新工科背景下的“機(jī)械制造工藝學(xué)”課程改革與實(shí)踐

周 凱，楊 帥，張景淘，王 震，龍曉軍

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)后勤管理處，山東 泰安 271018）

0 引言

復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南，構(gòu)建了國(guó)內(nèi)新工科課程建設(shè)的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了工程教育改革的新途徑。新工科的提出，其核心思想在于一個(gè)“新”字，而內(nèi)涵必然是“創(chuàng)新”[1-2]。相比于傳統(tǒng)類型的老工科，新工科建設(shè)更突出多學(xué)科的交叉性、實(shí)用性與智能化等特點(diǎn)，特別注重區(qū)塊鏈、人工智能、數(shù)據(jù)傳輸、智能通訊、電子控制、軟件開(kāi)發(fā)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合[3]。因此，新工科貫穿的使命就是促使高等院校實(shí)施創(chuàng)新的人才培養(yǎng)模式，培育出適應(yīng)于新時(shí)代的創(chuàng)新型人才。教育部把“新工科”的“新”概括為：分類發(fā)展的新體系、課程專業(yè)的新目標(biāo)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、工程教育的新思想。

近年來(lái)，國(guó)家高新科技產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，創(chuàng)新性人才缺口很大，對(duì)其需求迫在眉睫。因此培養(yǎng)切合新工科所要求的高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才，以成為我國(guó)工科教育課程改革急需解決的問(wèn)題。欲提高教學(xué)質(zhì)量，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，建立知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與素質(zhì)提高三位一體全面發(fā)展的教育理念。本項(xiàng)目總體目標(biāo)是：通過(guò)理論+實(shí)踐的課程體系建設(shè)，基于工程案例的互動(dòng)式教學(xué)和基于虛擬仿真技術(shù)的工程實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方式[5-6]，開(kāi)展“大數(shù)據(jù)”“大制造”“人工智能”“云制造”“機(jī)器學(xué)習(xí)”等方向的課程建設(shè)項(xiàng)目，推動(dòng)大學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，形成完備的知識(shí)體系，最終培養(yǎng)出滿足未來(lái)需求的交叉復(fù)合型工程科技人才。

1 教學(xué)改革框架

針對(duì)機(jī)械制造工藝學(xué)課程特點(diǎn)，在內(nèi)容組織、環(huán)節(jié)安排、方法改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面著手，解決好教學(xué)中的各種問(wèn)題，使學(xué)生高效掌握所學(xué)知識(shí)和技能是搞好課程改革的關(guān)鍵。具體教學(xué)改革框架如圖1（P137）所示。主要包含以下三個(gè)方面。

圖1 教學(xué)改革框架

1.1 理論+實(shí)踐課程體系建設(shè)

在教學(xué)模式的探索過(guò)程中，創(chuàng)建“工學(xué)結(jié)合”的教學(xué)模式，使機(jī)械制造工藝學(xué)的課堂理論教學(xué)與實(shí)際工程實(shí)踐密切結(jié)合。理論實(shí)踐一體化的教學(xué)模式突出了“實(shí)踐、探索、研究”的教學(xué)理念，以問(wèn)題為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為核心，加強(qiáng)課程與科研課題的銜接和整合，為工程專業(yè)領(lǐng)域的研究提供課程知識(shí)和實(shí)踐方法論。主要包括：

（1）教學(xué)方法的靈活性。

（2）注重教學(xué)內(nèi)容中的理論與實(shí)踐相結(jié)合。

（3）突出新型教學(xué)理念。

1.2 基于工程案例的互動(dòng)式課堂教學(xué)

互動(dòng)式工程案例教學(xué)，作為一種新穎的教學(xué)改革措施，主線在于典型工程案例，例如：物料運(yùn)輸、車間裝配、車間調(diào)度等工程案例。在工程案例中全面貫穿即將要講授的理論知識(shí)，在這個(gè)前提下構(gòu)建形象生動(dòng)的完善的課程體系。就互動(dòng)式案例教學(xué)來(lái)講，顧名思義，其具有雙向互動(dòng)性，這里的雙向是“教”和“學(xué)”，師生在雙向互動(dòng)中，利用解決問(wèn)題和提出問(wèn)題的過(guò)程，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生的互動(dòng)參與度，有效改善課堂教學(xué)效率低下的情況，從而構(gòu)建新型的“高效課堂”。主要包括：

（1）激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（2）提高學(xué)生數(shù)學(xué)分析和解算能力。

（3）計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用指導(dǎo)作用。

1.3 基于虛擬仿真技術(shù)的工程實(shí)訓(xùn)

虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)步日新月異，現(xiàn)階段大多前沿應(yīng)用問(wèn)題都依托虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，既可以檢測(cè)方法的可行性，又可以由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)相應(yīng)的方法或算法，因此，將虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用等前沿應(yīng)用熱點(diǎn)問(wèn)題引入到課程教學(xué)中勢(shì)在必行。“學(xué)有所用，學(xué)為今用”應(yīng)是機(jī)械類專業(yè)最終要完成的任務(wù)，因此在教學(xué)過(guò)程還在那個(gè)應(yīng)著重解決的問(wèn)題是：

（1）注重學(xué)科前言知識(shí)的引導(dǎo)作用。

（2）理論知識(shí)與仿真分析軟件的結(jié)合。

（3）虛擬仿真分析與工程實(shí)訓(xùn)的結(jié)合。

1.4 課程反饋與改進(jìn)體系建設(shè)

構(gòu)建一套符合機(jī)械制造工藝學(xué)課程的課程反饋機(jī)制，學(xué)生將對(duì)機(jī)械制造工藝學(xué)課程改進(jìn)教學(xué)方式的意見(jiàn)反饋至雨課堂等網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放資源。指導(dǎo)老師可以依據(jù)學(xué)生反饋的意見(jiàn)對(duì)機(jī)械制造工藝學(xué)的課程內(nèi)容與教學(xué)方式進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以提高教學(xué)質(zhì)量。主要包括：

（1）建立并完善機(jī)械制造工藝學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。

（2）借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將課程意見(jiàn)反饋至雨課堂等信息平臺(tái)。

（3）擴(kuò)展教學(xué)知識(shí)內(nèi)容，擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備。

2 教學(xué)改革實(shí)施計(jì)劃及步驟

基于機(jī)械制造工藝學(xué)課程的改革與實(shí)踐，需要根據(jù)前述項(xiàng)目研究思路中擬解決的三個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，穿插、協(xié)同進(jìn)行。并將研究成果歸納提煉，建成網(wǎng)絡(luò)在線開(kāi)放資源。具體步驟如下：

（1）針對(duì)課程理論與實(shí)踐銜接不緊密的問(wèn)題，引入理論+實(shí)踐課程體系。由于機(jī)械制造工藝學(xué)這個(gè)課程主要處理的是機(jī)械工程實(shí)踐中的技術(shù)問(wèn)題，并且對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力要求較高，現(xiàn)有的課程實(shí)踐內(nèi)容過(guò)于陳舊且與實(shí)際相關(guān)性較低，導(dǎo)致學(xué)生在理論學(xué)習(xí)階段對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不夠透徹，易導(dǎo)致實(shí)踐過(guò)程中脫節(jié)，使學(xué)生很難深入理解課程專業(yè)知識(shí)。并且目前機(jī)械制造車間越來(lái)越趨向于基于大數(shù)據(jù)的智能制造，亟須對(duì)課程的內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行改革。

在課程理論上，將所講內(nèi)容的重點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)際生產(chǎn)相互結(jié)合，淡化與教學(xué)主線關(guān)系不大的內(nèi)容；在教學(xué)實(shí)踐上，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，同時(shí)，密切結(jié)合教學(xué)和實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用工藝知識(shí)、分析零件結(jié)構(gòu)工藝性的基本能力，并且使同學(xué)們了解與本課程有關(guān)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合，確實(shí)達(dá)到“厚基礎(chǔ)、寬實(shí)踐”的基本教學(xué)要求。

以“機(jī)械制造工藝學(xué)”課程中的“工藝尺寸鏈”的計(jì)算為例。在尺寸鏈的計(jì)算過(guò)程的重點(diǎn)是建立尺寸鏈和判斷封閉環(huán)，其決定工序尺寸的計(jì)算結(jié)果。針對(duì)尺寸鏈的計(jì)算和尺寸鏈相關(guān)概念缺乏清晰認(rèn)識(shí)等問(wèn)題，以實(shí)際零件的全加工流程為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和案例分析，使同學(xué)們對(duì)尺寸鏈的概念和計(jì)算方式有直觀的感受。以汽車的變速器倒擋裝置為例，首先，提出裝配的各尺寸設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)裝配尺寸問(wèn)題進(jìn)行深入思考；然后，老師引導(dǎo)學(xué)生分析零件與裝配工程圖，分析相互關(guān)聯(lián)的尺寸，建立工藝尺寸鏈，并進(jìn)行分析和求解；其次，同學(xué)們對(duì)工藝尺寸鏈進(jìn)行建立、分析、求解；最后，歸納總結(jié)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)工程實(shí)例深入解讀，從而提高學(xué)生的機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)能力。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)形式，提升學(xué)生的興趣和好奇心，啟發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工藝設(shè)計(jì)能力。

