自制實驗設備在大學生創新實踐能力培養中的應用與教學探索

葛正輝， 朱永偉， 宋愛平， 龔俊杰

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。當前，新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑，培養具有創新實踐能力的高素質復合型人才對于推動社會經濟發展、提升國家核心競爭力、支撐我國的世界強國地位具有重要意義［1-2］。

大學教育是培養具有高尚人格和較強創新能力人才的主要渠道和重要手段，肩負著為國家選拔和培養高素質創新實踐人才的重要使命［3-4］。高校實驗室是培養學生創新精神、實踐能力和科學思維方式的重要平臺，重視實踐教學，提升實驗教學質量，是培養學生實踐能力、創新能力和工程素養的重要途徑［5-6］。然而，目前大學生創新實踐能力培養與社會需求脫節，實驗室在創新實踐教育中作用發揮不夠。自制實驗教學設備是高校在市場上沒有或現有設備質量、性能不能滿足實驗教學需求的情況下，依據本校教學現狀和培養目標，自主研制的實驗教學裝置，具有顯著的適用性、時效性和創新性等特點，是培養當代大學生創新能力和實踐能力的有效途徑［7］。調研發現，以美國為代表的發達國家，非常重視自制實驗設備的研制工作，并在實踐教學中取得有效成效。在國內，越來越多的高校也相繼開始重視實驗裝置的自主研制工作［8-9］。

我校是江蘇省和教育部共建高校，是全國首批博士、碩士學位授予單位。近年來，學校非常重視學生創新能力和實踐能力的培養工作，大力支持教師自主研制實驗教學設備［10］。本文以機械類專業特種加工、先進制造技術等課程的實驗教學為例，自主研制電化學實驗教學設備，并在此基礎上進一步創新教學方法和教學手段，促進學生創新能力和實踐能力的提升，為培養服務地方經濟發展的高素質復合人才創造條件。

1 教學平臺研制

電解加工（Electrochemical Machining，ECM）是一種基于陽極工件的電化學溶解作用去除材料的非接觸式的先進制造方法，在國防、航空、航天、能源、醫療、生物等領域的高科技裝備中具有廣泛的應用［11-12］。電解加工是特種加工、先進制造技術等制造類相關課的重要組成部分。然而，電解加工設備價高且維護成本大，一般高校難以具備相應的實踐教學資源。老師僅依靠課堂理論教學開展電解加工相關內容的教學活動，學生無法真正理解電解加工原理及其工藝特性，難以達成提升創新能力和實踐能力的培養目標。

學校特種加工技術研究團隊長期承擔特種加工、先進制造技術等課程的教學和研究工作，深耕電解加工及其復合加工技術研究。近10 余年來主持國家自然科學基金、國防預研基金、江蘇省自然科學基金等省部級以上科研項目20 余項，獲得國防科學技術進步二等獎、中國高校技術發明二等獎等省部級以上科研獎勵5 項，在電解加工技術領域積累了豐富的研究經驗［13-15］，為自制電解加工實驗教學平臺的研制提供豐富的理論基礎和研究經驗。

1.1 自研實驗設備的目標和思路

實驗教學是培養學生創新思維和實踐動手能力的重要環節，自制實驗教學設備不僅緩解了學生人數多、實驗設備臺套數不足的困境，而且可以解決市場上現有教學設備功能不足、教學內容陳舊等實際問題。我校特種加工技術團隊在常年教學實踐和科研探索的基礎上，緊扣大學生實踐創新能力提升的培養目標，從實驗前的準備、實驗過程中的操作和觀測、實驗結束后的試樣檢測與數據分析及實驗報告撰寫等環節全面提升學生創新實踐能力。因此，擬自制集知識性、綜合性、工程性、研究性為一體的實驗教學設備的目標如下：

（1）契合度高、操作性好。圍繞大學生創新實踐能力培養目標，結合專業培養大綱需求和電解加工實驗特點，突破示范性、驗證性行的實踐教學模式，設計構建契合大學生創新實踐能力培養需求的，具有功能性強、操作性能好、實用性能高、經濟成本低的電解加工實踐教學平臺。

