當前先進制造技術下的工程實踐教學研究

葉回春, 沈連婠

(中國科學技術大學 工程科學實驗教學中心,安徽 合肥 230027)

云制造[1-2]、大數據[3-5]、人工智能[6-7]等的相繼出現,使得制造業面臨著激烈的挑戰和深刻的技術變革。在此背景下,擔負著培養實踐創新人才的傳統金工實習課程,在各高校中也紛紛求變[8-9]。而引進先進制造設備與技術供學生實習,建設信息化開放式的實訓中心管理辦法,已經成為眾多高校的共識[10-12]。一方面,先進制造設備能讓學生盡早接觸當前先進技術、感知前沿科學、開拓眼界；另一方面,在新增設備的基礎上也可以增設新的實訓項目,開拓思路,研究新的訓練模式,培養學生的興趣愛好,增強學生的工程素養,并使學生能夠深化課本上學到的理論知識。

工業4.0即將拉開帷幕,未來工廠的生產運作僅需少量高精尖的技術人才,傳統勞動密集型產業將被智能機器人取代。因此,培養更多具有創新意識、創新思維、創新實踐的人才在這個時代迫在眉睫。當然,這也承載著推進國家自主創新,在激烈的國際競爭中占據主動,實現中華民族偉大復興的歷史使命。我校工程科學學院秉承“我創新,故我在”和“精品辦學、英才教育”的理念,在學校教學專項經費支持下,根據學校的辦學宗旨:“緊緊圍繞國家急需的新興科技領域設置系科專業,創造性地把理科與工科,即前沿科學與高新技術相結合,注重基礎課教學,高起點、寬口徑培養新興、邊緣、交叉學科的尖端科技人才” 。將工程實踐中心建設成為一個具有能為學生增強知識創新和技術創新能力的實踐教育基地, 為學生營造“真實而又先進的制造業環境”,使其成為一個可以讓學生自己動手,親自實現其創新意愿的場所。

本文將結合我校實踐中心近幾年的辦學經驗,探索如何利用先進制造技術等培養學生創新實踐等綜合能力。

1 先進制造技術在工程實訓中實施辦法

我校工程實踐中心自2012年創立以來,以國外名校的工程實踐基地為標桿, 針對本校學生將來的去向:大部分繼續深造,攻讀博士生和碩士生,少量學生直接進入社會,且多為各類公司的研發部門。立足現狀,將中心的建設目標定為:

(1) 全校各專業金工實習課程的教學課堂；

(2) 全校學生創新思維的實現場所；

(3) 全校科研需求的應急響應平臺。

使學生除了能切實完成基礎的工程實踐、工程訓練之外,更要向學生展示制造業的前沿和方向,讓學生能利用中心的先進工程工具,實現自己的創意。

1.1 重新架構金工實習課程

1.1.1 培養學生掌握先進的加工技術

傳統金工實習課程主要包含車削、銑削、刨削、磨削、釬焊等幾個內容,教學方式存在著訓練內容單一、工藝流程簡單等缺點,基本以純操作技能訓練為主,對學生的培養處于對基礎理論知識和基本操作技能認知的層次,無法有效激發學生的學習興趣和創新欲望,不利于學生創新能力的培養。

為此,我校實踐中心傳統加工技術基礎上引進精密級金屬雕刻機,將車銑刨磨加工獲得的零件進行表面電化學處理,學生可以根據自己的喜好進行著色防銹處理,效果對比見圖1。這樣學生既能掌握電鍍和氧化著色的原理,學到知識,也能根據自己的要求進行顏色深淺不同的掌控,在增加趣味性的同時提高學生自主能動性。

圖1 傳統車銑鉗與表面電化學處理制作五彩小錘子

1.1.2 培養學生掌握3D打印等現代化制造加工技術

增設3D打印機、激光內雕、反求測量等數字化制造實訓項目。一是可以讓學生了解增材制造、特種制造等當前最新加工技術進展,開闊視野；二是讓學生充分發揮自己想象力、創造力,通過CAD軟件設計模型,并加工制作,達到深化理解機械制圖、機械設計等課程知識的目的,同時增強學生的主觀能動性,最終提高綜合創新能力。激光內雕作品見圖2。

