基于科研反哺教學的《先進制造技術(shù)》課程教學改革研究

張華 張曉衛(wèi) 居志蘭 錢雙慶

摘? ?要：教學與科研在人才培養(yǎng)過程中相輔相成。針對機械類重要的專業(yè)課程《先進制造技術(shù)》開展科研反哺教學，著眼制造領(lǐng)域的學術(shù)前沿，結(jié)合團隊自身的科研成果，補充教學案例，豐富教學內(nèi)容，改進教學方式，有益于學生對課程內(nèi)容的學習掌握，也有利于開拓學生的學術(shù)視野，既能讓學生鞏固理論知識點，又能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：教學改革? 科研反哺教學? 先進制造技術(shù)? 機械專業(yè)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0211-02

《先進制造技術(shù)》是機械工程專業(yè)本科生的專業(yè)課程。近年來，先進制造技術(shù)飛速發(fā)展，在航空、航天、軍工、汽車、模具、冶金、等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?！断冗M制造技術(shù)》課程將理論知識與實際工程應(yīng)用并重，結(jié)合工程實例介紹各種先進制造技術(shù)，有助于學生理解各種先進制造方法的加工原理，并使其開拓眼界，了解先進制造技術(shù)的前沿成果與發(fā)展趨勢。

因此，針對《先進制造技術(shù)》課程開展科研反哺教學的新型教學模式的探索與實踐，結(jié)合科研工作以及對制造技術(shù)學術(shù)前沿的把握，甄選最新實例，補充教學內(nèi)容，改善教學方式，有益于學生對課程內(nèi)容的學習掌握，也有利于開拓學生的學術(shù)視野。

1? 科研反哺教學的內(nèi)在機理

1.1 高校職能的內(nèi)在統(tǒng)一

人才培養(yǎng)、科學研究、服務(wù)社會、文化傳承是高校的四大職能。教學工作貫穿于人才培養(yǎng)的全過程，科學研究貫穿于高校教師自身成長的全過程。高校的人才培養(yǎng)職能是將人類的認識水平提高到一個專業(yè)化的狀態(tài)，進而為社會發(fā)展提供系統(tǒng)化、專業(yè)化的智力支持和保障，其關(guān)鍵是知識的傳授與創(chuàng)新的有機結(jié)合。現(xiàn)代大學的教學工作對應(yīng)的是知識的傳授;科研工作對應(yīng)的是知識的創(chuàng)新。高等教育的發(fā)展證明，知識傳授的質(zhì)量直接影響知識創(chuàng)新水平，沒有高質(zhì)量的知識傳授就不能培養(yǎng)創(chuàng)新型人才;同樣，缺乏知識創(chuàng)新的源頭，就會失去新知識的注入，知識傳授變成簡單重復勞動，進而影響知識傳授的質(zhì)量。因而，教學與科研二者相輔相成，不可或缺?？蒲袑虒W應(yīng)有促進作用，反哺于教學。科研能夠提升教師的學術(shù)品位，教師的科研能力能夠遷移為教學能力，使教學更加切合高校的特點。教師從事科研，能形成一種特殊的精神氣質(zhì)，包括創(chuàng)新意識、好奇心和進取心、獨立探索的自覺性，以及對現(xiàn)狀的不滿足和懷疑精神等，有助于教學。

1.2 認知過程的內(nèi)在統(tǒng)一

教學過程本質(zhì)上是通過教師的傳授，學生對知識內(nèi)容的認知和應(yīng)用的過程，其中認知是基礎(chǔ)。與中等教育傳統(tǒng)的填鴨式概念傳授不同，高等教育更加注重學生對知識的理解和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。因此，教學過程中直接灌輸引發(fā)的枯燥感不利于大學生對知識的學習和理解?？茖W研究是基于現(xiàn)有的理論和技術(shù)，去探索新的領(lǐng)域，獲得的研究成果可以揭示更多規(guī)律?？茖W研究工作本身就是一種跨學科多方面知識融會貫通的過程，科學研究的成果又能及時填補或者更新現(xiàn)有的教學內(nèi)容。親身體驗科研工作，接觸認識最新的科研成果，有利于激發(fā)學生的學習熱情，更有利于學生對專業(yè)知識的學習、認知和應(yīng)用。