（2）針對(duì)教學(xué)模式單一枯燥的問(wèn)題，引入基于工程案例的互動(dòng)式教學(xué)。通過(guò)研究“機(jī)械制造工藝學(xué)”課程內(nèi)容，分析理論教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)現(xiàn)有相關(guān)案例資源進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)其進(jìn)行分類分析，設(shè)計(jì)適合學(xué)生的教學(xué)環(huán)節(jié)；嘗試?yán)靡苿?dòng)互動(dòng)平臺(tái)完成學(xué)生課堂和課后的實(shí)踐體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，建立課堂內(nèi)的質(zhì)量保證體系和課外體驗(yàn)平臺(tái)；完善現(xiàn)有的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，建立課前+課內(nèi)+課后動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的新模式，不僅檢驗(yàn)學(xué)生理論知識(shí)的掌握程度，實(shí)現(xiàn)了人才的全面培養(yǎng)。

由于，目前課堂教學(xué)過(guò)于注重理論知識(shí)的講解，課堂氣氛較沉悶，一個(gè)符合課程內(nèi)容的工程實(shí)例可以有效提高學(xué)生的興趣和課堂的活躍度。在課程每一章的講解過(guò)程中加入1到2個(gè)大案例，以車間調(diào)度為例，通過(guò)對(duì)大量工序的合理安排，減少機(jī)械加工制造所用的時(shí)間，可以提高車間的加工效率，通過(guò)此案例，同學(xué)們可以對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)、工序安排、設(shè)備加工等內(nèi)容有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。但是，課程導(dǎo)入和學(xué)生展示的工程案例必須是緊貼課程內(nèi)容的工程案例。如果所選用工程案例的重點(diǎn)與課程內(nèi)容出現(xiàn)偏差，容易降低同學(xué)們探索未知領(lǐng)域的興致，最終導(dǎo)致教學(xué)成效降低。

（3）針對(duì)無(wú)法直觀感受真實(shí)車間和檢驗(yàn)實(shí)踐能力的問(wèn)題，引入基于虛擬仿真技術(shù)的工程實(shí)訓(xùn)。通過(guò)Unity等仿真軟件可搭建車間現(xiàn)場(chǎng)的虛擬平臺(tái)，同學(xué)們通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行虛擬沉浸式體驗(yàn)，可以對(duì)車間加工過(guò)程進(jìn)行全方位立體的感受，將使用者的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)與外界的環(huán)境分離開(kāi)來(lái)，促使其在沉浸體驗(yàn)中，完成機(jī)械制作相關(guān)流程的學(xué)習(xí)中，最終達(dá)到相關(guān)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)；通過(guò) Plant Simulation、Flexsim等數(shù)值模擬軟件對(duì)具體機(jī)械加工制造流程進(jìn)行虛擬仿真，可以驗(yàn)證加工的合理性和可行性。可有效避免在傳統(tǒng)工廠操作中出現(xiàn)的原材料耗損等現(xiàn)象，節(jié)約人力成本的開(kāi)支，提升工作效率；有機(jī)的結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和機(jī)械制造工藝學(xué)中較難理解的抽象知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型交互式課件，提高課件操作的交互性，表現(xiàn)的生動(dòng)性，同時(shí)提升學(xué)生的參與度，幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)。

（4）將重要教學(xué)案例等進(jìn)行歸納總結(jié)，由老師指導(dǎo)學(xué)生建立微信公眾號(hào)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等開(kāi)放資源，供校內(nèi)外學(xué)生學(xué)習(xí)使用。根據(jù)“機(jī)械制造工藝學(xué)”課程教學(xué)目標(biāo)，借助于互聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)技術(shù)，建立并完善機(jī)械制造工藝學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，形成一整套完善的互動(dòng)式課堂教學(xué)資料。豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源為學(xué)生以問(wèn)題為引導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，突出了新工科學(xué)習(xí)特點(diǎn)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)學(xué)生在雨課堂等大數(shù)據(jù)平臺(tái)或以作業(yè)的形式提出各種改進(jìn)教學(xué)方式的意見(jiàn)，老師可以根據(jù)學(xué)生反饋的意見(jiàn)對(duì)“機(jī)械制造工藝學(xué)”的課程內(nèi)容與教學(xué)方式進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

3 工作成效與思考

通過(guò)大量的教學(xué)探索與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的開(kāi)展，最大限度地提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐基礎(chǔ)和能力，增強(qiáng)了校園中創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)習(xí)氛圍，同時(shí)構(gòu)建了以教師主導(dǎo)學(xué)生為主體的多元立體化、創(chuàng)新性、物聯(lián)網(wǎng)的智慧課堂。讓學(xué)生進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)，從而構(gòu)建“機(jī)械制造工藝學(xué)”的基本知識(shí)框架，當(dāng)遇到課程問(wèn)題時(shí)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)反饋給老師，老師會(huì)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行匯總、整理，然后為同學(xué)們進(jìn)行解答，最后同學(xué)們對(duì)新問(wèn)題進(jìn)行整理研究，再學(xué)習(xí)，再實(shí)踐解決問(wèn)題，從而鞏固吸收課本上的新知識(shí)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)踐教育，收獲了良好的教學(xué)效果。