基于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新
——以電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程為例

葛永成， 朱永偉， 宋愛平

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引 言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。新中國成立尤其是改革開放以來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，有力推動工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程，顯著增強(qiáng)綜合國力，支撐世界大國地位［1］。當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，國際產(chǎn)業(yè)分工格局正在重塑，必須緊緊抓住這一重大歷史機(jī)遇，加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃和前瞻部署［2］。為此，國務(wù)院出臺《中國制造2025》實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)，明確提出五大制造工程建設(shè)目標(biāo)，突破關(guān)鍵技術(shù)和工程化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸，搶占競爭制高點(diǎn)，通過10年時間的努力，使我國制造業(yè)邁入強(qiáng)國行列［3-4］。

人才是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，要順利完成《中國制造2025》的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)，最為關(guān)鍵的是需要大量支撐制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。大學(xué)教育肩負(fù)著人才培養(yǎng)的重要使命，必須承擔(dān)起國家制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展所需的高素質(zhì)人才的培養(yǎng)任務(wù)［5］。實(shí)踐教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的重要環(huán)節(jié)。重視實(shí)踐教學(xué)，提高高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要途徑［6-7］。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式普遍以教師講授、示范為主，學(xué)生程序化機(jī)械模仿，實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式格式化且內(nèi)容大同小異，難以滿足高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

電解加工（Electrochemical Machining，ECM）是基于陽極工件的電化學(xué)溶解作用去除材料的加工技術(shù)，它是特種加工、先進(jìn)制造技術(shù)等制造類相關(guān)課的重要組成部分。電解加工是一種典型的非接觸式的先進(jìn)制造方法，在國防、航空、航天、能源等領(lǐng)域的高科技裝備中具有廣泛的應(yīng)用，也是《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中高端裝備創(chuàng)新工程急需突破的重要關(guān)鍵技術(shù)之一［8-9］。本文以電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合電解加工技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要開展一系列創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。設(shè)計(jì)了直觀便捷的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，形象生動地展示了電解加工過程中陽極材料去除過程。提出了貫徹學(xué)習(xí)主體地位、游戲化實(shí)驗(yàn)過程、開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)和建立多維度評價體系的改革措施，構(gòu)建了新模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，極大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，激發(fā)同學(xué)們探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)規(guī)律的熱情，有效培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。

1 電解加工特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求

電解加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置主要由運(yùn)動控制系統(tǒng)、加工電源、陽極工件、陰極工具、電解液循環(huán)系統(tǒng)等幾部分組成。加工過程中，通常采用仿形的塊狀電極作為陰極工具，并使之與加工電源負(fù)極相連，陽極工件則與加工電源正極相連；控制陽極工件與陰極工具保持較小的初始加工間隙（0.1～0.5 mm）；循環(huán)泵向加工間隙內(nèi)高速泵入一定濃度的電解液（濃度約為5% ～20%，流速為10～60 m／s）；將加工電源調(diào)節(jié)至一定的電壓值（10～25 V），陽極工件表面金屬材料發(fā)生氧化反應(yīng)生產(chǎn)絮狀沉淀物，陰極工具表面發(fā)生還原反應(yīng)生產(chǎn)大量氣泡，加工間隙內(nèi)形成固、氣、液三相混合流場狀態(tài)［10］。上述加工間隙、電解液濃度及流速、電壓值等參數(shù)均對加工過程中間隙內(nèi)三相混合流場和陽極工件成形過程產(chǎn)生重要影響；為了促使高速流動的電解液及時沖走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，保障加工過程平穩(wěn)高效進(jìn)行，陰極工具和陽極工件通常被置于一個密封的夾具內(nèi)；陰極工具在運(yùn)動控制系統(tǒng)的驅(qū)使下以某一恒定速度持續(xù)進(jìn)給，陽極材料不斷被去除，最終加工出符合尺寸、形狀要求的零件，完成實(shí)驗(yàn)要求［11］。

圖1 電解加工實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)過程中，一個典型的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)流程如圖2所示，包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)講解、教師實(shí)驗(yàn)過程演示、學(xué)生分組開展實(shí)驗(yàn)操作、學(xué)生整理并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及教師評定實(shí)驗(yàn)成績等環(huán)節(jié)，這樣的教學(xué)模式一定程度上達(dá)到了理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐驗(yàn)證理論的教學(xué)效果。然而，在電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于陰陽極之間三相流場狀態(tài)和陽極工件成形過程對加工參數(shù)的變化極為敏感，且各實(shí)驗(yàn)參數(shù)還會對加工過程產(chǎn)生復(fù)合的影響，因此，僅依靠示范性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式很難讓學(xué)生真正理解電解加工技術(shù)的工藝特性。同時，主要依據(jù)學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告評定實(shí)驗(yàn)成績的方式也無法真正反映學(xué)生對電解加工技術(shù)的認(rèn)知水平。結(jié)合電解加工技術(shù)的工藝特點(diǎn)，在電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，帶領(lǐng)學(xué)生探究加工參數(shù)對陽極材料去除規(guī)律的影響才更有意義，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。此外，為保障高壓高速的電解液及時沖走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，陰陽極之間流場通常是被約束在一個只留有電解液進(jìn)口和出口的密封夾具內(nèi)。對于實(shí)驗(yàn)者來說，整個加工過程變成一個不可知的黑匣子，如圖3所示，加工參數(shù)變化對陽極工件成形過程的影響被完全切斷。綜上所述，急需根據(jù)電解加工技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，研制加工過程可視可控的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，并探尋創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果示意圖

