“機械制造技術”實訓課程混合式教學實踐探索

摘"要"“機械制造技術”實訓課程非常注重知識應用和能力培養。針對課程教學過程中存在的主要問題，以項目模塊化重組整合教學內容、以微課融入翻轉課堂、在線虛擬仿真實驗結合線下實訓、科研工程案例強化應用訓練、過程與結果綜合評價等方法，實施課程教學改革。結果表明，通過課程持續改進、優化教學方法，學生的學習主動性和積極性大幅度提高，其分析問題和解決問題、科研和創新思維能力均得到有效鍛煉，教學質量與教學效果穩步提升。

關鍵詞：機械制造技術"微課"翻轉課堂"虛擬仿真"科研工程案例

中圖分類號：G642"""""""""""""文獻標志碼：A

Exploration"of"Blended"Teaching"Practices"in"\"Mechanical"Manufacturing"Technology\""Training"Course

LING"Wei""WU"Ruiming""ZHANG"Zhiyi""DAI"Guangming

Zhejiang"University"of"Science"and"Technology，"Hangzhou，"Zhejiang"Province，"310023"China

Abstract："The"Mechanical"Manufacturing"Technology"training"course"places"great"emphasis"on"the"application"of"knowledge"and"the"cultivation"of"abilities."In"view"of"the"main"problems"existing"in"the"course"teaching"process，"the"teaching"reform"of"the"course"is"implemented"by"methods"of"reorganizing"andnbsp;integrating"the"teaching"content"with"project"modularization，"integrating"micro-course"into"the"flipped"classroom，"combining"online"virtual"simulation"experiments"with"offline"practical"training，"reinforcing"the"application"training"by"scientific"research"and"engineering"cases，"and"evaluating"the"comprehensive"evaluation"of"the"process"and"the"result."The"results"show"that"through"the"continuous"improvement"of"the"course"and"optimization"of"teaching"methods，"students'"learning"initiative"and"enthusiasm"have"been"greatly"improved，"and"their"ability"to"analyze"and"solve"problems，"scientific"research"and"innovative"thinking"have"been"effectively"exercised，"and"the"quality"of"teaching"and"teaching"effect"have"been"steadily"improved.

Key"Words："Mechanical"Manufacturing"Technology;"Micro-course;"Flipped"classroom;"Virtual"simulation;"Scientific"research"engineering"cases

“制造業是國家經濟命脈所系”，“制造業高質量發展是我國經濟高質量發展的重中之重”……習近平總書記對制造業在經濟發展中舉足輕重的地位進行了多次強調[1]。機械制造業是制造業的重中之重。“機械制造技術”是以機械制造過程中的加工工藝與工裝夾具設計為主要研究對象的一門應用性技術課程，是機械類專業核心課程。該課程主要研究各種機械零件加工工藝、工裝夾具的設計及誤差分析、產品加工精度及質量控制、機械設備裝配工藝、先進制造技術等方面的知識。與理論課程對應的實訓教學環節十分重要，除了培養學生的專業實踐能力，使學生能夠運用所學知識解決工程實際問題外，還能夠培養學生的創新和團隊合作意識、職業綜合能力和素質。

• "實訓課程存在主要問題

（1）課程的教學內容側重于傳統機械制造技術的知識體系，內容多，任務重；沒有系統地融入現代工程技術；教學內容工程背景不強、綜合訓練度不夠。

（2）教學方法上基本是教師講解、學生被動參與學習，實踐課程理論化、翻轉課堂等新的教學模式應用不夠，學生積極主動參與課堂教學活動的學習氛圍不夠。

• （3）教學模式基本采用傳統的“課內實驗、線下實驗”，實驗的時效比不大；實訓平臺

的硬件（種類和臺套數等）支撐條件不夠，難免造成實驗實訓的效果不理想。

（4）課程的過程監控等評價機制尚待完善，以實訓報告質量為主的成績評定不能客觀、科學地評價學生的知識掌握和運用能力，也無法對教學效果進行全面、客觀的評價。

2"""混合式教學應用舉措及實施效果

2.1""突出重點：能力為本的項目模塊化實訓內容

以學校培養具有實踐能力、創新精神的卓越應用創新型人才為依據，重組整合課程專業知識，增加計算機輔助工藝規劃（Computer-Aided"Process"Planning，CAPP）、增材制造技術（如3D打印）、虛擬仿真技術、激光加工等新內容，去除機床主軸箱結構、機床剛度測定、加工精度統計分析等傳統實驗。突出重點，講究實用，將實訓內容分為刀具、工藝、夾具、制造4個模塊，以項目模塊化的形式優化重構教學內容（如圖1所示）。在教學上，以來源于實際生產中的典型零件與教師的科研工程案例為引導，根據零件質量要求，從加工工藝、工裝夾具設計、刀具等方面，按照工程項目的設計與制造思路，結合加工設備和檢測方法，編制工藝過程、設計工裝夾具等，實訓內容體現系統性、項目化、全過程化。這樣，一方面，將理論知識與工程實際緊密聯系起來；另一方面，從教學源頭上體現并強化對學生工程素質和創新能力的培養。