2? 科研反哺優(yōu)化教學內(nèi)容

2.1 磨削加工內(nèi)容優(yōu)化

高速磨削加工是典型的先進制造技術(shù)，高速磨削加工與普通磨削相比，以更高的磨削速度和進給速度，提高磨削效率并降低工件表面粗糙度。對于平面磨削加工而言，砂輪與零件加工面的接觸面積較大，冷卻液在高速離心力作用下，難以進入磨削核心區(qū)域，容易導致磨削燒傷，砂輪也容易發(fā)生鈍化失效。因此，通過追蹤高速磨削加工技術(shù)前沿動態(tài)，補充介紹蠕動磨削技術(shù)和噴射電液束修整砂輪方法。

蠕動磨削的特點是大切深、低速進給。蠕動磨削的加工效率是普通磨削的100～1000倍，最大切深可達30mm，可以獲得更高的型面精度和表面質(zhì)量。蠕動磨削的磨削溫度低，不容易發(fā)生燒傷，這可以根據(jù)成膜沸騰換熱理論來解釋，磨削區(qū)的磨削液處于泡核沸騰狀態(tài)，可以通過吸收氣化潛熱將大部分磨削熱帶出磨削區(qū)域，工件加工面的溫度可以有效控制在120℃～130℃。這正是蠕動磨削工藝獨有的優(yōu)勢，可以適用于大尺度平面磨削加工。

噴射電液束修整砂輪是利用電化學陽極溶解效應(yīng)進行砂輪修銳的方法。在磨削過程中，利用噴射裝置對非磨削區(qū)的砂輪噴射帶電的電解液束，電解液束帶負電，金屬基砂輪帶正電，作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑發(fā)生陽極電化學溶解，逐漸被去除，從而使得不導電的磨粒慢慢凸顯出來，使得砂輪變得鋒利尖銳。噴射電液束修整砂輪可以獲得比較穩(wěn)定的磨粒等高度，保證砂輪的切削性能。因此，噴射電液束修整砂輪可以用于電子材料、光學材料的鏡面磨削。

通過蠕動磨削技術(shù)和噴射電液束修整砂輪方法相關(guān)內(nèi)容的補充，可以讓學生能夠深入了解磨削加工的特點，熟悉新型磨削加工方法和砂輪修整技術(shù)，激發(fā)學習興趣。

2.2 激光加工內(nèi)容優(yōu)化

激光加工是將高能激光束聚焦于工件表面，在極短的時間內(nèi)光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在高溫作用下材料發(fā)生熔化和氣化，在熱應(yīng)力作用下，熔化的材料濺射出來從而去除材料。激光加工可以應(yīng)用于任何材料，可以進行激光打孔、激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光強化等各種具體工藝工程。對于激光加工而言，由于其通過熱力作用去除材料的機理，在加工表面存在再鑄層和濺射物的缺陷。因此，針對傳統(tǒng)的空氣中激光加工的教學內(nèi)容，補充介紹水下激光加工和激光電化學復合加工。

水下激光加工是將工件置于水溶液中，聚焦激光束穿過水溶液作用于工件。與空氣相比，水溶液作為約束層，激光作用于工件形成的等離子體膨脹和形成的氣泡破滅而生成的沖擊波效應(yīng)增大數(shù)倍，材料去除率大為提高。同時，水溶液又可以起到及時冷卻加工區(qū)的作用，減少熔融濺射物的形成，提高加工表面質(zhì)量。因此，可以水溶液作為約束層，對工件進行激光沖擊強化;也可以在水下，進行打孔、切割、刻蝕，尤其適用于半導體、硅片等硬脆材料的加工。

激光電化學復合加工是新型的復合特種加工方法，將激光加工與電化學加工進行復合，實現(xiàn)材料在復合物理場作用下的去除。激光電化學復合加工是將激光束與噴射電解液束同軸共同作用于零件加工表面，利用高能力的聚集激光束快速去除材料，同時高速運動的電解液束可以充分對加工區(qū)進行冷卻，另外工件作為陽極在噴射電解液束的作用下激光加工區(qū)形成的再鑄層能夠有效去除。這樣，既發(fā)揮了激光加工高效的特點，同時又結(jié)合了電化學加工表面無熱影響區(qū)、無再鑄層、無微裂紋的優(yōu)點，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的加工目標。