1.1.3 培養學生設計創新意識和實踐能力

增加了數控車削、數控銑削、線切割、精密雕銑機等先進制造設備,要求學生自行設計模型(見圖3)。同時要求學生動手操作設備進行加工,這能讓學生了解并掌握現代制造工藝,并與傳統制造工藝進行對比,此方式強調理論教學與實訓教學相結合,重視培養學生分析問題、解決問題的能力及創新意識,增強學生的社會適應能力。

1.2 增加自主創新開放式訓練項目

為學生提供創新平臺，接納學生創新團隊,課后開放中心儀器設備,給團隊提供場地并配備專業指導教師。促進形成項目驅動的模式,使學生能盡早開展連續的探索性研究工作,與我校培養高精尖人才的理念契合,有利于培養學生的工程素質和創新實踐能力；有利于學生在實踐中自主學習,提高其主動性和自覺性；有利于培養學生綜合應用各科知識解決基本工程問題的能力。

1.2.1 鼓勵學生參加競賽科技活動

Robocon、Robomaster、挑戰杯、全國大學生機械創新設計大賽等都是非常有意義的科技研究活動,充滿挑戰性和創新性,為學生提供了鍛煉自己綜合實踐能力的機會。學生通過參加這類活動,在分析解決問題、系統設計與調試、新器件新技術的應用及創新能力和團隊協作等方面得到了全面提高。通過這些競賽,既鍛煉了參與者,又能選拔出一批優秀學生。

1.2.2 鼓勵學生參加科研活動

鼓勵學生直接參與教師科研團隊的研究活動,從科研中發現問題,與教師一起進行實驗研究、創新研究,并學會撰寫科研論文、交流研究心得。因為這種研究本身就是工程教育,既將理論學習與實踐較早結合,又熟悉了基本的科學研究方法，提高了學生的學習積極性和科學研究能力。

圖2 激光內雕學生的部分創意作品

圖3 線切割學生部分創意作品

1.3 為社會服務,舉辦科技活動周等科普類活動

依托中心組織各種科技普及活動,向社會展示制造業的前沿與方向和我校精神風貌。由學生自由組織、自愿報名,同時聘請高年級本科生擔當講解介紹。此舉措不但可以鍛煉學生組織能力、表達能力,增強其社會適應能力,同時也能加強學生社會責任感和集體榮譽感,并在講解科學知識過程中深化對課本知識的理解。

目前我校實踐中心開展的科技普及活動主要有“科技活動周”“五月風”“高?？茖W營”等?！翱萍蓟顒又堋敝饕嫦蛉珖行W生及其家長?！翱萍蓟顒又堋遍_設的科普點有3D打印、激光內雕、3維掃描等項目,2天接待人員約5 000人次；“五月風”面向低年級本科生,目的是使學生能利用中心設備實現自己創意,培養學生工程興趣；“高?？茖W營”面向全國優秀高中生,通過普及高新技術,親身設計并動手實驗制作作品等方式,提高科學興趣和養成良好思維方式,同時也對我校的辦學理念起到宣傳作用。

2 工程實踐中心建設目標

擬將我校工程實踐中心打造成一個既滿足全校學生各專業金工實習課程需求,又能給學生提供創新思維實現、培養學生團隊意識、社會服務意識及各項綜合能力的場所。同時還能滿足教師的一部分科研需求,具體課程體系架構見圖4。在金工實習基礎上整合創新實踐、社會服務、科研服務,形成多位一體模式,切實保障工程實踐中心資源利用最大化。

3 結語

經過近5年的建設發展,我校工程實踐中心將先進制造課程與大學生創新能力培養的有效結合,逐步形成特色鮮明的創新實驗、工程實訓項目?，F能接受學生自主選課、自由組隊、自發申請研究項目,也能滿足科研預約加工。

自金工實習課程以全新形式開課以來,深受學生好評。得到了學生的積極參與和熱情支持,在提高學生的動手能力,培養學生的創新意識、團隊意識等方面發揮了積極作用。當然,工程實踐中心為適應時代的發展,未來將會逐步開展信息化、MOOC等的建設,最終促進大學生實踐動手能力和實踐創新能力的培養,提高教學質量和科研水平。

圖4 工程實踐中心課程體系架構

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