基于理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目三位一體的制造工程認(rèn)知實(shí)踐課程改革

路冬 魏艷 黃淵建 曾千里 曾江 融亦鳴

摘? 要：為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)制造工程認(rèn)識(shí)實(shí)踐課程中，將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練及實(shí)踐能力的培養(yǎng)有機(jī)融合，提出構(gòu)建理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目三位一體的課題體系。理論部分主要起到擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，了解制造業(yè)的前沿的目的;實(shí)驗(yàn)部分主要通過設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能;實(shí)踐項(xiàng)目是基于學(xué)習(xí)的理論知識(shí)及掌握的實(shí)驗(yàn)技能，通過完整的項(xiàng)目選題、項(xiàng)目實(shí)施及項(xiàng)目展示培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及實(shí)踐動(dòng)手能力。通過理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目并行推進(jìn)、融匯貫通，從而達(dá)到學(xué)生知識(shí)、技能、能力的全方位提升。同時(shí)建立與前期課程CAD和工程制圖的銜接，打通由“工程表達(dá)”到“工程實(shí)現(xiàn)”的渠道，通過在課程中引入“精度”“配合”“成本”“效率”等概念，為學(xué)生后續(xù)系統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、先進(jìn)制造實(shí)踐等專業(yè)課程起到引導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)課程的銜接與貫通。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知實(shí)踐;三位一體課程體系;金工實(shí)習(xí);工程訓(xùn)練;銜接與貫通

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）01-0139-04

Abstract： In order to organically integrate the learning of theoretical knowledge， the training of experimental skills and the cultivation of practical ability in the course of Awareness Practice of Manufacturing Engineering， a system of theory-experiment-project trinity was proposed. The theoretical part is mainly for the purpose of expanding students' knowledge and understanding the frontiers of manufacturing. In the experimental part， students can master basic experimental skills by designing different experimental links.The practical project is based on the theoretical knowledge learned and the experimental skills mastered， and through the complete project topic selection， project implementation and project demonstration， students' innovative ability and practical ability are cultivated. Through the parallel advancement and integration of theory-experiment-practice， students' knowledge， skills and abilities can be improved in an all-round way.At the same time， establish a connection with the previous course CAD and Engineering Drawing， and open up the channel from "engineering expression" to "engineering realization". By introducing concepts such as "precision" "fits" "cost" and "efficiency" into the course， it will guide students to systematically study Mechanical Design， Mechanical Manufacturing Fundamentals， Advanced Manufacturing Practice and other professional courses，so as to realize the connecting and implementation of the curriculum.

Keywords： awareness practice; trinity course system; metalworking practice; engineering training; connecting and implementation

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導(dǎo)力量，也是國(guó)家綜合實(shí)力和核心競(jìng)爭(zhēng)力的集中體現(xiàn)。隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，制造業(yè)向著智能化、高端化、綠色化方向發(fā)展。制造業(yè)的發(fā)展對(duì)的新型人才提出了更高的要求，人才成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端的關(guān)鍵。在從中國(guó)“制造”到中國(guó)“創(chuàng)造”的跨越過程中，對(duì)具有多學(xué)科交叉能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)溝通與協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性解決工程實(shí)際問題的能力等能力的新型高端人才的需求越來越迫切。

因此，培養(yǎng)滿足制造業(yè)需求的新型高端人才成為高等院校人才培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)是工學(xué)學(xué)科特別重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，承載著培養(yǎng)以上多項(xiàng)能力的重任。一些工科院校將實(shí)踐課程金工實(shí)習(xí)（工程實(shí)訓(xùn)）作為工科學(xué)生的必修課積極推行，旨在傳授一些基本的制造技能、鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

一? 課程現(xiàn)狀及存在的問題

目前國(guó)內(nèi)大部分高校的金工實(shí)習(xí)主要包括熱加工和冷加工兩部分。熱加工主要包含鑄造、鍛壓、焊接和熱處理等;冷加工除了包含傳統(tǒng)的車、銑、刨、 磨、鉗等傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式外，還包含數(shù)控車削、數(shù)控銑削、電火花加工和激光加工等現(xiàn)代加工方式，授課內(nèi)容大多比較固定，比如，車工主要是加工回轉(zhuǎn)面，銑工多是加工曲面、臺(tái)階等，鉗工多是加工一個(gè)錘頭。學(xué)生以完成給定任務(wù)為主，很難激發(fā)興趣，也不利于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。并且原有課程體系傳授的知識(shí)比較陳舊，學(xué)生無法理解制造的最新動(dòng)態(tài)，課程任務(wù)結(jié)束后很難引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)后續(xù)課程，缺乏與后續(xù)課程的銜接。針對(duì)以上問題，部分高校以此為契機(jī)，積極推進(jìn)工程訓(xùn)練及金工實(shí)習(xí)課程的教學(xué)改革。