通過水下激光加工和激光電化學復合加工相關(guān)內(nèi)容的補充，可以讓學生認識到不同物質(zhì)環(huán)境下，激光熱力作用的差異性，了解到不同先進制造方法可以相互結(jié)合、取長補短，形成更好的加工方法。

2.3 增材加工內(nèi)容優(yōu)化

增材制造技術(shù)是建立在幾何建模、先進材料、精密驅(qū)動、可控激光等技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，首先是復雜零件的幾何建模，然后對其進行分層獲得每一層的幾何數(shù)據(jù)，再利用成型工藝按照每一層的幾何數(shù)據(jù)進行固化成型，最后經(jīng)過逐層堆積，形成最后的零件。增材制造最初用于原型制造和驗證，近年來出現(xiàn)了新型的工藝和應(yīng)用領(lǐng)域。因此，補充介紹了新型增材加工方法，重點介紹了在生物醫(yī)學工程中的應(yīng)用。

新型的增材加工方法根據(jù)原材料的不同，分為四大類。第一類是光敏材料，主要有立體光刻、雙光子聚合、噴墨打印等方法;第二類是粉末材料，主要有激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)融化;第三類是薄膜材料，主要有疊層制造、薄板層壓;第四類是線束材料，主要有粘合劑噴射、熱熔擠出。這些新方法是在傳統(tǒng)四種快速成型制造方法基礎(chǔ)上利用新型材料衍生出來的，形成的零件具有更廣泛的用途。

增材加工最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域是生物醫(yī)學工程，主要包括生物活體和生物假體兩大類。生物活體的應(yīng)用主要是活體細胞、人類胚胎干細胞等3D打印，原材料是活細胞及其外基質(zhì)材料，國外成功的案例有：利用牛耳細胞打印人造耳朵用于先天畸形兒童的器官移植。生物假體的應(yīng)用主要是體外器官模型、人體假肢、骨骼修復、組織支架等。體外器官模型可用于臨床教學，也可用于醫(yī)患手術(shù)方案的交流;人體假肢、骨骼修復可用于個性化設(shè)計，通過量身定制，保證患者的功能恢復;組織支架利用天然骨相似的材料成分，具有三維貫通微孔結(jié)構(gòu)，在人體內(nèi)具有高度的生物活性和骨修復能力。

通過上述增材方法及應(yīng)用領(lǐng)域的補充介紹，讓學生掌握更多的3D打印方法，并了解到增材技術(shù)最適合的應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展動態(tài)。

3? 科研反哺改進教學方式

3.1 研究型教學

以科研成果優(yōu)化教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可以開展研究型教學方式。在研究性教學過程中，利用翻轉(zhuǎn)式課堂，教師學生主客異位，以學生為主體。教師在授課過程中，創(chuàng)設(shè)問題情境，提出具體的工程技術(shù)問題或者科學問題，引導學生主動思考，利用現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)，抽絲剝繭，將復雜的問題分階段分解簡化成多個小問題，逐個解決每個階段的小問題，最后完成總體解決方案。研究型教學充分調(diào)動學生的學習興趣和探究熱情，寓教于研，研教相輔相成，可以獲得事半功倍的教學效果。

3.2 體驗式教學

以科研工作內(nèi)容豐富教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還可以開展體驗式教學方式。利用課內(nèi)試驗環(huán)節(jié)，改變傳統(tǒng)的標準化作業(yè)模式，讓學生體驗嘗試自制的科研設(shè)備，通過親手操作，了解設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)和功能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。在體驗式教學過程中，讓學生相互討論，形成共識，以培養(yǎng)學生團隊合作的意識。

4? 結(jié)語

本文以機械類專業(yè)課程《先進制造技術(shù)》為例，對科研反哺教學的內(nèi)在機理和外在形式進行了深入分析和具體實踐，獲得了有益的結(jié)論，主要包括：（1）科研與教學是兩面一體，相輔相成;（2）以科研成果豐富教學內(nèi)容，實時更新，與時俱進，激發(fā)學生的學習熱情;（3）創(chuàng)設(shè)情境教學，師生主客異位，增加體驗動手環(huán)節(jié)，能夠真正實現(xiàn)科研反哺教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

參考文獻

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