智能制造專業先進制造工藝課程建設與教學實踐

摘 要 在半導體、航空航天等新興產業推動下，智能制造專業先進制造課程的地位越來越重要。為此，文章從教學理念與目標、知識結構和教學實踐三個方面，討論本課程建設與教學實踐。課程教學理念以新興產業發展人才需求為導向，培養學生的創新能力、實踐能力和國際化視野。課程知識結構以工程應用和工藝創新為導向，覆蓋了超精密切削、激光加工、增材制造等先進制造工藝。課程教學采用問題導向法、創新實踐和案例分析法，以半導體芯片制造案例分析為主線，貫穿課程大綱的各個知識點。

關鍵詞 智能制造專業；新工科；課程建設；教學實踐

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.3.035

Construction and Teaching Practice of Advanced Manufacturing Process Course for Intelligent Manufacturing Engineering

GAO Peng1， ZAN Tao1， XIANG Junfeng2， FU Zhongtao3

（1.Beijing University of Technology， Beijing 100124;

2. School of Civil Aviation， Northwestern Polytechnical University， Xi'an， Shanxi 710072;

3.School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan University of Engineering， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Driven by emerging industries such as semiconductors and aerospace， the position of advanced manufacturing courses in the field of intelligent manufacturing is becoming increasingly important. Therefore， the article discusses the construction and teaching practice of this course from three aspects： teaching philosophy and objectives， knowledge structure， and teaching practice. The teaching philosophy of the course is guided by the demand for talents in the development of emerging industries， cultivating students' innovation ability， practical ability， and international perspective. The course knowledge structure is guided by engineering applications and process innovation， covering advanced manufacturing processes such as ultra precision cutting， laser processing， and additive manufacturing. The course teaching adopts a problem oriented approach， innovative practice， and case analysis method， with semiconductor chip manufacturing case analysis as the main thread， running through various knowledge points of the course outline.

Keywords intelligent manufacturing engineering; new engineering; curriculum construction; teaching practice

半導體、航空航天和新能源等新興產業發展迅速，傳統的工科專業教育已經不能夠適應時代要求。為此，我國開始研究符合中國國情的教育新理念、新模式、新方法，積極推進“新工科”建設，打好提高質量、創新人才培養機制攻堅戰[1-2]。智能制造專業是新工科的重要組成部分之一，其專業建設對新工科建設具有重要的意義。后工業社會和制造業轉型是未來研究的重點，先進制造工藝也是未來研究的熱點。先進制造工藝作為智能制造專業建設的重要組成部分，其教學成效對智能制造專業建設具有重要的意義。

先進制造技術關系到國家生存發展的命脈。我國作為制造大國，然而在半導體制造等先進工藝方面落后于發達國家。以芯片半導體和航空發動機制造為代表的先進制造技術亟須提高。先進制造工藝課程作為智能制造專業的主干課程，其教學建設和教學方法尚不成熟。傳統機械工程專業的工藝制造教學模式已滯后于產業發展，在產業升級過程中，如何培養滿足智能制造需求的高端人才，是現代高端制造業發展面臨的重大理論與現實問題。

目前，機械工程相關的課程其教材和教學方法更新速度緩慢，與新興產業發展嚴重脫節[2]。傳統機械工程專業培養方案的知識結構單一，課程實踐能力培養固化于單一的技能訓練[2]。因而，傳統的課程體系不能夠滿足智能制造專業的發展和復雜化的實際工程需求。雖然智能制造專業布局趨于合理，但制造工藝課程與實踐建設尚待成熟，先進制造課程各學科知識融合的探究亟須加強。工科建設還普遍存在問題，用國際等效標準評價工科專業，課程體系建設方面達標的占比不超過60%[3]。相關課程對開發或設計解決工程問題方案、綜合考慮非技術性因素、分析復雜工程問題、創新等能力的評價相對較低，學科專業建設不足[2-4]。雖然部分學者對智能制造專業建設作了系統的研究，然而在重設計輕工藝氛圍的影響下，各個高校對智能制造專業工藝維度的課程設計和教學實踐認識依然不足。大多數教師只停留在先進制造基本理論講授，缺少對具體教學方法的分析，同時大多數學者對教學實踐的研究較少，對先進制造課程教學中存在的問題認知不足。具體體現在：

①先進制造創新人才培養是一個新的教育理論和實踐問題。傳統機械工程人才培養模式已不能滿足智能制造發展的需求，迫切需要變革人才培養模式。

②傳統機械工程專業的教育教學模式已滯后于產業發展，知識體系更新速度緩慢。先進制造工藝課程內容滯后，缺少與生產實際的融合[5]。如何建立滿足智能制造先進制造需求的課程知識結構，是課程知識結構調整和教學實踐面臨的突出問題。

