縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法在機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用

一、引言隨著高等教育“雙一流”建設(shè)的持續(xù)深入,特別是中國制造已開啟從制造大國開始邁向制造強(qiáng)國的征程,滿足國家現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)需求的創(chuàng)新性、綜合性工程人才培養(yǎng)已成為中國高等教育的必然任務(wù)。[1-2]傳統(tǒng)高等教育人才培養(yǎng)的范式是源于專業(yè)本位,強(qiáng)調(diào)圍繞學(xué)科知識主體開展教學(xué)活動。在傳統(tǒng)模式下,知識得以系統(tǒng)傳遞,但也導(dǎo)致學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)囿于學(xué)科范疇,造成學(xué)生的學(xué)科知識局限和工程應(yīng)用能力不足。[3]新工科人才培養(yǎng)承擔(dān)著從傳統(tǒng)的學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)變到支撐引領(lǐng)的任務(wù)[4],對正在更新中的機(jī)械設(shè)計與制造專業(yè)(以下簡稱機(jī)制專業(yè))工程應(yīng)用技術(shù)人才培養(yǎng)提出了新要求。產(chǎn)業(yè)新經(jīng)濟(jì)新工科背景下進(jìn)一步提升機(jī)制專業(yè)工程應(yīng)用人才培養(yǎng)是高校面臨的挑戰(zhàn)。[5]實踐教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成,是實現(xiàn)理論知識向應(yīng)用能力轉(zhuǎn)化的重要途徑,而實驗課程項目建設(shè)是提升工程應(yīng)用能力的最佳途徑之一。[6-8]機(jī)制專業(yè)實踐性較強(qiáng),其實驗項目學(xué)時占比超過課程學(xué)時的15%,且主要以小批量進(jìn)行上課。以桂林電子科技大學(xué)(以下簡稱我校)機(jī)制專業(yè)為例,大多項目每批次小于8人。我校機(jī)制專業(yè)為提高實驗教學(xué)質(zhì)量,建立了項目式實驗項目,很好地解決了原有專業(yè)知識點(diǎn)培養(yǎng)和應(yīng)用能力不足的問題。但是,原有課內(nèi)實驗項目分散于不同課程中,項目之間獨(dú)立分散,缺少緊密的聯(lián)系,學(xué)生學(xué)習(xí)一門課程和做完一項課內(nèi)實驗,很難建立起各課程之間的聯(lián)系,出現(xiàn)“見樹木,難見森林”的現(xiàn)象。因此,對看似零散的課內(nèi)數(shù)字化設(shè)計與制造實驗項目根據(jù)產(chǎn)業(yè)能力需求進(jìn)行全盤布局,在實踐教學(xué)中構(gòu)建實驗項目體系,對提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、動手能力和工程意識有著重要的意義。許多高校從實驗項目和項目規(guī)劃方面開展了大量實驗課程教學(xué)改革工作。實驗項目方面進(jìn)行建設(shè)的典型教學(xué)改革有:借助虛擬仿真技術(shù)開設(shè)三維裝配工藝實驗項目;為提高工程實踐性在“機(jī)械工程材料及其成形技術(shù)”實驗課程中采用項目式教學(xué)法;基于關(guān)聯(lián)性教學(xué)的理念,開展關(guān)聯(lián)性教學(xué)在巖石力學(xué)實驗課中的應(yīng)用探索。[9-11]實驗項目整體方面進(jìn)行建設(shè)的典型教學(xué)改革有:提出以知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的指導(dǎo)原則,對實踐教學(xué)平臺總體方案進(jìn)行改革;以機(jī)械類專業(yè)核心課程為框架,構(gòu)建了機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計性實驗項目群。[12-13]然而,介紹產(chǎn)業(yè)需求下課內(nèi)實驗項目建設(shè)方法的研究較少。本文根據(jù)人才培養(yǎng)需求和實踐教學(xué)特點(diǎn),提出縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法,以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐與創(chuàng)新能力。二、建設(shè)思路課題組基于《中國制造2025》,結(jié)合我?，F(xiàn)有機(jī)械類本科技術(shù)應(yīng)用人才特色,充分利用現(xiàn)有實踐教學(xué)平臺,建立以機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計與制造為基礎(chǔ)、以工業(yè)數(shù)字化和系統(tǒng)化為標(biāo)志的實驗項目課程體系,優(yōu)化現(xiàn)有實踐教學(xué)內(nèi)容,推進(jìn)實踐教學(xué)改革。