新工科背景下“機(jī)械制造工藝與裝備”課程改革探索

宋小科　陳齊平

[摘 要] “機(jī)械制造工藝與裝備”是本科院校機(jī)械專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)課程。在新工科建設(shè)的時(shí)代背景下，傳統(tǒng)“機(jī)械制造工藝與裝備”課程內(nèi)容存在一定問(wèn)題，不能滿(mǎn)足智能制造工程的教學(xué)需求。智能制造工程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握核心技術(shù)，具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新理念的多學(xué)科復(fù)合型人才。為了達(dá)到這一目標(biāo)，對(duì)“機(jī)械制造工藝與裝備”課程進(jìn)行改革探索，從教學(xué)內(nèi)容入手，分析了傳統(tǒng)教材存在的問(wèn)題，從多學(xué)科融合、加強(qiáng)新型制造技術(shù)教學(xué)等方面提出了相應(yīng)的改革建議。

[關(guān)鍵詞] 新工科;智能制造;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2020年度江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于空間單閉環(huán)機(jī)構(gòu)的空間多環(huán)路可展開(kāi)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)耦合機(jī)理與組網(wǎng)方法研究”

（20202BABL214030）;2018年度江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“大長(zhǎng)細(xì)比車(chē)頭高速列車(chē)可展開(kāi)防碰撞緩沖吸能裝

置研究”（GJJ180345）

[作者簡(jiǎn)介] 宋小科（1986—），男，河南洛陽(yáng)人，工學(xué)博士，華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事展開(kāi)機(jī)構(gòu)與智能制造研究;陳齊平（1984—），男，江西樟樹(shù)人，工學(xué)博士，華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院副教授，主要從事智能電動(dòng)汽車(chē)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）16-0073-04? ? [收稿日期] 2021-02-18

一、前言

以信息技術(shù)為代表的新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。為了在新時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位，主動(dòng)應(yīng)對(duì)未來(lái)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，各國(guó)都提出了自己的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。德國(guó)政府于2013年提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，將信息化技術(shù)融入制造業(yè)，提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有高度靈活性的智慧工廠(chǎng)，從而提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1，2];中國(guó)政府于2015年提出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，以強(qiáng)化新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合為主線(xiàn)，以智能制造為前進(jìn)方向，強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，以創(chuàng)新為手段，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展[3-5];美國(guó)政府提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，通過(guò)全球化的網(wǎng)絡(luò)，將人、數(shù)據(jù)、機(jī)器連接起來(lái)，從而重構(gòu)全球工業(yè)系統(tǒng)，激發(fā)生產(chǎn)力，激活傳統(tǒng)工業(yè)，保持其制造業(yè)的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力[6，7]。這些技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略都提出采用信息技術(shù)等新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行變革，使制造變得智能起來(lái)，從而促進(jìn)制造業(yè)的變革[8，9]。

新產(chǎn)業(yè)變革對(duì)制造業(yè)的從業(yè)者提出了更高要求，除傳統(tǒng)知識(shí)外，還需要從業(yè)者掌握最新信息技術(shù)，具有多學(xué)科復(fù)合的知識(shí)儲(chǔ)備，能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)和制造業(yè)互相融合，提升生產(chǎn)效率，重塑制造業(yè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)工科教育按學(xué)科對(duì)人才進(jìn)行培養(yǎng)，學(xué)生只需要掌握自己所在專(zhuān)業(yè)的知識(shí)即可，對(duì)其他方面尤其是信息技術(shù)方面的學(xué)習(xí)不夠重視，人才培養(yǎng)難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)變革的需求。在此背景下，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐國(guó)家的“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略，教育部于2017年提出了“新工科”概念，探索建立工科發(fā)展新范式，根據(jù)工業(yè)界的實(shí)際需求構(gòu)建專(zhuān)業(yè)教育體系，創(chuàng)新工程教育方式和手段，針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)，著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、高素質(zhì)、高技能的多學(xué)科復(fù)合型工科人才[ 10-12 ]。