圖1""項目模塊化教學內容

2.2"""以虛促實：虛實結合的實訓教學

2.2.1""在線虛擬仿真實訓

“機械制造技術”實踐教學必須依托實訓設備開展，例如：夾具拆裝實驗一直存在夾具數量少和更新慢、拆裝操作耗時且效率低、日常維護繁瑣等問題，這些因素明顯影響了教學質量的提升。

虛擬仿真技術在多維的信息空間上營造了一個逼真的虛擬信息環境，使體驗者在這一環境中產生身臨其境的感覺，并獲得良好的認知與操作體驗。

將虛擬仿真技術引入實踐教學，可以降低教學成本和實訓管理壓力，為解決上述問題提供新的解決方案[2-5]。此外，虛擬仿真在線教育不受時空限制，學生能夠自由操作練習，因此具有較明顯的優勢。

筆者主持開發了基于Unity3D平臺的在線典型機床夾具結構原理與虛擬仿真實驗教學項目。本實驗系統設置了夾具結構認知、工作原理、夾具拆裝示教與練習、實驗考核等多個功能模塊，共包含車、鉆、銑、鏜床類等16副機床夾具（如圖2～圖5所示）。本虛擬仿真實驗主要針對各類機床夾具的結構原理、拆裝過程中的重點難點環節展開，通過虛擬仿真實驗，學生理解夾具各主要部件的結構組成與工作原理、揣摩夾具設計方法、學習各種工具的正確操作使用、熟練機床夾具的正確拆裝方法，通過反復練習，從而減少在實物實驗中的操作失誤，提高成功率。在實驗過程中，系統可以實時跟蹤和記錄當前操作，實驗結束后，自動生成實驗成績和報告。在實驗過程中，學生若有疑問，則可以查詢相關知識點提示和觀看示教動畫視頻。學生還可以在系統內參加機床夾具拆裝操作考試，教師可以通過系統提供的學生考核智能評估結果了解學生的薄弱知識點，在后續教學中進行有針對性的短板補強，從而提升教學效果與質量。該虛擬仿真實驗在課前或課堂都可以安排，可以根據教學需要靈活調整。

2.2.2"線下實物實訓

線下實訓教學平臺主要包括實驗室的各類機床、刀具、各類實物夾具和拆裝工具等。在機床夾具拆裝實訓中，將學生進行分組（每組3～5人），分別對實物夾具進行工作原理和結構分析與拆裝操作，測繪各零部件尺寸，然后進行夾具各零部件的三維建模、夾具整體各零部件虛擬裝配檢測，最后工程出圖和提交紙質報告。線下實訓實施過程中，以項目（實物夾具）為導向，教師對重點疑難問題進行指導。

學生經過虛擬仿真系統訓練，對夾具功能原理已有基本認識，然后再到實驗室進行現場實物拆裝實驗，可以進一步加強學生對夾具基本結構（定位元件、夾緊裝置、連接元件、導向元件、夾具體）"和原理的理解，加深掌握夾具各部件的結構特征、裝配方法和操作規范等知識技能。

2.2.3"實施效果

在虛擬仿真技術構建的逼真三維互動工作場景（含動畫展示和語音講解）中，學生可以清晰地觀察機床夾具內部結構、了解其工作原理，能夠方便、高效地對抽象的機床夾具有比較深入的理解，從而有效激發了學生學習興趣和主動性，學生由被動學習轉變為主動學習，收到了事半功倍的學習效果。相比純線下實物實訓，在相同總學時條件下，通過虛實結合、以虛促實的混合式實訓教學，學生在線下實訓過程中顯著減少了盲目性和誤操作，節省了實訓時間，明顯具有更高的實訓效率和更好的實訓教學效果。通過線下實訓，學生的實踐動手能力和團隊協作能力都得到有效鍛煉。

