創(chuàng)新型機(jī)械綜合實驗項目的開發(fā)及教學(xué)研究

機(jī)械綜合實驗Ⅳ是為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)四年制本科生開設(shè)的一系列綜合實驗課程之一，旨在利用先進(jìn)制造技術(shù)，從學(xué)以致用的人才培養(yǎng)理念出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、綜合應(yīng)用能力、系統(tǒng)設(shè)計能力及創(chuàng)新實踐能力。機(jī)械綜合實驗Ⅳ課程是適應(yīng)卓越工程師教育新開設(shè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1]，實驗做什么、如何做，如何實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)是本課程亟待研究的課題。圍繞上述問題，我們對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實驗項目設(shè)計等方面作了深入研究，并在07級、08級兩屆學(xué)生中成功開設(shè)相應(yīng)實驗項目，收到了預(yù)期教學(xué)效果。

一深化課程內(nèi)容改革，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力

實驗教學(xué)不是課程教學(xué)的一個附屬環(huán)節(jié)，而是“提供獲得知識的方法，培養(yǎng)學(xué)生研究、批判和反省的精神，使他們有自動追求知識和不斷研究的能力”[2]的教學(xué)途徑之一。機(jī)械綜合實驗Ⅳ是獨立開設(shè)的綜合性實踐課程，安排在第七學(xué)期進(jìn)行，機(jī)械設(shè)計、制造等專業(yè)課程已全部學(xué)完，盡管這時學(xué)生已初步具備了CAD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計能力、CAPP制造工藝設(shè)計能力和利用先進(jìn)數(shù)控設(shè)備加工能力和基本的機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量檢測能力，但對于產(chǎn)品開發(fā)的全過程缺乏系統(tǒng)認(rèn)識和實戰(zhàn)經(jīng)驗，知識是離散的，能力也是支離破碎的。通過綜合實驗，以工程項目為主線組織教學(xué)，學(xué)生3～5人為單位組成多個工作團(tuán)隊，從產(chǎn)品設(shè)計開始經(jīng)過工藝分析、編程制造、檢測、安裝調(diào)試等使每個學(xué)生親歷工程項目的全過程，把自己的設(shè)計通過規(guī)范的工程方式轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，同時將所學(xué)專業(yè)知識串起來，綜合運(yùn)用設(shè)計、制造、檢測等技能，完成完整的知識結(jié)構(gòu)和綜合能力的建構(gòu)。

實驗項目的設(shè)計體現(xiàn)三個重要特征：一是先進(jìn)性，二是綜合性，三是創(chuàng)新性。先進(jìn)制造技術(shù)包括先進(jìn)的設(shè)計方法、先進(jìn)的制造工藝、機(jī)電一體化制造裝備以及先進(jìn)的設(shè)計和制造理念。

設(shè)置實驗項目時為激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，將項目安排為學(xué)生自選項目和課程指定項目兩大類。在指定項目（見表1，機(jī)械綜合實驗項目一覽表，項目1～4）中將先進(jìn)的設(shè)計、制造、檢測技術(shù)貫穿項目的始終，確保項目符合先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求。指定項目要求學(xué)生采用逆向設(shè)計或正向設(shè)計的方法，教師提供復(fù)雜曲面產(chǎn)品原型，由學(xué)生用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行測量，用反求軟件如Surface，Pro/E， UGⅡ，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上選擇數(shù)控加工或快速原型制造，完成零件加工；然后用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行精度檢測，對測量結(jié)果進(jìn)行分析，查找誤差源。上述實驗項目的設(shè)置無論是設(shè)計方法還是選用的軟件及設(shè)備均符合當(dāng)今制造技術(shù)的發(fā)展方向，具有先進(jìn)性。制造技術(shù)本身具有綜合化特征，學(xué)生實驗過程中用到的CAD、CAPP、CAM、NC（數(shù)控）、RP（快速原型）、CMM（三坐標(biāo)測量機(jī)）等先進(jìn)設(shè)計、制造、檢測精密設(shè)備都是多學(xué)科的研究成果，每個學(xué)生親歷工程項目的全過程，自身的綜合能力得到提升。

