機械制造訓練線上線下混合式教學實踐探索

初紅艷 程強 劉志峰 趙永勝 楊聰彬

[關鍵詞]機械制造訓練;混合式教學;虛擬仿真;考核評價方式

機械制造訓練是北京工業大學機械工程專業面向三年級本科生開設的綜合性實踐訓練環節。調查發現，目前工程制造類專業學生綜合運用課程所學知識從事實際工作、解決實際問題的能力僅處于“中等水平”，制造類本科人才培養質量與先進制造發展要求不相適應[1]。其存在的主要問題是課程割裂，沒有或較少考慮前后課程之間的有機銜接，課程之間或學科之間缺少交叉融合，學生綜合運用知識的能力比較弱， 能解決跨界的復雜工程問題的人才不足[2-3]。北京工業大學的教學實踐也存在類似問題。目前學生熱衷于參加各級各類科技競賽，如數字化設計大賽、機械創新大賽等，在結構設計、創新設計等方面表現出較強的專業能力，能在各種競賽中獲得獎項，但是在對其獲獎作品進一步開發時往往發現存在各種問題，如根本無法加工或加工成本過高等，其主要原因是學生不具備綜合運用設計、工藝等方面知識的能力。

在新工科建設背景下，相關高校都在積極探索學生綜合實踐能力培養的有效途徑。比如燕山大學在金工實習環節引入學科競賽的內容，學生通過全程親自完成參賽作品的工件設計、操作設備和動手調試等環節，使其總體方案設計能力、加工工藝意識和創新能力得以大幅提高[4]。西安理工大學將機械類專業實踐教學改革與創新創業教育深度融合，學生在“金工II”實踐環節可以結合各類創新創業競賽主題自主選擇課題，自行完成設計、加工、調試環節，通過該實踐環節加工出的作品可以直接參加相對應的創新創業競賽[5]。北京工業大學機械工程專業的機械制造訓練環節則打通課程之間的界限，串起相關課程內容，實現對學生能力的綜合培養。

一、機械制造訓練環節的內容

北京工業大學的機械制造訓練是在機械工程專業本科生完成互換性與公差配合實踐、機械制造技術基礎、工程材料及成形技術基礎等課程學習之后進行的綜合性實踐訓練，屬于實踐環節必修課。通過該實踐訓練，學生要能夠綜合運用理論課上學習到的知識，包括根據實際機械產品的功能和用途為相關零件選擇合適的工程材料，正確評價零件的結構工藝性，根據現有生產條件制訂零件的加工工藝方案，熟悉數控機床的程序編制，同時通過完成一個實際機械產品的加工、裝配及檢驗，熟悉機械制造訓練現場的行為規范，理解并掌握工程管理原理與經濟決策方法。

二、線上線下混合式機械制造訓練的實施

混合式教學是將在線教學和傳統面授教學結合起來的一種“線上+線下”的教學模式。線上部分與線下部分組成一個完整的有機體，其中線上部分是整個教學環節的基礎與保障，線下部分則是基于線上學習的更加深入的教學活動，并不是傳統課堂教學活動的照搬。該方式可以豐富教學的內容與形式，提高學生的學習興趣，鍛煉學生的獨立思考能力與自學能力，培養學生良好的學習習慣。

混合式教學不僅適用于理論課程，也同樣適用于實踐課程。例如哈爾濱理工大學在其數控銑實訓課程中進行了線下教學向線上引入的嘗試，讓學生在線上學習基礎知識，線下動手操作，以此延長實訓實操的時間，把部分課堂時間變成實際機床操作時間[6]。

機械制造訓練作為面向高年級本科生開設的綜合性實踐環節，其在學生能力培養中所起的作用既包括技術能力的培養，如“設計/開發解決方案”能力，又包括非技術能力的培養，如“環境和可持續發展”“個人和團隊”“溝通”“項目管理”等能力。因此其線上線下混合式教學為線上學習與線下實訓相混合、虛擬仿真與實踐加工相混合的雙層混合式教學。

（一）線上學習與線下實訓相混合

機械制造訓練通過典型機械產品的加工、裝配和檢驗，使學生具備在結構設計時能分析其加工工藝性和裝配工藝性的能力。線上學習資源圍繞學習、實訓的需求，提供冷/熱加工工藝制定的學習資料清單以及盤套類、軸類、箱體類零件加工工藝制定與熱處理工藝制定PPT，供學生學習;并結合校內現有設備資源，提供設備基本原理與操作、典型零件加工與檢驗等方面的指導性視頻。其線上學習資源清單如圖1所示。

線下實訓環節安排在校內機械工程訓練中心，學生根據自己制定的工作流程，親自操作設備進行實際零件的加工并檢驗是否達到設計要求，對于校內不具備加工條件的環節則進行適當的外協。學生要在規定的時間內完成零件的加工、外協以及標準件采購并最終完成產品裝配。通過這樣一個完整的產品開發過程，有利于提高學生解決復雜工程問題的能力，尤其是使其具備結構設計時能進行加工工藝分析和裝配工藝分析的意識與能力，實現對其技術能力的培養;在非技術能力培養方面，機械訓練現場的實訓能使學生對工程和工程師的素養有更深刻的理解。由于該訓練采用項目小組制，組內學生既有分工又有合作，因此可以實現對學生獨立動手和思考、分工與合作解決復雜工程問題能力的培養。實訓過程中的人員安排、進度控制、原材料與標準件的采購等則使學生可以理解經濟管理與成本控制。

