機械工程專業學位研究生高等機械工程學教學案例庫建設

孫玉晶，王高琦，劉 茵，周婷婷

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），濟南 250353；2.濟南大學，濟南 250022）

2015 年，教育部發布的《關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》（教研〔2015〕1號）中明確提出“案例教學是推動專業學位研究生培養模式改革的重要手段”[1]。因此，在課堂教學中嘗試采用案例教學法，面向新工科建設需要，以科研創新能力培養為主線，與學科發展前沿相結合，引導學生運用所學知識進行主動思考和分析，重現真實工程情境，實現課程結構融合、知識融合和能力融合，以尋找解決實際問題的最佳辦法，緊跟學科發展前沿，可拓寬研究生的科研視野，提升科研與創新能力，為研究生課題研究的順利開展奠定良好基礎[2-3]。

一、專業學位教學案例庫建設意義

高等機械工程學是齊魯工業大學機械與汽車工程學院高等機械工程學教研團隊開發的研究生省級優質課程，團隊成員專業包括機械制造及其自動化、機械設計及理論、機械電子工程和力學，研究方向涵蓋了先進制造技術、智能制造、先進設計理論及方法等方面，具有多學科交叉、各課程知識點綜合性強、理論知識抽象難以理解的特點。這就要求任課教師在課堂講授時不能只是簡單復述書本知識，而應緊密結合工程實踐，提高學生應對復雜工程問題的能力。

國內外關于機械工程專業高等機械工程學相關課程的教學案例研究比較少，已有的教學案例庫建設更多集中于本、專科階段，針對專業學位研究生的教學案例庫研究則非常少。雖然講授教師在之前的教學中會應用一些工程實例。但是這些工程實例都還未達到一個真正教學案例的要求。例如包含的知識點較為單一，缺乏綜合性和系統性；一些教學案例基于理論知識，而脫離工程實際；不少案例沿用多年，涉及的應用背景陳舊，不能很好地聯系本專業當前最新的科技發展前沿。因此，案例良好的教學效果不能夠得到體現，難以實現對研究生分析解決問題的能力、實踐能力和創新能力的培養。

合理優化高校人才培養結構，加大高層次應用型人才培養力度，著力促進以提升專業實踐能力和職業創新素養為導向的專業學位研究生教育的快速發展，是當前我國高等教育領域的一項重要改革任務[4]。因此，為了加強研究生對理論知識的系統掌握、拓寬研究生的科研視野、提升科研與創新能力和提高研究生分析解決實際問題的能力，建設與完善高等機械工程學相關課程教學特點相適應的教學案例庫具有重要的意義。

二、專業學位教學案例庫建設應用前景

中國機械工程學會面向未來20 年機械制造業發展，組編了《中國機械工程技術路線圖》。該路線圖在分析總結當前國際經濟和技術發展現狀及我國制造業發展態勢的基礎上，選擇了機械工程技術的產品設計、成形制造、智能制造、精密和微納制造、再制造和仿生制造6 大領域，研究制定了面向2030 年的中國機械工程技術發展規劃[5]。基于此背景，結合高等機械工程相關課程特色，建設一個適用于機械工程領域研究生培養的高等機械先進制造技術相關課程教學案例庫。本案例庫圍繞高速及超高速切削加工技術、增材制造技術、復合加工技術、表面工程技術和微納米制造技術等先進制造技術，從工程實踐中及與工程實踐密切聯系的優秀學術成果中提取素材，收集15 個機械領域學術前沿、工程生產實踐及項目組成員的相關科研成果案例。通過案例教學，可以使研究生了解學科前沿動態，感受企業生產實際，并在解決案例問題的過程中鞏固基礎知識，提高實踐能力和創新意識。通過案例教學和相關成果的推廣，可有效提高研究生的學習主動性和課堂互動性，并進一步激勵教師改善教學方法和提升教學水平，從而使課堂教學效果得到總體提升，同時對于進一步探討產學研合作新模式，推進應用型人才培養具有重要意義。

三、前期已開展的相關工作

高等機械工程學教研團隊在高速及超高速切削加工技術、增材制造技術、復合加工技術和微納米制造技術等領域具有豐富的科研經驗，將教師的科研成果引入到高等機械工程學課程的教學案例中，可實現科研與教學的良性互動；同時，教研團隊撰寫了國內首部高等機械工程學教材，以科研創新能力培養為主線，與學科發展前沿相結合，闡述高等機械工程理論知識體系，實現課程結構融合、知識融合和能力融合。

四、擬建設案例庫內容

依據機械專業學位研究生高等機械工程學課程內涵、教學大綱及教學目標，圍繞高等機械先進制造技術的內涵及特點擬定了5 個技術專題，涵蓋了高速及超高速切削加工技術、增材制造技術、復合加工技術、表面工程技術和微納米制造技術等內容，并針對每個專題和關鍵技術收集、整理，構建了15 個工程案例，其總體框架如圖1 所示。