2.3""微課前置：角色互換的翻轉課堂

微課的概念在國內由胡鐵生首先提出，其是指以微視頻為主要載體，反映教師在課堂教學過程中針對某個知識點或教學環節開展教與學活動的各種教學資源的有機組合[6]。杜錦才等人[7]提出了嵌入式微課的概念，指出在實驗課講解中插入以概念延伸、知識拓展和工程應用實例為主要內容的微課是提高工科類實驗教學效果的舉措之一。

《2019"年地平線報告（高等教育版）》指出，加強學生的能力培養和效率提升需與翻轉課堂等新技術緊密結合。翻轉課堂通過教學結構和方法的改革，將“教師講、學生聽”的傳統教學模式翻轉過來，達到學生課外學習，課內討論、互動、練習和強化的目的。董江麗等人[8]認為，要重視“翻轉課堂”的整體性和系統性，把線上和線下各教學環節構建成為一個有機教學體系。徐國勝等人[9]采用翻轉課堂與任務驅動深度融合的方法，提升了實訓教學的有效性。

筆者課程團隊制作了機械制造工藝基本概念、機床夾具基本概念、典型機床夾具、刀具等十多個微課視頻和相關微課件，將其放在網絡平臺，學生可以充分利用課前的碎片化時間進行提前學習。在微課設計中，主要考量微課對預習、復習教學環節及在開展翻轉課堂中的作用。例如，微課預習環節的重點是知識學習，包括機床夾具結構原理、機械制造工藝規程、刀具種類及切削性能、實驗原理、儀器與操作步驟等；在課堂環節，根據學生學習過程中存在的問題，教師引導學生進行正確的分析和解決，以更好地掌握知識，培養和提高學生的自主學習能力；微課復習環節的重點是知識鞏固，如實驗數據分析處理、加工工藝及夾具方案比較、課后思考題的解答與知識拓展等。

線下，教師利用微課實施翻轉課堂后，學生將學習過程中的各種問題和思路反饋給教師，教師通過對學生反饋信息進行梳理和再加工，對課堂傳授的知識點做到有的放矢，有利實現課堂的“翻轉”。微課的教學效果可以通過翻轉課堂來驗證，教師能夠發現微課內容或制作存在的不足，進而推動微課的內容和表現形式得到不斷完善（如圖6所示）。

課程團隊制作的微課以知識點教學、儀器使用的短視頻為主，內容突出，主題鮮明，學生可以隨時學、及時學。“微課”融入翻轉課堂的教學實施加強了學生對實訓全過程的重視，促進了學生的自主學習。學生課前通過微課學習，并帶著問題和思考進入課堂環節進行針對性的學習，對知識點的掌握更扎實，學習效果更好。學生充分發揮了學習的主觀能動性，真正成為學習的主人，獨立學習能力和表達溝通能力都得到提升。

2.4""進階挑戰：實戰環境下的科研工程案例教學

案例教學是一種以學生為中心，以建構主義理論為基礎，以特定真實情境為背景，以培養和提高學生的獨立分析能力和解決實際問題的能力、加強對專業知識和理論的認知與掌握為目標的教學方法。國內多位學者進行了相關應用研究[10-12]。

在教學過程中發現，通過常規案例教學，可以加深學生對課程知識的理解，但學生在實際應用能力方面仍顯不足，綜合訓練度不夠。基于此，課程團隊在教學上進一步采用了科研工程案例教學法。

2.4.1"科研工程案例的選擇

首先，科研工程案例要緊扣教學大綱的知識點，將知識點融入案例教學過程中；其次，科研工程案例要具有綜合性、代表性，能夠全面、系統化地向學生展現各級知識點及其應用；最后，案例的選擇要體現一定的進階性和挑戰度，要有一定深度和復雜度，從而有效激發學生的興趣和探究潛力。表1是經歸納整理的筆者及團隊完成的部分橫向科研項目案例。

通過這些工程實戰案例教學，傳授學生以下知識：從審圖出發，洞悉產品的設計意圖與技術要點；如何設計合理的產品加工工藝，具體包括工序步驟、切削刀具、工藝參數、加工設備等；如何設計與加工工藝相適應的經濟高效的機床夾具，具體包括工件定位方案、夾緊裝置、定位元件與工件間的公差配合、定位誤差分析、夾緊力大小、輔助裝置等；如何繪制夾具總裝配圖和零件圖；如何運用CAPP軟件建立工藝過程卡和工序卡，提高規范性和設計效率等。