（二）虛擬仿真與實踐加工相混合

機械產品開發制造過程中，既有切削加工等冷加工，又有鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工。虛擬仿真與實踐加工相混合，既包括采用冷熱加工的虛擬仿真軟件進行數控加工、鍛造成形、熱處理等仿真，并基于仿真結果進行實踐加工，也包括利用線上開放的國家虛擬仿真實驗教學項目進行學習，以此來實現對不具備實驗條件的實踐項目的學習，或指導線下實踐加工。線上可供學習的國家虛擬仿真實驗教學項目清單如表1所示。

以北京工業大學開發的典型機械產品鑄造成形虛擬仿真實驗教學項目為例，該項目以五種典型零件（減速器箱體、箱蓋以及軸系上的悶端蓋、透蓋、擋油環）為對象，采用兩種典型鑄造方式（砂型鑄造和消失模鑄造），可以進行鑄造工藝圖設計，真實鑄造車間場景內的鑄型制作及鑄造成形，以及液態金屬填充、凝固和冷卻的仿真過程觀察及工藝和產品性能分析。鑄造成形高溫、危險性大、無法肉眼觀察、部分地區不具備鑄造條件，采用虛擬仿真實驗可以很好地解決上述問題。訓練過程中，學生通過虛擬仿真實驗完成各自所負責零件的鑄造工藝設計與成形仿真，然后在線下手工粘制消失模鑄造的泡沫模型，并在外協廠進行鑄造成形。通過線上虛擬仿真與線下實際加工相結合的方式，既可以解決校內不具備實操條件、無法實際鑄造并觀察的問題，又可以使學生掌握對鑄件進行鑄造工藝設計的相關知識，以保證實際鑄造成形的成功率符合要求。

三、線上線下混合式機械制造訓練的考核與評價

機械制造訓練的線上線下混合式教學方式及其所發揮的技術能力和非技術能力培養的作用，決定了其應該采用多階段考核與多角度評價的考核與評價機制。

（一）多階段考核

線上考核注重學習效果，線下考核注重實踐效果。

線上學習階段，根據訓練的進度安排，任課教師定期在線上發布學習任務，學生需要在指定時間內完成學習，并在學習過程中完成相應的練習與考核，考核合格后可以進入下一階段的學習或實訓。表2為線上學習資源的考核題示例。圖2為虛擬仿真項目實驗報告的教師批改頁面。

線下實訓階段采用既考核產品的完成質量又考核項目的實施過程的兩級考核方式，由以任課教師為主的考核小組對各項目組進行考核，并給出考核結果。

（二）多角度評價

基于《華盛頓協議》的工程教育專業認證的基本理念是成果導向、以學生為中心以及持續改進。而持續改進是在評價學習效果的基礎上進行的。機械制造訓練環節既支撐技術能力的培養又支撐非技術能力的培養，因此需要從多個角度進行綜合訓練效果的評價。

通過最終完成的產品質量評價學生“設計/開發解決方案”的能力，通過材料選擇、工藝制定以及生產現場操作等考查其“環境和可持續發展”的能力，通過裝配圖與零件圖圖紙、工藝卡與工序卡等工藝文檔以及結題報告與PPT匯報等考查其與業界同行進行溝通與交流并陳述發言的能力即“溝通能力”，通過PPT匯報、團隊分工協作以及項目執行進度等情況評價其“個人與團隊”與“項目管理”等能力。

基于上述內容制定含有兩級指標的評價量規，其中一級指標包括“設計/開發解決方案”“環境和可持續發展”“個人與團隊”“溝通”“項目管理”，二級指標則是對一級指標的細分，比如一級指標“設計/開發解決方案”可以細分為四個二級指標即“面向制造的產品設計能力”“制定加工工藝規程能力”“產品試制與檢驗能力”“創新與自主意識”，每個二級指標又有四個等級標準，各標準有詳細的描述和對應的分數。評價采用任課教師評價與學生自評相結合的方式，可將評價結果繪制成如圖3、圖4所示的雷達圖，用于指導訓練效果的持續改進。

四、結束語

綜合性實踐訓練環節在學生的工程能力培養中具有重要作用。北京工業大學根據學校現有資源條件，考慮到課內學時有限等問題，采用線上線下混合式教學方式，充分利用線上學習資源，既包括本校提供的針對性很強的學習資源，又包括線上開放的國家虛擬仿真實驗教學項目等學習資源，提高了教學項目的吸引力和教學有效度;線下實訓則以線上學習為基礎，通過一個典型機械產品的加工、裝配與檢驗，實現對“設計/開發解決方案”“環境和可持續發展”“個人與團隊”“溝通”“項目管理”等能力的培養，使學生具備“解決復雜工程問題的能力”。