二、新工科背景下智能制造專(zhuān)業(yè)“機(jī)械制造工藝與裝備”存在的問(wèn)題

為支撐“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，教育部于2017年批準(zhǔn)設(shè)立智能制造工程專(zhuān)業(yè)，本專(zhuān)業(yè)學(xué)生重點(diǎn)學(xué)習(xí)機(jī)械類(lèi)、測(cè)控技術(shù)類(lèi)、計(jì)算機(jī)與人工智能、機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)課程，通過(guò)培養(yǎng)，成為具有創(chuàng)新精神，掌握現(xiàn)代化機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、智能生產(chǎn)與工程管理等知識(shí)的高技術(shù)人才?！皺C(jī)械制造工藝與裝備”是智能制造專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的必修課程，它為學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械加工工藝和設(shè)計(jì)機(jī)械加工工藝裝備提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生了解車(chē)銑刨磨等常見(jiàn)機(jī)械加工的理論知識(shí)、工藝裝備設(shè)計(jì)原則及機(jī)械設(shè)備裝配相關(guān)知識(shí)，為學(xué)生從事機(jī)械制造工作提供理論基礎(chǔ)[ 13 ]。然而，目前智能制造工程的“機(jī)械制造工藝與裝備”課程存在一系列的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，以應(yīng)對(duì)新產(chǎn)業(yè)的變革。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺少新制造方法的介紹

“機(jī)械制造工藝與裝備”是一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，教材內(nèi)容包括金屬切削基本概念、刀具相關(guān)知識(shí)、車(chē)銑刨磨的基本參數(shù)、加工工藝規(guī)劃、工藝裝備設(shè)計(jì)、公差與配合等?！皺C(jī)械制造工藝與裝備”課程性質(zhì)不要求學(xué)生掌握太多的理論知識(shí)，而是以經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為主，要求學(xué)生經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)后，能夠根據(jù)裝備加工要求，選定合適的加工方法和工藝參數(shù)，制定工藝規(guī)程。

“機(jī)械制造工藝與裝備”課程教材一般選用經(jīng)典教材，教材結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，邏輯清晰，經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)和教學(xué)，能夠滿(mǎn)足傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝教育的要求，培養(yǎng)的學(xué)生能夠勝任一般的機(jī)械制造任務(wù)。但是，在信息技術(shù)帶動(dòng)下，出現(xiàn)了很多新的加工方法，如3D打印、激光加工等，這些加工方法能解決很多傳統(tǒng)加工方面難以解決的問(wèn)題，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義，也是智能制造領(lǐng)域的重要內(nèi)容。經(jīng)典教材專(zhuān)注于傳統(tǒng)制造方法，對(duì)這些新型制造方法關(guān)注較少。新型制造方法作為制造產(chǎn)業(yè)變革的著力點(diǎn)，對(duì)人才有著旺盛需求，傳統(tǒng)教材培養(yǎng)的學(xué)生缺乏新型制造方法的教育，在工作中需要依靠自學(xué)，知識(shí)不夠系統(tǒng)全面，為了滿(mǎn)足新型制造產(chǎn)業(yè)的需求，應(yīng)該在以后教學(xué)工作中注意改進(jìn)，在教學(xué)過(guò)程中添加新型制造方法內(nèi)容。

（二）圍繞制造的新技術(shù)內(nèi)容較少，與智能制造結(jié)合不夠緊密

傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝中，各個(gè)工序互相分割，依靠人力來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)工件，依賴(lài)工人經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的檢測(cè)工具來(lái)測(cè)試加工質(zhì)量，制造效率較低，成本較高。同時(shí)，制造過(guò)程與整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的供應(yīng)鏈連接不夠緊密，制造往往作為一個(gè)獨(dú)立過(guò)程，供應(yīng)鏈應(yīng)對(duì)不夠靈活。經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容偏重于單一加工工序，對(duì)工序間的互相關(guān)聯(lián)關(guān)系、加工過(guò)程的詳細(xì)參數(shù)變化講述較少。另外，對(duì)與制造相關(guān)的內(nèi)容，如供應(yīng)鏈、成本等關(guān)注較少。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)滲透機(jī)械加工過(guò)程，如機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造、智能生產(chǎn)與管理、數(shù)字孿生等，這些技術(shù)將整個(gè)制造系統(tǒng)數(shù)字化，提升了機(jī)械加工的效率，降低了制造成本，加強(qiáng)了對(duì)制造過(guò)程的監(jiān)控，提升了工件的加工品質(zhì)。制造系統(tǒng)的數(shù)字化還使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程變得靈敏，對(duì)外界信號(hào)反應(yīng)加快，能夠很好地適應(yīng)小批量、多品種、多樣化的產(chǎn)品生產(chǎn)要求。新技術(shù)的加入使得制造系統(tǒng)智能化。這些新技術(shù)構(gòu)成了智能制造的主要內(nèi)容，是智能制造工程專(zhuān)業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)的特色之處，而這些內(nèi)容在目前課程中涉及較少，不能滿(mǎn)足如今新工科教育的要求。