（2）實驗功能多、集成度高。實驗參數對實驗結果有著必然的影響，自研設備需增加各個實驗參數調節和檢測裝置，開拓實驗功能的多樣性，豐富實驗環節的集成度。實踐教學中，可通過試驗設計環節，開展不同實驗目的的實驗教學環節，改善現有程序化的示范性和驗證性的實驗教學模式，滿足創新實踐能力培養中多層次實驗教學的需求。

（3）具有良好的實驗體驗性和實驗觀賞性。實驗過程對實驗結果有著重要影響，自研設備需巧妙設計實驗關鍵裝置，使得實驗過程具有更好的體驗性和觀賞性。實驗過程中，同學們可清楚地觀察參數變化對實驗產生的影響，幫助學生進一步深入理解課程基本知識及其原理。其次，學生可參與實驗設備組裝、調試等實踐過程，強化學生動手能力和創新思維。

（4）深度融合科研與教學。自研設備在滿足驗證性和示范性的基礎實踐教學需求的同時，進一步提升實驗平臺的功能性和實驗過程參數調控的精準性，滿足青年教師和研究生的科研實踐要求。繼而將科研成果反饋給實驗教學，進一步豐富實踐教學內容，改善現有實踐教學內容陳舊的現狀，激發同學們開展科研探索的興趣和熱情，實現教學促進科研、科研反哺教學的良性互補。

（5）打造特性鮮明的實踐教學體系。依靠自制實踐教學設備良好的功能性和實用性，開展實踐教學改革，不斷豐富實踐教學內容、創新實踐教學方式，激發學生主動參與、自主設計的實驗熱情，促使學生從被動吸收到主動探究的轉變，建立理論教學、實踐教學與科研實踐的深度互動模式，形成具有鮮明特色的大學生創新實踐能力培養體系。

1.2 自研電解加工實驗平臺簡介

我校特種加工技術團隊以培養學生創新能力和實踐能力為目標，結合實際教學需求，自主研制多功能電解加工綜合實驗教學平臺，主要由實驗介紹與分析裝置、電解加工試驗夾具裝置、電解液調溫系統、電解液循環與過濾系統、供電回路與電參數檢測系統5 部分組成，如圖1 所示。

圖1 自主研制電解加工實驗教學平臺的組成示意

各部分組成及功能如下：

（1）實驗介紹與分析裝置。由存儲顯示屏、加工數據采集卡、各種傳感器組成。存儲顯示屏演示電解加工中陽極材料去除過程和實驗操作過程規范，同時利用高精傳感器采集加工中的電流、電壓等加工參數［16］。加工結束后，對加工試樣進行檢測，并結合加工過程中采集的試驗數據，分析不同加工參數對加工結果的影響規律，培養學生在實踐過程中的思考能力與創新意識。

（2）電解加工試驗夾具裝置。由上壓板、下底座、陰極工具、陰極夾持塊、陽極工件、陽極夾持塊等部分組成。使用過程中，陰極工具安裝在上壓板上，陽極工件安裝在下底座上，上壓板和下底座通過拉扣壓緊，并通過上下引電裝置分別將陰極工具與電源負極相連、陽極工件與電源正極相連。實驗過程中，可通過更換陰極工具，可完成多種結構形式的陽極型面加工。

（3）電解液調溫系統。由加熱器、循環泵和溫度檢測器組成，其中加熱器負責給電解液加熱，循環泵促使電解液流動，確保整個槽內電解液加熱均勻，溫度檢測器監控電解液溫度，當槽內電解液溫度達到預定數值時，即關閉加熱器和循環泵。

（4）電解液循環與過濾系統。由離心泵、調壓閥、溢流閥、壓力表、過濾板框、清液槽和濁液槽等部分組成，其中多級離心泵將清液槽中電解液泵入加工區域，調壓閥用來調節電解液壓力使之滿足電解加工需求，溢流閥將過多的電解液流回送到清液槽，流經加工區域后的電解液流入濁液槽。離心泵將濁液槽中電解液泵入過濾板框，過濾板框濾出電解加工產物，并將過濾后的電解液輸送到清液槽，實現電解液循環使用。