二激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的熱情，提高實踐能力

創(chuàng)新能力培養(yǎng)是工程訓(xùn)練教學(xué)的精髓，質(zhì)量為本，創(chuàng)新是魂[3]。因此在機(jī)械綜合實驗Ⅳ項目設(shè)置中給出了學(xué)生自選項目的空間，以學(xué)生為主導(dǎo)自選感興趣的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計與制造，教師進(jìn)行必要的引導(dǎo)，讓學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實驗。而對于自選項目既可以采用正向設(shè)計也可以采用逆向設(shè)計，要求學(xué)生運(yùn)用先進(jìn)的CAD軟件如Pro/E，UGⅡ自行設(shè)計某一功能部件，完成零件圖、裝配圖設(shè)計；根據(jù)設(shè)計的產(chǎn)品可選擇數(shù)控加工或快速原型制造，編制工藝完成零件加工；用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行加工精度檢測；在此基礎(chǔ)上完成安裝調(diào)試。學(xué)生根據(jù)自己的興趣特長自行設(shè)計產(chǎn)品，指導(dǎo)教師組織全班同學(xué)參加創(chuàng)新項目立項評議，讓每位自選項目同學(xué)通過答辯表達(dá)自己的創(chuàng)意，以此綜合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、語言表達(dá)能力、考慮問題的周到性以及邏輯思維的嚴(yán)密性。對于公認(rèn)有創(chuàng)意和價值的項目，經(jīng)指導(dǎo)教師審核批準(zhǔn)后進(jìn)行實施。在教師指導(dǎo)下完成設(shè)計、加工、檢測、安裝、調(diào)試、評價等創(chuàng)新實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。對于難度較大、課堂上完成不了的題目，學(xué)生可以在課后利用實驗室開放的時間繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計和實驗。項目涉及的CAD中心、先進(jìn)制造技術(shù)中心、檢測中心等實驗室不僅要做到時間開放，更要做到內(nèi)容的開放，以方便學(xué)生開展設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性項目的選擇和實施。

三以項目為主線，團(tuán)隊協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識

針對機(jī)械綜合實驗項目的設(shè)計性、綜合性特征，要求參與實驗的學(xué)生根據(jù)各自特長自由組合，3～5人1組每組開發(fā)一套產(chǎn)品，要求各項目組的設(shè)計具有不同的結(jié)構(gòu)形式。每組明確1名學(xué)生作為實驗項目負(fù)責(zé)人，相當(dāng)于一個總工程師和項目經(jīng)理的角色，而每位組員就是一個開發(fā)工程師。項目責(zé)任人起組織協(xié)調(diào)作用，將任務(wù)進(jìn)行分解，合理分工，組織全組精心制訂實驗方案，根據(jù)設(shè)備、場地、實驗室開放時間與指導(dǎo)教師協(xié)調(diào)合理安排實驗流程及進(jìn)度并查閱相關(guān)資料，對可能遇到的問題制定相應(yīng)的對策，通過這種相互協(xié)作，使學(xué)生學(xué)會團(tuán)隊合作，共同努力達(dá)成目標(biāo)的工作方式，以適應(yīng)將來在工程項目中的角色。指導(dǎo)教師與組長一起分析設(shè)計制造項目的全部流程，指導(dǎo)學(xué)生如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)制造環(huán)境如生產(chǎn)計劃、使用設(shè)備的種類與時間、需要的毛坯與材料等，并與制造現(xiàn)場的主管老師協(xié)調(diào)。指導(dǎo)教師與組長一起審核設(shè)計、審核工藝，監(jiān)督指導(dǎo)零件加工、檢測、安裝、調(diào)試，作為項目組長的后盾，參與指導(dǎo)項目實施全過程。

通過設(shè)置自選項目，以項目責(zé)任人負(fù)責(zé)的團(tuán)隊工作方式，給每個參與的學(xué)生一個創(chuàng)造的自由空間，同時賦予一份責(zé)任，以此激勵興趣、開拓思維、鼓勵發(fā)問、啟發(fā)創(chuàng)意。綜合實驗設(shè)計制造項目已實施兩屆，學(xué)生干起來愛不釋手，相關(guān)實驗室延長開放時間，甚至晚上加班為學(xué)生服務(wù)。實驗結(jié)束后，實驗小組要對實驗過程出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行認(rèn)真分析研究，相互交流，認(rèn)真總結(jié)及時撰寫實驗報告。實驗報告包括設(shè)計圖紙、工藝規(guī)程、生產(chǎn)計劃、質(zhì)量檢驗報告、安裝調(diào)試記錄及總結(jié)[4]。通過機(jī)械綜合實驗，增強(qiáng)了學(xué)生的綜合判斷意識與能力，增強(qiáng)工程與技術(shù)素養(yǎng)，讓學(xué)生體會自身知識、能力如何在工程實踐中得到應(yīng)用與發(fā)揮，進(jìn)行學(xué)以致用的過渡。這種方式的實驗有利于鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析思考問題、進(jìn)而解決問題的能力，通過指定或自選創(chuàng)新項目把機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計、制造工藝、公差配合與技術(shù)測量、數(shù)控加工、快速成型等課程內(nèi)容融會貫通，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決問題和工程實施的能力。