2.4.2"科研工程案例教學實施

（1）"案例題目和設計任務發布。教師在線上平臺發布案例題目和設計任務，學生分組并自主選題，每組4～5人。（2）"項目方案設計。各組學生根據選題，自主查找文獻，探討確定設計方案，教師根據進度要求參與各小組的線上、線下討論并進行指導。（3）"課堂匯報答辯。根據完成的設計方案結果，各小組推選成員分別從產品要求、工藝過程、夾具設計、加

工設備及刀具等方面進行項目答辯匯報，其他同學參與提問和討論。教師對各組的設計方案的合理性、存在的問題進行評述，然后將對應的已完成的科研工程案例的設計思路和解決方案等關鍵問題與學生們一起進行分享研討。（4）"研究報告撰寫。匯報答辯完成后，各小組根據答辯中老師和學生提出的問題建議進行方案修改完善，全面總結案例任務的研究成果，撰寫研究報告和工程出圖。教師對研究報告的和圖紙設計進行指導和審核。

2.4.3""科研工程案例教學實施效果

（1）"對學生的積極影響。首先，運用科研工程案例教學，有利于串聯課程中較分散、缺乏關聯的知識點，使其形成邏輯性更強、實用性更強、學生更容易理解和掌握的知識體系。其次，由于案例任務具有復雜度和挑戰性，通過檢索大量文獻和專利、反復修改完善設計方案的過程，激發了學生的學習探究潛力，鍛煉了學生的自主學習能力和實踐創新能力，培養了學生在貼近實戰環境下解決復雜工程問題的能力。更有意義的是，通過科研案例教學，加深了學生對教師的信任，加強了對教師能力的認可，無疑更有利于教學往更深度和更廣度開展。

（2）"對教師的驅動作用。教學為教師開展科研提供理論，科研為教學拓展提供動力。一方面，在做好教學工作的同時，教師需要密切關注行業發展動態，及時跟蹤新技術、新工藝，積極開展科學研究，積累高質量科研案例與先進技術作為教學的優秀素材；另一方面，教師需要不斷完善教學設計，將課程中的理論知識與科研實踐相結合，精選適合融入科研案例的知識點，完善項目式教學，不斷提高教學質量。

3"""課程考核評價

根據“機械制造技術”實訓課程混合式教學特點，建立了“過程評價+結果評價”“在線評價+書面評價”的考核體系。"（1）課前："基礎知識學習（5%），項目方案設計（10%），自主完成虛擬仿真實驗"（10%），這部分主要考查學生的自主學習能力和機械制造工藝方案的基本設計能力。（2）課堂："自主完成各實驗（10%），各實驗全過程實施（15%），項目方案答辯匯報（10%），這部分主要考查學生實踐動手能力、思維及分析能力、交流表達能力和團隊合作能力。（3）課后："實訓報告（40%），主要考查學生的項目總結、文本和圖紙的準確度和規范性等多方面的綜合應用能力。本實訓課程采用過程、結果和能力并重的考核體系，能夠更客觀、準確地評價學生成績，更有利于促進學生知識、素質和能力的全面協調發展。同時，利用調查問卷等方式收集學生的教學反饋和建議，根據反饋結果，推動后續教學過程的進一步改進。

4"""結語

本文針對現階段課程教學中存在的問題，以能力培養為根本目標，調整優化課程教學內容；實施微課和虛擬仿真融入翻轉課堂的教學模式，突破時空限制，使學生能夠充分利用課余時間進行學習，提高了學生的學習積極性和自主性；采用以虛促實、虛實結合的實訓教學，豐富了教學手段，完善了實訓教學體系，減少了實訓設備、臺套數等不利因素影響，提高了學生線下實訓的準確率和規范性，取得了更好的教學效果和更高的實訓效率；開展科研工程案例教學，強化知識掌握及應用，切實提高了學生的實踐創新能力和解決實際工程問題的綜合應用能力；構建多維度的考核方式，更全面、科學地評價學生成績。

本實訓課程的在線虛擬仿真實驗教學項目（軟著登字第10599188號）和微課教學資源已發布在學校虛擬仿真實驗中心網絡平臺，面向全校師生開放；微課教學資源已收錄于機械工業出版社普通高等學校機械類系列教材《機械制造工藝學課程設計》（2024.4），向全社會開放，實現了優質教學資源共享。在此基礎上，將繼續開發線上教學資源，完善教學模式，優化教學方法，注重課程教學內容與專業應用型人才培養的需求的緊密結合，扎實提升學生的工程實踐能力，培養學生的創新思維，推進學生的綜合素質全面提升。

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