鄭朝陽等[1]以學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)科競(jìng)賽為牽引，對(duì)機(jī)械類、材料類專業(yè)傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了改革，在培養(yǎng)學(xué)生生產(chǎn)制造的全局觀和工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等方面取得了預(yù)期成效。潘旭東等[2]提出基于五位一體實(shí)踐育人模式的新工科新工訓(xùn)，通過各類大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃牽引串接整個(gè)工訓(xùn)過程，通過“能力疊加”實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。王遠(yuǎn)等[3]以“雙創(chuàng)”教育理論為指導(dǎo)，構(gòu)建了有利于增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與能力的新型金工實(shí)習(xí)模式。詹必勝等[4]構(gòu)建了面向新工科的工程訓(xùn)練管理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工程訓(xùn)練安全教育管理、工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)管理、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控管理、創(chuàng)客空間服務(wù)、學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)檔案等全流程管理，為提高工程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量提供保障。蔡大軍等[5]將學(xué)科競(jìng)賽引入金工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，通過不同工件在相應(yīng)工種的制作，加深學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過程及加工工藝內(nèi)容的理解和認(rèn)知。顏建等[6]構(gòu)建多方位、多層面工程訓(xùn)練課程體系，更新傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式，開發(fā)訓(xùn)練課程項(xiàng)目新模式，從而提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量與水平。沈陽等[7]將案例教學(xué)應(yīng)用在金工實(shí)習(xí)教學(xué)過程中，教學(xué)案例精選本土典型案例，注重知識(shí)的系統(tǒng)性、學(xué)科交叉、知識(shí)的前沿性和通專融合。

綜上所述，有關(guān)金工實(shí)習(xí)、工程實(shí)訓(xùn)方面的教學(xué)改革取得了一定的成果，但依然有待進(jìn)一步完善。特別是如何將理論知識(shí)的傳授、實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練及實(shí)踐能力的培養(yǎng)有機(jī)融合，仍是工程實(shí)訓(xùn)面臨的主要問題?；谝陨蠁栴}，本課程將“大制造”概念引入課程中，提出構(gòu)建理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目三位一體的課程體系，通過三個(gè)維度的融匯貫通，從而達(dá)到知識(shí)、技能、能力的全方位提升。同時(shí)與其他課程建立有效的銜接與貫通，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力的逐步提升。

二? 理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目三位一體的課題體系建設(shè)

（一）? 課程體系總體框架

本課程由理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐項(xiàng)目三部分組成，理論授課16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐項(xiàng)目共64學(xué)時(shí)，通過本課程的理論授課，使學(xué)生了解從材料到成品（零件，機(jī)械裝置）所經(jīng)歷的制造過程;了解材料成型（鑄造、鍛造、焊接）、金屬切削和特種加工技術(shù)的基本原理、工藝、設(shè)備、特點(diǎn)和用途，并且了解制造的前沿技術(shù)。通過本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生獲得與制造技術(shù)相關(guān)的各種工具、量具和設(shè)備的感性知識(shí)，初步掌握車床、銑床、磨床和數(shù)控機(jī)床等的實(shí)際操作技能。通過項(xiàng)目的實(shí)踐，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力等，課程模塊及學(xué)時(shí)分如圖1所示。

（二）? 理論部分設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

理論部分由引言、材料成型過程、金屬切削過程、數(shù)控加工原理、數(shù)控加工機(jī)床、數(shù)控加工刀具、先進(jìn)制造技術(shù)、數(shù)字化制造和智能制造九部分組成。

“引言”部分主要介紹制造的前世、今生及來世，介紹制造業(yè)的發(fā)展歷程及概況。傳授新工科背景下的“新制造”，將增材制造、軟物質(zhì)制造、極端制造及智能制造等概念引入課程，豐富制造業(yè)的內(nèi)涵，讓學(xué)生對(duì)制造有一個(gè)全面、客觀的認(rèn)識(shí)。

“材料成型過程”主要介紹“等材制造”（鑄造、塑性成形、焊接）、“減材制造”（金屬切削加工）、“增材制造”（3D打印、4D打?。┖汀霸鰷p材復(fù)合制造”等制造方式，了解各種材料成型的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，引入材料可加工性概念，為后續(xù)項(xiàng)目開展過程中材料的選擇提供理論指導(dǎo)。

“金屬切削過程”主要講述金屬切削原理、強(qiáng)調(diào)切削過程三要素（切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量），并闡述切削三要素與質(zhì)量、精度及效率的關(guān)系，為學(xué)生開展項(xiàng)目過程中切削三要素的確定提供指導(dǎo)。

