標(biāo)。而前兩者是本科教育培養(yǎng)擁有“基礎(chǔ)能力”的核心，為此，對于現(xiàn)階段通常由課程實驗、金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和課程設(shè)計幾個部分組成的機械制造學(xué)科的實踐類教學(xué)進行多維度的改革，將能有效促進學(xué)生“基礎(chǔ)能力”的培養(yǎng)。

2 以新模式、新技術(shù)下的實驗教學(xué)創(chuàng)新提升知識獲取能力

2.1 改進實驗教學(xué)模式，加強知識的理解

現(xiàn)階段高校中的多數(shù)課程實驗與課堂教學(xué)是相對獨立的，且大多“實驗”僅是讓學(xué)生在已調(diào)試好或部分調(diào)試好的實驗裝置上做簡單操作和數(shù)據(jù)記錄、處理，無法有效促進對知識的理解。為此，我們將課程實驗與課堂教學(xué)緊密結(jié)合，改進實驗教學(xué)模式，以提高參與度和趣味性，加強有效性。

對于需要深入認(rèn)知的知識點的實驗，如機床主軸回轉(zhuǎn)精度的動態(tài)測量與分析，其影響因素多，且隨著機床類型不同而不同。為此，首先將需要深入理解的知識點和實驗?zāi)康淖鳛橐粋€大作業(yè)，讓學(xué)生自由組合成小組、擬訂實驗方案，以小組形式在課堂上講解，與大家共同討論后，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟性來進行可變參數(shù)的實驗系統(tǒng)搭建和實驗操作，并與不同參數(shù)的實驗小組來一起分析。在熱烈的討論、辯論中，強化了學(xué)生對與實驗相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)會了多知識的綜合應(yīng)用，將被動實驗轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生積極參與的開放性實驗，有效培養(yǎng)了知識獲取能力、團結(jié)協(xié)作和表達的能力，了解實際問題的解決方法，真正實現(xiàn)了基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)。

2.2 應(yīng)用新技術(shù)來提升知識學(xué)習(xí)的能力

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助技術(shù)已與機械工程學(xué)科緊密融合，教學(xué)中CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學(xué)）業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。CAI可以將實驗教學(xué)重點轉(zhuǎn)向?qū)嶒灲Y(jié)果分析，既提高了實驗教學(xué)效率，也能有效地促進知識的學(xué)習(xí)。為此，對于需要較深入學(xué)習(xí)的知識點相關(guān)實驗，研制了一系列計算機輔助實驗系統(tǒng)（如圖1），分別為機床主軸回轉(zhuǎn)精度動態(tài)測量實驗系統(tǒng)、導(dǎo)軌及直線運動精度測量實驗系統(tǒng)、機床靜剛度測量實驗系統(tǒng)和機械加工誤差統(tǒng)計分析實驗系統(tǒng)。通過實驗有效增強了學(xué)生的知識學(xué)習(xí)的能力。

圖1 計算機輔助的實驗教學(xué)系統(tǒng)

對于需要系統(tǒng)化深入認(rèn)知的知識點的實驗，如實驗裝備需求高，機床、刀具和加工環(huán)境要求高[5]，加工精度高的基于金剛石刀具的超精密加工教學(xué)實驗，其切削原理是切削深度小于10 μm的微量切削過程，與常規(guī)加工的去除機理有所不同，如圖2所示。為此，開發(fā)了金剛石刀具超精密加工虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)[6]，如圖3所示，來模擬真實設(shè)備操作，不僅可以完整展現(xiàn)超精密加工過程，還可以結(jié)合理論課程來認(rèn)知切削過程的微觀機理，從而進一步深化知識的學(xué)習(xí)和理解。

圖2 超精密加工的切削原理

圖3 超精密切削加工虛擬實驗系統(tǒng)

3 以新理念、新技術(shù)下的實踐教學(xué)變革強化知識應(yīng)用能力

3.1 新技術(shù)下金工實習(xí)促進知識更新與應(yīng)用能力

面向裝備的機械制造能力是建設(shè)制造強國的核心，制造能力提高不僅體現(xiàn)在制造系統(tǒng)的水平，還關(guān)乎制造對象的“可制造性”，或狹義稱之為“工藝性能”，其反映零件的設(shè)計結(jié)構(gòu)與對應(yīng)工藝方法的關(guān)系，“工藝性好”表示可以用某種加工方法相對經(jīng)濟、快速加工出滿足質(zhì)量要求的零件。因此，“可制造性”是機械制造課程的最重要知識點之一，也是與產(chǎn)品制造直接關(guān)聯(lián)的最基礎(chǔ)的應(yīng)用能力之一。