（5）供電回路與電參數檢測系統。由大功率電源、加工參數采集裝置等部分組成，其中大功率電源向加工裝置中的陽極工件和陰極工具提供較小的電勢差和較大的電流，達到電化學加工的需要。加工參數采集裝置對加工過程的電壓信號和電流信號進行監控和采集，并將采集到的數據輸送給計算機。

自主研制多功能電解加工綜合實驗教學平臺實物如圖2 所示，通過巧妙構思和設計，在簡單的工裝夾具和實驗系統上，即可完成復雜電解加工技術的實踐和演示過程。同時，該平臺深度融合信息技術和傳統實驗教學需求，通過高精傳感器技術實現加工參數的在線檢測和監控，可直觀地表達不同加工參數對加工結果的影響規律，有利于激發同學們的學習熱情和思考意識，達到培養學生敢于實踐、智于創新的能力和教學目的。

圖2 自主研制多功能電解加工綜合實驗教學平臺

2 實踐教學改革與創新

以提升學生創新能力和實踐能力為培養目標，滿足經濟社會高速發展對高素質創新型人才的迫切需求，依靠自主研制多功能電解加工綜合實驗教學平臺，針對電解加工技術特點及實踐教學培養目標，開展實踐教學改革，構建如圖3 所示的六維度創新實踐教學模式。

圖3 培養目標與創新實踐教學模式

（1）堅持以學生為中心的教學理念。為了更好地達到提升學生創新能力和實踐能力的教學目的，實驗過程中始終堅持以學生為中心的教學理念，幫助和引導學生成為實驗的主人，激發學生的學習熱情和動力。實驗過程不再是簡單的操作和演示，要讓學生參與其中，就要引導學生做好足夠的前期基礎知識檢索和整理，讓學生帶著問題來開展實驗，并在實驗中解決問題。同時，豐富實驗內容、開展研究型實驗教學，將實驗過程的參數檢測與調控和實驗結果結合起來，克服傳統實踐教學中教師示范教學演示、學生機械化模仿的缺陷，通過多重實驗手段和現代化的信息科學技術，激勵同學們利用所學的基礎科學文化知識，探索先進的制造技術之謎。

（2）改進考核方法。此外，改變傳統主要以實驗報告內容評定學生實驗成績的單一考核方法，構建多維度考評體系，關注學生實踐學習過程中的主動性、科學思考能力和解決問題能力，通過考查學生實驗操作技能、實驗設計表現、加工過程調控、加工結果分析及實驗報告5 部分的內容綜合評定學生成績，讓學生在實踐課程中獲得實踐能力和科學探索能力的綜合提升。

（3）建立三層次創新實踐教學體系。在充分尊重教學規律的前提下，建立三層次創新實踐教學體系，如圖4 所示。整個實驗過程被分為3 個階段完成，第1階段主要是鍛煉學生的基礎實踐能力，該階段實驗內容簡單、實驗目的單一，主要是通過教師示范操作和驗證性實驗，讓學生了解實驗系統基本組成及電化學加工基本原理，夯實課堂理論知識。第2 階段主要是幫助學生養成科學的創新思維能力，該階段實驗內容豐富、實驗目的較為復雜，需要學生自主參與實驗方案設計，通過開展研究型實驗，探討多因素對加工過程和加工結果的影響規律，幫助學生構建立體化的知識體系，培養學生科學的創新思維方式。第3 階段主要是培養學生的創新實踐能力，該階段要求學生初步具備解決復雜工程問題的能力，要求學生能夠根據實驗過程中遇到的實際問題，提出有效的解決方案，并能設計合理的實驗過程、選擇優化的加工參數，獲得理想的加工效果，完成學生創新能力和實踐能力的培養。