“數(shù)控加工原理”主要講述數(shù)控系統(tǒng)的基本組成、數(shù)控加工與普通加工的異同，掌握從零件編程到數(shù)控加工的流程，為學(xué)生后續(xù)實(shí)操訓(xùn)練和項(xiàng)目開展提供理論指導(dǎo)。

“數(shù)控加工機(jī)床”主要講述數(shù)控機(jī)床組成、數(shù)控機(jī)床的的種類、數(shù)控加工中心的原理及應(yīng)用和高端數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備的特性等，介紹我國(guó)高端機(jī)床的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)。

“數(shù)控加工刀具”主要講述數(shù)控加工刀具的種類、數(shù)控加工刀具的合理選擇、介紹我國(guó)數(shù)控加工刀具的現(xiàn)狀及刀具國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

“先進(jìn)制造技術(shù)”主要講述激光加工、電火花加工、離子束加工、電子束加工、水射流加工和超聲加工等非傳統(tǒng)加工方式。介紹各種加工方式的優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)合，為學(xué)生選擇不同特種加工方式提供理論指導(dǎo)。

“數(shù)字化制造”主要講述數(shù)字化手段對(duì)制造過程的提升，主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）和計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）等。

“智能制造”主要講述智能制造的“一個(gè)核心”（賽博物理系統(tǒng)）、“兩大主題”（智能工廠、智能生產(chǎn)）、“三項(xiàng)集成”（橫向集成、垂直集成、端到端集成）及四類功能（動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行）等，闡述我國(guó)由數(shù)字化制造邁向智能制造的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

通過理論部分的授課使學(xué)生從宏觀上了解制造的內(nèi)涵，從客觀上認(rèn)識(shí)我國(guó)制造業(yè)的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生在我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)過程中的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

（三）? 實(shí)驗(yàn)部分設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

實(shí)驗(yàn)技能傳授部分主要包括便攜式桌面數(shù)控銑床（Personal Portable Computer Numeral Control，PPCNC）操作、數(shù)控車削、數(shù)控銑削、車銑復(fù)合加工、五軸加工和特種加工六部分。實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練是以任務(wù)型為導(dǎo)向開展，各工種要完成的典型任務(wù)如圖2所示。各工種任務(wù)設(shè)計(jì)由易到難、由淺入深，在各工種技能的訓(xùn)練過程中，讓學(xué)生體會(huì)各工種的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，讓學(xué)生在后期的項(xiàng)目開展過程中具備選擇合適工種的能力。

實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練先由危險(xiǎn)性小、容易上手的便攜式桌面數(shù)控銑床入手，學(xué)生在此銑床上主要熟悉零件加工的基本流程，并在此機(jī)床上練習(xí)數(shù)控編程軟件。桌面數(shù)控銑床上使用的數(shù)控編程軟件與大型數(shù)控銑床通用。這樣學(xué)生在桌面數(shù)控銑床上熟練掌握數(shù)控編程軟件后就可以很好地過渡到大型數(shù)控銑床上，使學(xué)生克服了直接面對(duì)大型數(shù)控銑床的恐懼，增強(qiáng)了機(jī)床操作的安全性。

（四）? 實(shí)踐項(xiàng)目部分設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

實(shí)踐項(xiàng)目以小組的方式開展，任務(wù)是選取一個(gè)感興趣的實(shí)物，并把它制作出來，對(duì)感興趣實(shí)物的來源不做限制，課程項(xiàng)目選題多種多樣，以往部分學(xué)生項(xiàng)目作品如圖3所示。

為了保證學(xué)期末項(xiàng)目能按時(shí)完成，指導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目開始就制定詳細(xì)的項(xiàng)目推進(jìn)表，項(xiàng)目的推進(jìn)與理論課的講授及實(shí)驗(yàn)課的訓(xùn)練并行展開。將整個(gè)項(xiàng)目執(zhí)行過程分為項(xiàng)目選題、項(xiàng)目實(shí)施及項(xiàng)目展示三個(gè)階段。項(xiàng)目選題是項(xiàng)目開展的關(guān)鍵一步，項(xiàng)目選題的過程中遵循挖掘想法→想法濃縮→想法提煉→確定想法四步，在整個(gè)過程中指導(dǎo)老師把關(guān)項(xiàng)目的可行性及與課程的相關(guān)性。項(xiàng)目實(shí)施階段主要根據(jù)項(xiàng)目推進(jìn)表的時(shí)間節(jié)點(diǎn)把控項(xiàng)目進(jìn)度，注重過程的把控，而不是僅看最終的結(jié)果。項(xiàng)目展示階段邀請(qǐng)相關(guān)課程的任課教師參與點(diǎn)評(píng)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到自己項(xiàng)目取得的成果及存在的不足，為后續(xù)課程的繼續(xù)深造打下基礎(chǔ)。