四完善課程評價體系，多種方式評價實驗效果

課程成績評價的目的是為了促進(jìn)學(xué)生成長和老師教學(xué)水平的提高[5]，建立科學(xué)的課程成績評價體系，是客觀評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要保證，同時也是對課程教學(xué)內(nèi)容、項目設(shè)置、教師指導(dǎo)等情況進(jìn)行評估的重要參考。在構(gòu)建機(jī)械綜合實驗課程評價體系時，以實踐環(huán)節(jié)的教和學(xué)是否達(dá)到了課程教學(xué)目標(biāo)作為設(shè)置評價內(nèi)容的依據(jù)，注重面向教與學(xué)的全程評價，探尋科學(xué)的評價方法，運(yùn)用多方式、多角度、多層面的評價機(jī)制全面考查學(xué)生的綜合素質(zhì)以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

結(jié)合以先進(jìn)制造技術(shù)為依托，以項目為主線，突出設(shè)計性、綜合性、先進(jìn)性的課程特點，機(jī)械綜合實驗Ⅳ課程成績評價內(nèi)容包括：（1）選題評價。自選項目與指定項目分值是不同的，為鼓勵創(chuàng)新對于自選項目給出更高的分值。主要評價自選項目的專業(yè)貼近度、設(shè)計新穎度、訓(xùn)練實效性。（2）工作態(tài)度評價。態(tài)度決定一切。從是否以勤奮好學(xué)、刻苦鉆研的態(tài)度去完成綜合實驗的任務(wù)，是否具有良好的主動溝通能力和團(tuán)隊合作精神幾個方面對學(xué)生進(jìn)行全程考核。同時結(jié)合學(xué)生在實驗過程中儀器設(shè)備的操作技能、操作規(guī)范程度、排除小故障能力、保持實驗室環(huán)境衛(wèi)生等環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行考核。（3）成果評價。從設(shè)計水平、制造工藝和加工精度等方面對實驗制作的最終產(chǎn)品進(jìn)行全面評價。對實驗報告是否全面、準(zhǔn)確、科學(xué)進(jìn)行評價。（4）答辯。通過圍繞項目實施全過程的答辯環(huán)節(jié)，對學(xué)生知識、能力、素質(zhì)進(jìn)行考察，主要評價知識技能的掌握程度、語言表達(dá)能力、思維的邏輯嚴(yán)密性以及實驗報告的客觀真實性。

在實驗過程中，指導(dǎo)教師可以隨時對學(xué)生實驗的任一環(huán)節(jié)，如CAD造型、數(shù)據(jù)點云處理、坐標(biāo)測量操作步驟等可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行提問，隨時進(jìn)行現(xiàn)場打分。答辯可以在實驗過程中進(jìn)行，也可以在實驗結(jié)束后進(jìn)后，可以全班也可以以小組為單位進(jìn)行，通過多元化的考核方法及多層次的考核環(huán)節(jié)，建立一個完整、科學(xué)、可操作的實驗課程成績考評體系，有利于實驗教學(xué)質(zhì)量的不斷提高，也是不斷更新教學(xué)內(nèi)容和開發(fā)新的實驗項目，提高教師教學(xué)水平的重要手段。

總之，通過對機(jī)械綜合實驗Ⅳ設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性課程教學(xué)項目的設(shè)計開發(fā)，向?qū)W生提供了一系列能夠綜合運(yùn)用所學(xué)設(shè)計、制造、檢測的知識與技能的實踐項目，同時鼓勵學(xué)生主動參與自選項目，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，對于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識、團(tuán)隊精神、工程實踐能力等工程素質(zhì)，實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)有積極的意義。圍繞基于先進(jìn)制造技術(shù)的機(jī)械綜合實驗課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)過程組織、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)以及課程考核評價體系建設(shè)等方面所進(jìn)行的教學(xué)研究，保證了該課程的順利實施，從與學(xué)生的交流中我們了解到學(xué)生對于目前設(shè)置的實驗項目比較認(rèn)同，認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)，教學(xué)安排合理，實驗考核較全面科學(xué)，特別是能自主完成產(chǎn)品設(shè)計與制造，深受學(xué)生歡迎。

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