③先進制造工藝課程作為智能制造專業的一門新課程，其任課教師、教學方法、教學實踐和教學教材尚未形成系統，而有效的教學方法和教學實踐是課程建設中面臨的重要問題。

為此，本文從智能制造專業先進制造工藝課程建設理念、課程知識結構和課程教學實踐等方面，討論新工科背景下智能制造工程專業先進制造工藝課程建設與教學實踐方法。

1" 先進制造工藝課程的教學理念與目標

先進制造工藝課程是智能制造工程專業的學科基礎必修課。課程主要講授先進制造工藝與裝備。課程主要面向智能制造工程或機械工程專業的高年級本科生。

1.1" 課程教學理念

先進制造工藝課程教學理念旨在培養學生的實踐能力、創新能力和國際化視野。在課程大綱設計中應加入工藝創新方法和前沿制造工藝，課程知識結構體現制造技術“新、精、專”的特點。首先，以立德樹人為導向，把課堂知識與國家大制造工程項目知識相融合， 培養學生的愛國情懷，使學生樹立正確的世界觀。其次，充分調動學生的主動性，讓學生參加工程實踐，以智能制造技術創新為核心培養學生的實踐能力和創新能力[6]。最終培養出具有繼續學習能力、國際視野、社會責任、組織協調能力、團隊精神與職業道德的創新型人才。

先進制造工藝課程的建設理念要符合產業發展的需求。根據國家發展戰略規劃，培養適應前沿科技進步，德智體美勞全面發展，知識、能力、人格三位一體，工程基礎理論扎實、專業知識寬厚、實踐能力突出，獲得良好工程訓練，能夠勝任先進制造生產與工藝創新的人才。約束教學實踐中的生成階段與探索階段，形成學生的“全線閉環”創新性思維培養[7]。

1.2" 課程育人與教學目標

本課程旨在培養具有現代先進制造意識的創新型人才。首先從整個課程“面”的維度進行宏觀引導，講解我國制造業的發展歷史，了解“中國制造2025”“制造強國”等國家重大戰略和倡議，鼓勵學生的學科發展與專業學習應該與國家發展同向同行。其次是從課程內容講授過程中的一些“點”上進行有機融合。

在教學實踐中，培養學生的工程實踐素質、工藝創新能力，通過工程實踐，增強學生解決問題的能力、培養學生的創新能力，課程育人目標如下：

①了解智能制造新技術的發展現狀，培養學生的創新意識；②從課程“面”的維度宏觀引導，講解我國制造業的發展歷史，讓學生認識到制造新技術在國家發展中的重要性，激發其學習熱情；③以半導體芯片和航空葉片制造為案例把課程知識點串起來，使學生了解國家高端制造業的發展水平。

2" 先進制造工藝課程知識與能力結構

2.1" 課程設置

目前，在機械工程專業的課程設置中，實踐課程主要為金工實習，然而金工實習課程知識結構和教學方法多年來基本上沒有變化，主要通過車、銑、刨、磨等加工工藝方法提高學生的工程實踐能力[8]。隨著先進制造技術的發展，激光加工、增材制造和各種電加工先進制造技術發展迅速，傳統的課程已經嚴重脫離了現實生產技術的發展。制造業的前沿技術基本原理與案例尚未納入課程教學中。相關數據表明分別有45%和41%的電氣信息類和工科畢業生認為所學課程知識陳舊[9]，制造工藝課程知識與能力結構明顯滯后于產業發展需求。課程組應根據智能制造系統的構成要素確立課程的知識結構，確立制造工藝維度與新興行業的關系。課程教材和教法應遵循“創新、協調、綠色、開放、共享”的教學理念，創新教材內容和形式，創新信息化教學方法[10]。

2.2" 課程知識結構

先進制造工藝課程應堅持工程應用和工藝創新為導向，凸顯課程知識結構的技術前沿性、工程實踐性和工藝創新性，培養學生的工程實踐與創新能力。根據新興產業發展需求，課程設計應體現工程性和創新性。課程設置的內容應體現當代產業發展和產業布局。課程知識覆蓋先進制造前沿技術，體現制造與信息化的融合交叉。