圖1 高等機械先進制造技術案例庫建設總體框架

案例1：高速及超高速硬車削工藝。

高速及超高速硬車削是高速切削技術的一個典型應用領域，可以實現“以切代磨”的新工藝。針對高速及超高速硬切削時切削力大、切削溫度高，需要刀具、機床和夾具同時提供良好的條件支持，引導學生分析機床剛性來支持高速硬車削加工過程；進而通過優選刀具材料與幾何結構保證高速及超高速硬切削加工順利進行；同時基于加工過程中采集到的切削力、切削溫度、系統振動、刀具磨損及切屑等，分析高速及超高速硬切削機理，并進一步優選切削工藝。

案例2：薄壁件高速及超高速銑削工藝。

薄壁結構件在保持較輕重量的情況下擁有較好的剛性和較高的比強度，在航空航天領域有著廣泛應用。引導學生分析薄壁結構件的加工特點，圍繞薄壁零件的變形控制及矯正進行探討，明確弱剛性薄壁構件近恒剛度高速及超高速銑削加工及其誤差自適應補償關鍵技術。

案例3：高速切削用復合涂層硬質合金刀具壽命預測。

針對高速切削用復合涂層硬質合金刀具壽命預測，引導學生探討基于表征涂層/涂層及涂層/基體界面結合性能的評價體系，研究界面結合性能對界面裂紋擴展的影響機制；基于涂層組織結構和性能特點，研究殘余應力對界面裂紋擴展行為的影響，完善界面結合性能表征體系，建立涂層剝離臨界條件，并指導學生進行刀具壽命實驗。

案例4：基于增材制造的典型工藝設計。

增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）是20世紀80 年代中期發展起來的高新技術。引導學生從成型原理出發，提出一個分層制造、逐層疊加成型的全新思維模式；通過面向學生的軟件培訓及實操，掌握計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機數字控制（CNC）；了解激光伺服驅動和新材料等先進技術，參觀實操增材制造設備，并進行工藝參數優化。

案例5：增材制造構件表面激光拋光。

激光增材制造技術受到學術界、工業界的高度關注，并在眾多工程領域得到成功應用，但由于增材制造成形過程中固有的“階梯效應”“球化效應”及“粉末粘附”等綜合作用，導致成形金屬零件表面質量較差，無法滿足裝配、摩擦等功能要求。鑒于此，本案例提出增材制造構件表面激光拋光技術，引導學生開展面向增材制造表面的激光拋光基礎理論和性能技術的研究，為激光拋光技術在增材制造成形表面乃至整個金屬零件的推廣應用提供理論保障。

案例6：增材制造內流道特征件磁力研磨拋光。

金屬增材制造是解決航空航天和高端裝備領域復雜內流道構件制造難題的有效方法，但成形表面質量差，未經后處理加工無法滿足高使役性要求，拋光加工是高性能金屬增材制造技術鏈中的關鍵環節。針對典型增材制造彎管，引導學生了解磁力研磨原理及應用，分析該拋光技術實現的關鍵因素，借助有限元分析建立復雜磁場，建立面向增材制造表面形貌特征的精確材料去除模型，借助機械手臂搭建實驗平臺，撰寫發明專利。

案例7：鋁合金5052 板材超聲輔助漸進成形復合加工。

以針對漸進成形技術在成形幾何精度、表面質量方面的不足，以及在成形復雜形狀過程中易褶皺與破裂等問題，提出金屬板材超聲輔助數字漸進成形關鍵技術研究，以鋁合金板材為研究對象，通過引入超聲振動輔助能量，改善板材在漸進成形過程中的塑性變形行為，以提高材料變形極限，改善成形件表面質量、精度及力學性能，延長有效服役壽命。

案例8：Inconel 718 超聲振動輔助微銑削復合加工。

超聲振動輔助銑削是一種將超聲振動以不同方式施加到刀具或者工件上從而實現振動切削的加工方式，相比傳統銑削，可有效降低切削力和切削溫度，改善加工表面質量，提高零件的使用性能。鑒于此，本案例提出了Inconel 718 超聲振動輔助微銑削復合加工技術研究，將超聲振動以不同方式施加到工件上，從而實現振動切削的加工方式。引導學生在選擇合理的切削參數和振動參數條件下，探討超聲振動輔助微銑削降低平均切削力和切削溫度，增大零件表面的殘余壓應力等機理研究。

案例9：超高強度鋼Aer Met100 激光加熱輔助銑削復合加工。

超高強度鋼Aer Met100 屬于典型的難加工材料，加工過程中存在刀具壽命低、斷屑困難等突出問題。鑒于此，結合當前復合加工研究熱點，本案例提出了激光加熱輔助切削復合加工技術研究。引導學生針對激光加熱輔助銑削復合加工與常規銑削進行對比，探討材料去除機理；分析在激光輔助銑削力、熱、刀具磨損及表面完整性（熱影響區和殘余應力）等變化機制。