（三）教學(xué)內(nèi)容繁雜，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足

“機(jī)械制造工藝與裝備”課程涉及車(chē)銑刨磨等經(jīng)典切削加工方法、刀具結(jié)構(gòu)、工藝裝備、尺寸鏈、零件裝配等多種內(nèi)容，內(nèi)容繁雜，記憶內(nèi)容多，需要理解和記憶的參數(shù)多，并且知識(shí)點(diǎn)之間缺乏一以貫之的理論，難以用一套統(tǒng)一的理論將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，學(xué)生上課時(shí)興趣較低，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力，影響教學(xué)效果。

（四）教學(xué)方法單一

在教學(xué)過(guò)程中，教師以理論講授為主，學(xué)生由于缺乏實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，理解機(jī)械加工參數(shù)存在一定困難，單靠PPT結(jié)合書(shū)本、作業(yè)等講授方法，難以達(dá)到預(yù)定教學(xué)效果。“機(jī)械制造工藝與裝備”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，機(jī)械加工也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要以一種直觀(guān)的方式進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)，智能制造對(duì)“機(jī)械制造工藝與裝備”課程的講授提出了更高的要求，需要教師在講授時(shí)糅合多學(xué)科內(nèi)容，并通過(guò)多種清晰直觀(guān)的方式講授知識(shí)，依靠單一教學(xué)方法不能滿(mǎn)足教學(xué)要求。

三、“機(jī)械制造工藝與裝備”教學(xué)內(nèi)容改革

在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，“機(jī)械制造工藝與裝備”采用經(jīng)典教材，主要講授金屬切削加工相關(guān)知識(shí)，采取“老師講，學(xué)生學(xué)”的教學(xué)方式，通過(guò)課堂講授、課下作業(yè)、實(shí)驗(yàn)課程、期末考試等方式傳授給學(xué)生知識(shí)，存在學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、內(nèi)容枯燥、教學(xué)效果差等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足智能制造工程專(zhuān)業(yè)對(duì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、多學(xué)科復(fù)合人才的要求，不能適應(yīng)如今“新工科”教育的要求。在“新工科”教育時(shí)代背景下，為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性、多學(xué)科復(fù)合人才的培養(yǎng)，特提出幾項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容改革建議。

（一）加入機(jī)械制造新技術(shù)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，伴隨產(chǎn)業(yè)革命，機(jī)械制造工藝出現(xiàn)了多種新技術(shù)，如3D打印等，圍繞機(jī)械制造全過(guò)程鏈條，有機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造、數(shù)字孿生等。3D打印等技術(shù)解決了傳統(tǒng)機(jī)械加工方法難以實(shí)現(xiàn)的異形工件的加工，也帶來(lái)了新的加工工藝。機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等與機(jī)械制造相結(jié)合，使得整個(gè)制造過(guò)程數(shù)字化，制造過(guò)程可控，提升了機(jī)械制造效率，降低了制造成本。智能制造工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)在傳統(tǒng)機(jī)械制造基礎(chǔ)上，融合多種新技術(shù)，提升制造系統(tǒng)智能化程度。因此，應(yīng)在經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，添加機(jī)械制造新技術(shù)的內(nèi)容，并且在講授理論知識(shí)基礎(chǔ)上，增加相關(guān)軟件的介紹，同時(shí)通過(guò)車(chē)間實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教育方式，提升學(xué)生應(yīng)用新技術(shù)的能力，從而培養(yǎng)多學(xué)科復(fù)合人才，為智能制造領(lǐng)域輸送人才。

（二）充分利用仿真分析技術(shù)

在“機(jī)械制造工藝與裝備”經(jīng)典教學(xué)中，各種加工方法的參數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，然后由教師直接講授。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元等相關(guān)仿真理論的發(fā)展，已經(jīng)能夠通過(guò)仿真分析的方法，在計(jì)算機(jī)中預(yù)測(cè)工件的加工效果。除此外，在機(jī)械加工過(guò)程中，機(jī)床、工藝裝備、工件的互相作用也能夠預(yù)測(cè)。將機(jī)械加工的仿真分析結(jié)果與機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等相結(jié)合，可以在不通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證情況下，預(yù)測(cè)裝備的整個(gè)制造過(guò)程。將仿真數(shù)據(jù)與供應(yīng)鏈管理軟件等相結(jié)合，可以提升制造系統(tǒng)的管理水平。仿真分析技術(shù)作為智能制造系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)在課程教學(xué)中占有一定比例。除此外，學(xué)生經(jīng)過(guò)仿真分析，有助于理解課程中的加工參數(shù)，也為學(xué)生參加工作后設(shè)計(jì)機(jī)械加工工藝提供基礎(chǔ)。