現(xiàn)階段，眾多高校的“金工實習(xí)”定位在機械加工的簡單認(rèn)知和操作上，與課程教學(xué)的脫節(jié)使得其實現(xiàn)的教學(xué)效果很有限。為此，我們在普通的認(rèn)知性教學(xué)基礎(chǔ)上，將其與制造技術(shù)課程教學(xué)相結(jié)合，既關(guān)注理論課程知識點的實踐，也引入各種新技術(shù)的實踐，結(jié)合新技術(shù)的原理和關(guān)鍵工藝特征分析，來認(rèn)知新技術(shù)對制造能力的影響，在促進知識學(xué)習(xí)的同時，引導(dǎo)知識應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

如作為特種加工工藝的電火花線切割加工，其在計算機控制下可以實現(xiàn)任意復(fù)雜度的二維扁平零件加工；而隨著技術(shù)進步，電火花線切割現(xiàn)在不僅可以實現(xiàn)微米級的精度，還可以直接加工準(zhǔn)三維的零件。如圖4所示，對于儀器中應(yīng)用的較小尺度導(dǎo)軌副，傳統(tǒng)銑刨方法的工藝性和精度較差，而利用線切割可直接獲得微米量級間隙的燕尾形導(dǎo)軌副，大大提高了加工“工藝性能”。

圖4 電火花加工小型導(dǎo)軌副

同樣地，近年來持續(xù)熱度的3D打印技術(shù)，其基于逐層增材的成形原理，相對于傳統(tǒng)的刀具減材加工和鑄鍛焊的等材加工[7]，其核心技術(shù)特征是可制造任意復(fù)雜度的真三維結(jié)構(gòu)，很大程度上顛覆了傳統(tǒng)制造對零件結(jié)構(gòu)的“工藝性能”要求，如圖5所示的內(nèi)外曲面壺體、中空壺嘴和手柄一體的小水壺模型。將其納入在“金工實習(xí)”實踐環(huán)節(jié)，并與課程教學(xué)的“工藝性能”及對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計等多知識點結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，促進知識學(xué)習(xí)的同時，有效地實現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖5 3D打印制作的模型

3.2 基于問題學(xué)習(xí)的生產(chǎn)實習(xí)增強知識應(yīng)用能力

機械學(xué)科是在生產(chǎn)實踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來的，作為制造技術(shù)課程重要內(nèi)容之一的“加工工藝規(guī)程設(shè)計”，必須通過面向工藝的“生產(chǎn)實習(xí)”教學(xué)才能實現(xiàn)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

由于社會、企業(yè)等環(huán)境變化，“生產(chǎn)實習(xí)”大多演變?yōu)橹皇窃诠S的觀摩，學(xué)生幾乎沒有學(xué)習(xí)積極性，更談不上將理論與實際結(jié)合來培養(yǎng)解決實際問題的能力。為此，我們將其與“工藝課程設(shè)計”實踐課程融為一體：首先讓學(xué)生在校內(nèi)拆裝、測繪典型的機械部件（如圖6所示的齒輪泵），來了解和熟悉該產(chǎn)品的性能、用途，明確各零件裝配關(guān)系及作用，以及其結(jié)構(gòu)工藝性；再分配其需要進行“工藝規(guī)程設(shè)計”的典型零件（如軸類、箱體類、盤套類和齒輪）；讓學(xué)生帶著“問題”去生產(chǎn)該部件的企業(yè)，了解企業(yè)的實際生產(chǎn)及工藝流程，結(jié)合實習(xí)中現(xiàn)場講解來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在實際現(xiàn)場的學(xué)習(xí)方法；再回到校內(nèi)讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)階段我國的實際生產(chǎn)水平，結(jié)合新技術(shù)的應(yīng)用，以單件、小批生產(chǎn)工藝特征為基礎(chǔ)，來完成“工藝課程設(shè)計”任務(wù)。不僅減少了對實習(xí)企業(yè)生產(chǎn)的過多干擾，也使學(xué)生能依據(jù)課程學(xué)習(xí)中的基本方法步驟來進行相對完整的實踐訓(xùn)練。有效地提高了學(xué)生在實習(xí)過程的學(xué)習(xí)主動性和解決實際問題能力，在發(fā)揮學(xué)生能動性的同時，創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力也得到了有效訓(xùn)練和培養(yǎng)。

圖6 齒輪泵

4 結(jié)語

結(jié)合我校機械學(xué)科的一流建設(shè)，從培養(yǎng)適應(yīng)新時代發(fā)展的“卓越工程師”目標(biāo)出發(fā)，對機械制造學(xué)科的實踐類教學(xué)進行了改革。主要有：將CAI、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)引入到課程的實驗教學(xué)，來促進和深化知識的學(xué)習(xí)；在金工實習(xí)中將特種加工和3D打印技術(shù)的實操與“工藝性能”學(xué)習(xí)結(jié)合，在提升學(xué)習(xí)興趣的過程中進一步加深理論知識學(xué)習(xí)和知識應(yīng)用能力培養(yǎng)；將生產(chǎn)實習(xí)和工藝課程設(shè)計融為一體，以問題為導(dǎo)向，結(jié)合感性的拆裝和工業(yè)現(xiàn)場學(xué)習(xí)，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性的同時，實現(xiàn)解決工程實際問題和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。