課程教學中，引導學生從問題出發，通過理論學習和工程實踐，使學生掌握五軸加工、超精密切削加工、激光加工、增材制造等相關先進制造工藝（圖1），培養學生的交叉學科知識運用能力。除了知識學習外，還要讓學生有更多機會參與先進制造工藝的實踐，培養學生的工程意識和能力。通過課外作業，檢驗學生學習效果，使其了解自己對知識的掌握程度。

3" 智能制造先進制造工藝課程教學實踐

課程采用“基礎概念+基本原理+應用案例+前沿技術”教學方法。從學術研究、創新實踐與工程應用角度開展課程設計。首先，從學術研究角度教學，以問題為導向進行先進制造基本原理教學，構建學生的理論知識體系。通過創新實踐培養學生創新思維能力，通過半導體芯片制造和航空葉片制造案例分析培養學生的工程應用能力，同時把課程知識串起來。最后，采用思維導圖方法對課堂知識進行梳理。

采用基本工藝概念原理講授、工藝創新實踐半導體芯片制造案例分析等方法進行課程教學。最終形成重視工藝創新與實踐，體現制造前沿技術，貫通制造各知識點的教學實踐方法。

3.1" 工藝概念原理的問題導向教學法

基于3W1H教學法[11]，在課程講授過程中，采用問題導向法，提出涉及課程的制造知識點問題，然后通過知識理論的學習解決問題。通過“工程問題―工藝原理―工藝方法―創新方法―知識梳理”的創新教學法講授課程。

以制造實踐問題為引導，講述先進制造工藝課程的基本概念、原理與工藝方法，以工藝概念原理問題為導向，根據課程知識結構與學生心理認知的規律，采取講授、研討、小組合作等多種教學模式與方法。在講授中，要注重培養學生先進制造工藝新理念和工藝創新能力。從提出問題到分析制造工藝思路，培養學生解決先進制造工藝復雜問題的能力。從學術研究角度研究課程教學方法，采用多媒體課件，配合板書和工藝案例視頻等教學手段講解工藝概念原理。例如，在精密與超精密數控機床的知識點環節，介紹航空葉片制造過程中國產數控機床與裝備的應用，讓學生認識到國家數控機床及基礎制造裝備的發展水平。

3.2" 先進制造創新實踐

搭建智能制造專業工藝創新實踐平臺，建立校企雙向交流機制，運用從多層次擴展工藝創新實踐從“配合”到“融合”、從“一元”到“多元”、從“協助”到“協同”的產教融合的教學方法[2]。通過與企業合作建立學生產學研創新實踐平臺，滿足學生學習實踐需求。先進制造主要由光、電、聲、熱、磁、力和化學“七大能量場”進行材料加工，在教學過程中使用TRIZ理論分析各種能場組合加工，提高學生的創新能力。

通過實踐作業培養學生的實踐能力和創新能力。例如，在增材制造章節，布置教學實踐作業，讓學生設計創意作品并自己操作完成作品的打印，鍛煉學生的動手能力和創新能力。此外，課程中講授先進制造新技術、新方法、新模式應用案例。通過企業具體制造需求實踐鍛煉學生的能力。建立工程制造生產的先進制造工藝實踐任務，通過現場工程制造案例，讓學生參與生產單位在先進工藝的生產工作，培養學生的工程實踐、知識應用、工藝創新、團隊合作等能力。

3.3" 半導體芯片制造案例分析

本課程以航空葉片制造和半導體芯片制造案例分析為主線，學習高端制造的方法。通過對國家急需突破的芯片半導體制造工藝案例的分析，激發學生的愛國情懷，培養學生工藝創新和工程認知能力，開闊學生的國際視野。

4" 結語

先進制造工藝課程是智能制造專業的核心課程之一，課程的教學理念和教學方法對提升本科生培養質量至關重要。本文討論了新工科背景下智能制造工程專業工藝維度課程設置，采用基本工藝概念原理問題導向教學法、工藝創新實踐、半導體芯片制造案例分析等方法對先進制造課程教學進行討論。課程講授先進制造新技術、新方法、新模式應用案例，通過具體的工程實踐鍛煉學生的工程能力。以半導體芯片制造案例分析為主線，把課程每個知識點串起來，方便學生對知識的記憶掌握。本文將為智能制造先進制造工藝課程建設和教學實踐提供一定的思路和借鑒意義。

*通訊作者：昝濤

基金項目：北京工業大學教育教學研究重點項目“課程達成度全過程評價和持續改進的方法研究與實踐”（ER2022ZLA01）；教育部產學合作協同育人項目“新工科背景下機械類專業人才培養模式的創新與實踐研究”（201902168006）。

參考文獻

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