2 電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的改進(jìn)和革新是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，也是保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素［12］。為進(jìn)一步提升電解加工試驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，充分考慮了電解加工技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)床運(yùn)動控制系統(tǒng)、供電回路系統(tǒng)、電解液供給與過濾系統(tǒng)、加工參數(shù)檢測系統(tǒng)、高性能攝像機(jī)在線觀察系統(tǒng)及電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)控制軟件6部分組成。機(jī)床運(yùn)動控制系統(tǒng)給加工過程提供必要的運(yùn)動；供電回路系統(tǒng)負(fù)責(zé)在加工過程給陰極工具和陽極工件提供必要的電勢差，驅(qū)使陽極材料溶解；電解液供給與過濾系統(tǒng)向加工區(qū)域提供高速高壓的工作液，及時帶走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，同時保證加工產(chǎn)物被及時過濾，實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)利用；通過高精傳感器實(shí)時采集加工參數(shù)，并傳輸給控制計(jì)算機(jī)展示給實(shí)驗(yàn)人員；電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)控制軟件對陰極工具進(jìn)給速度、加工電壓、電解液壓力等重要加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示和監(jiān)控；將約束陰陽極之間流場的夾具采用可視化材料制備，通過高性能攝像機(jī)采集加工過程的實(shí)時狀態(tài)，并傳輸給控制計(jì)算機(jī)展示給實(shí)驗(yàn)人員。實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要調(diào)節(jié)加工參數(shù)，并在控制計(jì)算機(jī)上實(shí)時觀察到加工參數(shù)對加工過程的影響，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間建立直觀生動的聯(lián)系，激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。此外，實(shí)驗(yàn)人員可以通過單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)等不同的試驗(yàn)方法探索不同加工參數(shù)及不同參數(shù)間的復(fù)合作用對加工過程及加工結(jié)果的影響，幫助同學(xué)們更深層次的理解電解加工原理及工藝規(guī)律，提升同學(xué)們創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖4 改進(jìn)后的電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)為目標(biāo)，滿足國防、航空、航天、能源等高科技裝備制造領(lǐng)域中對高素質(zhì)制造人才的迫切需求，針對電解加工技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，對電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程進(jìn)行改革，并提出具體的改革措施，如圖5所示。

圖5 電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

（1）貫徹學(xué)生主體地位。為了更好地達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)人才的目的，必須在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中嚴(yán)格執(zhí)行以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。明確學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中的主體地位，才能高效激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情。為此，在電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，合理增設(shè)一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為保證設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案合理，學(xué)生需要在深入理解電解加工技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，多途徑查閱相關(guān)資料。這個過程極大地激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，既鍛煉了實(shí)踐操作能力，也有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。

（2）游戲化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。增加教學(xué)過程的趣味性能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文借鑒游戲中打怪升級的設(shè)計(jì)思路，將電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分層設(shè)計(jì)［13-14］，從單個參數(shù)加工規(guī)律探索，到多個參數(shù)對加工結(jié)果綜合影響規(guī)律研究，再到加工過程中異常現(xiàn)象背后隱藏問題的分析和解決。由易到難，由小妖到大BOSS，讓同學(xué)們在學(xué)中做，在做中思，真正體驗(yàn)學(xué)習(xí)的成就感和獲得感。

（3）開展研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。研究型教學(xué)強(qiáng)調(diào)教師研究性地教與學(xué)生研究性地學(xué)的有機(jī)融合，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新教育理念。開展研究型教學(xué)有利于學(xué)生綜合能力的提升、有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高［15-16］。電解加工是一種典型的非接觸式加工，而且加工結(jié)果對加工參數(shù)的變化非常敏感，加工過程中參數(shù)輕微變化都可能對加工過程和加工結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。結(jié)合上述工藝特性，提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生關(guān)注加工參數(shù)變化對加工過程和加工結(jié)果帶來的影響，并引導(dǎo)他們結(jié)合理論知識探究加工參數(shù)給加工過程和加工結(jié)果帶來變化的背后原因和控制方法。