（三）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

機(jī)械加工過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，學(xué)生因?yàn)槿狈?shí)際工作經(jīng)歷，僅僅學(xué)習(xí)課本知識(shí)，很難將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，不容易理解理論知識(shí)的含義，枯燥無(wú)味，效果不好。如今有很多虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如可視化的VR技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)等，將機(jī)械加工的過(guò)程直觀(guān)地展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠?qū)⒄n本上的知識(shí)和實(shí)際加工效果聯(lián)系起來(lái)，從而使課程學(xué)習(xí)變得生動(dòng)起來(lái)，加強(qiáng)教學(xué)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能在安全的情況下使學(xué)生了解到機(jī)械加工技術(shù)。因此，應(yīng)在傳統(tǒng)課堂講授的基礎(chǔ)上，制作基于VR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（四）結(jié)合項(xiàng)目案例，做好和其他課程的銜接

“機(jī)械制造工藝與裝備”課程包括常見(jiàn)的機(jī)械切削加工方法、工藝裝備、尺寸鏈、裝配等多個(gè)教學(xué)內(nèi)容，知識(shí)零碎，互相間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以將教學(xué)內(nèi)容貫穿起來(lái)，這提高了學(xué)習(xí)難度。同時(shí)，教師在教學(xué)過(guò)程中只關(guān)注本課程的教學(xué)，不與學(xué)生學(xué)習(xí)的前后課程相關(guān)聯(lián)，學(xué)生難以找到學(xué)習(xí)的意義，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以此，在教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)結(jié)合具體的項(xiàng)目案例，如某一個(gè)典型設(shè)備的制造，將設(shè)備進(jìn)行拆分，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，分別制定零件的加工工藝，然后設(shè)計(jì)零件加工的工藝裝備、制定裝配工藝，從而將整本書(shū)的教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)。考慮到學(xué)生前期已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”等機(jī)械類(lèi)基礎(chǔ)課程，可以選擇“機(jī)械設(shè)計(jì)”中的減速器等作為范例，由學(xué)生設(shè)計(jì)制造工藝，作為學(xué)生的課后作業(yè)，這樣學(xué)生不僅復(fù)習(xí)了整個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容，還能與前期學(xué)習(xí)內(nèi)容銜接起來(lái)，明白了學(xué)習(xí)的意義，從而可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在“新工科”的時(shí)代背景下，智能制造工程專(zhuān)業(yè)大有可為。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新性、多學(xué)科復(fù)合的智能制造人才，在“機(jī)械制造工藝與裝備”教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)改革勢(shì)在必行。教師應(yīng)總結(jié)傳統(tǒng)課程教學(xué)方法的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)典教材基礎(chǔ)上，積極融合智能制造新技術(shù)，充分利用仿真分析、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，提升課程教學(xué)的直觀(guān)性，融合項(xiàng)目案例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加快課程內(nèi)容改革步伐，培養(yǎng)出滿(mǎn)足“智能制造”行業(yè)需求的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才。

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Exploration on the Reform of Machine Manufacturing Technology and Equipment Course under the Background of "Emerging Engineering Education"

SONG Xiao-ke， CHEN Qi-ping

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013， China）

Abstract： Machine Manufacturing Technology and Equipment is a key course of mechanics major in undergraduate colleges and universities. There are some problems in the traditional course of Machine Manufacturing Technology and Equipment under the background of "emerging engineering education"，which cannot meet the needs of intelligent manufacturing engineering. The teaching goal of intelligent manufacturing engineering is to train multi-disciplinary talents who master the core technology and have practical ability and innovative ideas. In order to achieve this goal， we explored the reform of the course of Machine Manufacturing Technology and Equipment. This paper analyzes the teaching content and the problems existing in the traditional textbooks， and puts forward reform suggestions from the aspects of multidisciplinary integration and strengthening the teaching of new manufacturing technology.

Key words： "emerging engineering education"; intelligent manufacturing; teaching reform