案例10：超聲振動輔助滾壓鈦合金Ti6Al4V 表面強化。

超聲振動輔助滾壓表面強化技術是通過滾壓工具頭沿著表面法線方向給材料施加一定幅度的超聲頻機械振動，技術已被大量研究證明是可有效提高金屬構件表面完整性的強化處理工藝。鑒于此，本案例提出了超聲振動輔助滾壓鈦合金Ti6Al4V 表面強化技術，本案例基于普通車床完成，超聲滾壓強化裝置由電子控制系統、冷卻潤滑系統和滾壓刀具組成。

案例11：生物醫用鎂合金ZK60 激光噴丸表面強化。

鎂及鎂合金是21 世紀以來新興的第三代生物材料，被廣泛研究用于血管支架、骨板、骨螺釘和藥物洗脫生物可吸收材料等，但是降解速率得不到有效控制和較差的耐磨性是限制其應用的主要原因。鑒于此，本案例提出了生物醫用鎂合金激光噴丸表面強化技術，根據鎂合金ZK60 的力學性能對激光參數進行了合理的估算并確定了最終試驗方案，對激光噴丸強化以后的表面參數特征進行檢測和表征，分析總結性能變化的原因和規律，引導學生對激光噴丸表面強化技術有更深刻地認識，并基于此案例推廣其他表面強化技術的探討。

案例12：鈦合金Ti6Al4V 骨板表面激光沖擊強化。

激光表面強化又稱激光淬火，其實是利用高功率密度激光束使材料表面非平衡快速加熱和冷卻，實現相變硬化。相對于傳統的強化技術，加工過程更加簡單，且對工件表面無損傷，變形量小，硬度高，耐磨性很好。鑒于此，本案例提出了鈦合金Ti6Al4V 骨板表面激光沖擊強化技術，引導學生搭建實驗平臺，研究激光沖擊強化后，Ti6Al4V 表面性能的變化，嘗試對其改性調控機理進行研究，并通過摩擦磨損試驗對骨板表面的摩擦學特性進行分析和評價，以指導醫用材料在實際臨床的應用。

案例13：聚焦離子束加工實現納米尺度制造。

微納制造技術得到了國家政策的高度重視，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中提到，因微納制造技術的光明前景，政策上優先支持和鼓勵發展微納制造，并推動形成多學科交叉的系統。由于微納尺度下在電荷傳遞、摩擦、熱傳導、擴散和流體阻尼特有的小尺寸效應，所以研究納米尺度制造關鍵技術具有重大意義，而聚焦離子束加工是實現納米尺度制造的重要操作手段。引導學生了解聚焦離子束加工原理及特征，結合學院設備，進行聚焦離子束實際操作演練，以推動后期柔性微納傳感器制作。

案例14：石墨烯修飾的神經微電極陣列。

隨著微機電系統加工技術的發展，微電極陣列芯片使得在體或離體條件下對神經細胞的長期無損監測提供了可能。鑒于此，本案例提出了石墨烯修飾的神經微電極陣列技術，采用微機電系統加工工藝制作了60 通道神經微電極陣列芯片，利用計時電壓法在多通道神經微電極陣列上定向電聚合成PPy/GO 復合材料，并通過循環伏安掃描法確定了最佳的電鍍條件。在該條件下的微電極對DA 響應靈敏度高，并擁有較低的阻抗值，并基于此案例，引導學生分析實現神經微電極陣列的關鍵技術。

案例15：基于微納結構的柔性壓力傳感器制作。

近年來，柔性壓力傳感器能夠作用于彎曲表面甚至不規則表面，受到了國內外研究柔性傳感領域的學者高度關注。鑒于此，本案例提出了基于微納結構的柔性壓力傳感器制作技術，其中包括具有提高靈敏度的微結構柔性介電層制作；有機硅化合物表面改性的電極板制作及最后的柔性傳感結構的性能測試。

基于上述15 個典型教學案例建設，以科研創新能力培養為主線，與學科發展前沿相結合，引導研究生關注機械學科的最新發展趨勢和研究熱點問題，達到提高研究生機械創新設計能力和科學研究能力的目的。

五、專業學位教學案例庫建設可行性分析

學校歷來重視提升研究生培養質量，通過設立相關研究生教研項目，如齊魯工業大學研究生教育質量提升計劃和研究生教育創新計劃等，以支持教師進行研究生教育教學改革和創新人才培養模式方面的探索。學校通過制訂和實施師資水平持續提升計劃及“博士+企業”對接計劃，引導教師積極參與企業實踐，綜合提升了教師的教學能力和工程背景。此外，借助于齊魯工業大學（山東省科學院）科教融合的優勢資源，吸引山東省科學院的研究人員參與到研究生教學一線，并通過開展齊魯工業大學（山東省科學院）青年博士合作科研項目，使得更多的教師和學生能夠參與高水平科研課題，有助于提高研究生教學質量和科研學術水平。同時，高等機械工程學教研團隊所在院系齊魯工業大學機械與汽車工程學院擁有山東省高校先進制造與測控技術重點實驗室、先進加工與成形技術研究中心和工業機器人技術應用研究院等，并配備多臺套設備、軟件系統，為本項目的研究工作提供直接支持，從而切實保證教學案例庫建設相關工作得以協調推進。