圖4 三層次創新實踐教學體系

（4）構建大學生創新實踐能力提升的實踐教學體系。基于自制的實踐教學設備，構建如圖5 所示的大學生創新實踐能力提升的實踐教學體系，包括實驗準備、一階實驗、二階實驗、三階實驗及實驗報告提交等環節。實驗準備階段主要讓學生明確實驗目的和實驗意義，熟悉課本基礎理論和開展必要的文獻調研，為接下來3 個階段實驗過程中創新思維能力和創新實踐能力的提升打下堅實基礎。在此過程，為進一步增強趣味性，提升同學們開展實驗的興趣和熱情，實驗指導教師團隊自主拍攝了視頻短片幫助同學們復習基礎理論，明確實驗內容、實驗要求和實驗目的。一階實驗主要培養學生基礎實踐能力，實驗教師首先向同學們介紹基本的實驗操作規范，保障實驗過程的安全性，繼而進行實驗系統介紹，幫助同學們了解實驗設備的基本構成。開展示范性教學實驗，讓同學熟悉實驗操作基本流程和規范，進而由學生自主進行驗證實驗，深化對本實驗涉及的基礎理論的理解。二階實驗主要培養學生創新思維能力，在了解實驗內容和實驗目的基礎上，要求同學分組商討實驗方案設計，進行不同參數下的實驗研究，并依據基礎理論和實驗結果獲得優化的實驗參數，最終較好地實現加工試樣成形。三階實驗主要培養學生創新實踐能力，通過觀察實驗現象及加工參數信號變化，分析實驗過程的平穩性，并預測實驗試樣的加工效果。實驗結束后，對加工試樣進行表面粗糙度、加工效率等重要參數檢測，并結合實驗過程中檢測到的加工參數進行分析，探索實驗參數的耦合關系對加工效率及表面質量的影響等工程問題。最后，通過分析實驗參數和撰寫實驗報告提升學生對實驗結果的處理與分析能力、寫作與表達能力。

圖5 基于自制實驗教學平臺的創新實踐能力培養體系

3 實施成效

本自制設備運行以來已完成機械設計制造及其自動化、智能制造工程等多個專業相關課程的實踐教學活動，合計受益的本科生和研究生超過300 人次，取得較好的教學效果。如表1 所示，學生學習積極性和主動性得到顯著提高，具體表現在出勤率大幅提高，除了完成基礎教學課時任務外，學生能夠主動了解實驗設備和實驗原理，實驗準備工作更為周全。其次，實驗過程的表現也得到顯著改善，改革前個別學生操作，“眾人圍觀”的現象現已得到顯著改變，小組成員能夠積極參與實驗過程，仔細觀察實驗現象，認真總結加工規律。尤其是在二、三階段研究性實驗過程中，同學們踴躍發言，參與討論，試圖找到解決問題的辦法。

表1 自制電解加工綜合實驗平臺使用前后教學情況對比

教學效果得到有效改善，學生創新實踐能力獲得顯著提升，具體表現在學生評教滿意度提升，且留言好評增大，從改革前22.6%上升到67.4%。其次，學生自主開展實踐探索和科學研究的人數提升，更多學生參與到學科競賽，獲得省部級以上競賽獎的比例從改革前12.6%上升到改革后38.8%。學生撰寫專利人數比例從改革前3.6%上升到改革后的23.4%。升學意愿從改革前48.2%上升到改革后的67.6%。更有許多學生因為參與自制實驗教學設備的實踐活動和科研探索對先進制造技術產生濃厚興趣，在繼續深造的過程中繼續從事先進制造技術方面的相關研究。

4 結 語

高校自主研制的實驗教學設備能夠緊密貼合學校實踐教學現狀和實踐教學需求，具有顯著的適用性、時效性和創新性，是提升當代大學生創新能力和實踐能力的有效途徑。本研究以特種加工、先進制造技術等課程的電解加工實踐教學為例，自主研制多功能電解加工綜合實驗教學平臺，極大地豐富了實踐教學內容，并在此基礎上進一步創新教學方法和教學手段，提出以學生為主體的三層次實踐教學體系，促進了學生創新能力和實踐能力的提升，取得了顯著的教學效果。為本科實踐教學起到了積極的示范作用，具有較好的推廣應用價值。