三? 本課程與其相關(guān)課程的銜接與貫通

本課程嘗試與CAD和工程制圖課程相銜接，CAD與工程制圖主要側(cè)重于工程表達(dá)，即怎樣將產(chǎn)品創(chuàng)意、構(gòu)思、設(shè)計(jì)以二維或三維工程圖形的方式表現(xiàn)出來。有些同學(xué)學(xué)完CAD與工程制圖，將產(chǎn)品創(chuàng)意表達(dá)出來后，還感覺意猶未盡，萌生了將創(chuàng)意的產(chǎn)品動(dòng)手做出來的想法。因此，本課程為這部分同學(xué)提供了把實(shí)物做出來的機(jī)會(huì)，初步實(shí)現(xiàn)了與CAD與工程制圖的銜接與貫通，使學(xué)生初步完體驗(yàn)了由工程表達(dá)到工程實(shí)現(xiàn)的過程。圖4為學(xué)生在CAD與工程制圖自選項(xiàng)目中繪制的彈簧十字弩的CAD模型，同學(xué)想把這個(gè)彈簧十字弩加工制作出來，于是就在本課程的自選項(xiàng)目中經(jīng)歷了刀路編制、數(shù)控加工、裝配及調(diào)試等步驟，最終完成了十字弩的制作。

在本課程項(xiàng)目產(chǎn)品的展示過程中發(fā)現(xiàn)，有些精度要求較高的產(chǎn)品在調(diào)試過程中往往會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)的情況，比如同學(xué)們比較熱衷于制作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，如圖5所示，這些斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型在調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)的狀況是在外界熱源的作用下無法持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。出現(xiàn)以上情況同學(xué)們一般都比較沮喪，在老師的引導(dǎo)下，同學(xué)們大多都能找到原因，比如有的是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮配合精度，氣密性達(dá)不到要求，有的情況是摩擦力大等。在這些情況下因勢(shì)引導(dǎo)同學(xué)們，這門課是認(rèn)知型的課程，本課程的教學(xué)目標(biāo)是了解并體驗(yàn)產(chǎn)品的制造過程。如果想要更進(jìn)一步了解產(chǎn)品的精度、配合、效率等，并設(shè)計(jì)制作出能真正投放市場(chǎng)的產(chǎn)品還需要后續(xù)課程如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、先進(jìn)制造實(shí)踐等課程的支撐，從而為同學(xué)們繼續(xù)深入學(xué)習(xí)后續(xù)課程埋下伏筆。

四? 結(jié)束語

以由中國(guó)“制造”到中國(guó)“創(chuàng)造”的跨越過程中對(duì)新型高端人才的需求為切入點(diǎn)，對(duì)制造工程認(rèn)知實(shí)踐課程進(jìn)行改革與創(chuàng)新。將“大制造”的概念引入課程，搭建了理論-實(shí)驗(yàn)-項(xiàng)目三位一體的課題體系，通過三個(gè)維度的融匯貫通，從而達(dá)到知識(shí)、技能、能力的相互促進(jìn)與提升。同時(shí)注重與CAD與工程制圖的銜接，實(shí)現(xiàn)了從“工程表達(dá)”到“工程實(shí)現(xiàn)”的貫通式培養(yǎng)。同時(shí)在本課程的學(xué)習(xí)過程中，點(diǎn)出后續(xù)課程（如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、先進(jìn)制造實(shí)踐）學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，為同學(xué)們后續(xù)課程的深入學(xué)習(xí)起到引導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)課程的銜接與貫通。

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[7] 沈陽，王瑞龍.在金工實(shí)習(xí)中應(yīng)用案例教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)意能力的探索與實(shí)踐[J].科教文匯（上旬刊），2021（2）：102-103.

基金項(xiàng)目：2023年廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（高等教育專項(xiàng)）“基于科產(chǎn)教深度融合的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系探究”（2023GXJK467）;“南科大研究”課題“新型研究型大學(xué)本科生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)與評(píng)價(jià)探究——以南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系為例”（SUST23Y01）;2021年廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（教育綜合改革專項(xiàng)）“智能制造類專業(yè)學(xué)位研究生產(chǎn)教深度融合協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制研究”（2021JKZG047）;2021年廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（高等教育專項(xiàng)）“新工科背景下研究型大學(xué)工程實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新”（2021GXJK202）;廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“南科大-樂聚（深圳）機(jī)器人公校企研究生聯(lián)培基地”（Y01331833）

第一作者簡(jiǎn)介：路冬（1980-），女，漢族，山東濟(jì)寧人，博士，副教授。研究方向?yàn)閿?shù)字化制造、智能制造、制造過程質(zhì)量控制。

*通信作者：魏艷（1986-），女，漢族，湖北仙桃人，博士，副教授。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、多相流仿真。