（4）建立多維度考評體系。在某種程度上說，實(shí)驗(yàn)成績是學(xué)生最在意的“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，因此建立合理的多維度考評體系，通過成績考核指標(biāo)反向驅(qū)動學(xué)生帶著思考去完成教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，會更有利于達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)人才的教學(xué)目標(biāo)。改變傳統(tǒng)主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容評定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的考核體系，通過考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能、設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、加工規(guī)律總結(jié)、加工結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告5部分的內(nèi)容來綜合評定學(xué)生成績，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師演示，學(xué)生機(jī)械模仿的局限。該考評體系的5部分內(nèi)容相輔相成，準(zhǔn)確反映學(xué)生對電解加工技術(shù)的認(rèn)知水平和實(shí)踐能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖6所示，整個流程共分6個階段。

（1）學(xué)前情況分析。在此過程中教師需要通過互動環(huán)節(jié)了解學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握情況，為接下來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和分組安排做好準(zhǔn)備。同時，通過趣味性的展示電解加工技術(shù)在高科技裝備中的應(yīng)用案例來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（2）教師實(shí)驗(yàn)示范與講解。在此過程中，教師通過詳細(xì)講解和示范操作向?qū)W生傳授電解加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)過程的基本操作規(guī)范和操作流程。

（3）一階段驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。證明電解加工基本理論，并考察同學(xué)們實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范程度。此外，進(jìn)一步開展重要參數(shù)的單因素實(shí)驗(yàn)，并在知識整理階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響規(guī)律總結(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，為開展二、三階段的研究型教學(xué)做好準(zhǔn)備。

（4）二階段實(shí)驗(yàn)。主要開展實(shí)驗(yàn)研究方法探討和多因素復(fù)合影響規(guī)律探索等工作。通過分析探討多因素交叉作用的影響規(guī)律，培養(yǎng)同學(xué)們實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

（5）三階段實(shí)驗(yàn)。主要開展兩方面的研究性實(shí)驗(yàn)，一方面是基于前期實(shí)驗(yàn)中遇到的問題開展探索性研究，引導(dǎo)同學(xué)們結(jié)合現(xiàn)有理論和一、二階段總結(jié)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析問題產(chǎn)生的原因，并提出解決方案。根據(jù)解決方案，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程和相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證解決方案的可行性，直到問題解決。另一方面是針對具體加工對象，開展提高加工性能的研究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要具有較好的理論功底，在深刻理解該加工對象在一、二階段實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出來的加工特性的基礎(chǔ)上，提出保障加工性能的措施。根據(jù)提出的措施，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程和相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證提出措施的可行性，直到該加工對象獲得預(yù)期的加工性能。

（6）提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)成績評定。在此過程中，學(xué)生需要匯總不同階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)規(guī)律，撰寫心得體會，按規(guī)定要求形式完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師現(xiàn)場評閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，并與學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵知識，將交流過程中了解到的學(xué)生對基礎(chǔ)理論、操作流程及實(shí)驗(yàn)規(guī)律等方面的知識缺陷，及時反饋給學(xué)生。完成上述所有內(nèi)容后，教師根據(jù)操作技能、加工規(guī)律總結(jié)、加工結(jié)果分析、綜合類實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告5部分的表現(xiàn)進(jìn)行多維度考核，給出合理的實(shí)驗(yàn)成績。

圖6 改革后電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢與效果

培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)是開展實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的根本目標(biāo)。結(jié)合電解加工技術(shù)的特點(diǎn)和教學(xué)需要開展了一系列的改革措施，極大地激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力。表1所示為電解加工實(shí)驗(yàn)課程改革前、后的教學(xué)效果對比，表中可見，改革后實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程在出勤頻率、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及教學(xué)效果等幾個方面均取得顯著改善，學(xué)生的綜合素質(zhì)明顯提高，學(xué)生滿意教學(xué)過程，教師肯定教學(xué)效果。

表1 改革前、后電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況對比

5 結(jié) 語

以電解加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例開展了一系列創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，通過增加設(shè)計(jì)性、開放性的實(shí)驗(yàn)，貫徹學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，避免了機(jī)械性的模仿。結(jié)合電解加工技術(shù)特點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)過程分解成不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，由易到難，在學(xué)中做，在做種思，讓同學(xué)們真正體驗(yàn)學(xué)習(xí)的成就感和獲得感。此外，將研究型教學(xué)思想帶入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，針對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，鼓勵學(xué)生結(jié)合理論知識探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的原因。或者針對某一具體加工對象，引導(dǎo)學(xué)生探究加工過程及加工質(zhì)量的控制方法。根據(jù)上述改革措施，構(gòu)建了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程和實(shí)驗(yàn)成績考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐表明，該改革方案成效顯著。