同時,針對制造業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)實際需求脫節(jié)、產(chǎn)教融合不夠深入、工程教育實踐環(huán)節(jié)相對薄弱等問題,進(jìn)行實驗項目改革,以期通過“主動適應(yīng)轉(zhuǎn)型”方式為培養(yǎng)適應(yīng)再工業(yè)化時代技術(shù)人才貢獻(xiàn)一份力量。原有以知識點(diǎn)強(qiáng)化的實驗項目建設(shè)方法不足以滿足現(xiàn)有面向產(chǎn)業(yè)需求的實踐教學(xué)需求。較為理想的實驗項目建設(shè)不僅可以支撐理論教學(xué)、鞏固教學(xué)知識點(diǎn),而且可以通過再現(xiàn)調(diào)研、設(shè)計、測試等生產(chǎn)實現(xiàn)過程,模擬工藝或工藝鏈過程,或復(fù)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要素,強(qiáng)化學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力。這些實驗項目內(nèi)容均應(yīng)以工程應(yīng)用為中心進(jìn)行整體規(guī)劃建設(shè)。因此,根據(jù)實踐教學(xué)需求和產(chǎn)業(yè)人才能力需求,課題組提出了縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法,將課內(nèi)實驗進(jìn)行縱向或橫向關(guān)聯(lián),以強(qiáng)化課程之間的聯(lián)系?？v向關(guān)聯(lián)實驗法是以典型產(chǎn)品的機(jī)械加工工藝、各道工序和產(chǎn)業(yè)鏈為關(guān)聯(lián)點(diǎn),形成交叉性、綜合性實驗項目;橫向關(guān)聯(lián)實驗法是以相同的實驗作品(產(chǎn)品)不同的工藝方法為關(guān)聯(lián)點(diǎn),即“一項多做”形成工藝和生產(chǎn)效果對比,形成設(shè)計性、綜合性、開放性實驗項目。基于縱向與橫向關(guān)聯(lián)法,優(yōu)化實驗項目內(nèi)容,將現(xiàn)有課內(nèi)實驗進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成實驗項目立體網(wǎng),可以彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)平臺的不足。自制部分實驗裝置,補(bǔ)充完善部分實驗項目,有利于達(dá)到優(yōu)化實驗項目內(nèi)容和提高實踐教學(xué)的效果。該方法主要在專業(yè)實驗中開展試點(diǎn),重點(diǎn)在數(shù)控技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù)、特種加工、模具制造工藝學(xué)、模具制造技術(shù)等專業(yè)課程中進(jìn)行。具體實施方案如下。第一,在機(jī)制專業(yè)的專業(yè)實驗項目中,基于縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法,調(diào)整實驗項目,優(yōu)化實驗項目內(nèi)容。第二,依據(jù)課程的先后順序和專業(yè)課程的集成度,設(shè)置更為集成和綜合的實驗項目,提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。第三,針對特色明顯的實驗課程,自主設(shè)計、制造相應(yīng)的實驗教學(xué)設(shè)備,增強(qiáng)實驗項目關(guān)聯(lián)力,增加學(xué)生可參與環(huán)節(jié),提升學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力。三、實施案例根據(jù)縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法,將課內(nèi)實驗進(jìn)行縱向或橫向關(guān)聯(lián),以強(qiáng)化課程之間的聯(lián)系,制定專業(yè)課程實踐教學(xué)大綱,并形成相應(yīng)指導(dǎo)書。具體關(guān)聯(lián)法應(yīng)用案例如下。(一)縱向關(guān)聯(lián)法的應(yīng)用案例1.用于課內(nèi)實驗項目基于實驗項目縱向關(guān)聯(lián)法在專業(yè)課程中開展關(guān)聯(lián)建設(shè)工作,部分關(guān)聯(lián)實驗項目如圖1所示。由圖1可知,數(shù)控技術(shù)課內(nèi)實驗包括數(shù)控車手動編程與仿真加工實驗、數(shù)控車自動編程與仿真加工實驗、數(shù)控銑床手動編程與仿真加工、數(shù)控銑床自動編程與仿真加工實驗及三維曲面自動編程與仿真加工實驗。實驗項目內(nèi)不僅有基本的指令使用、程序調(diào)試、工序編寫、對刀方法和刀具補(bǔ)償?shù)戎R點(diǎn)的應(yīng)用能力培養(yǎng),而且選用典型零件(回轉(zhuǎn)體和曲面型腔),并沿著一定工序完成典型工件加工,從而形成了一系列遞進(jìn)的實驗項目。實驗項目通過工序和知識點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián),提升了學(xué)生對課內(nèi)實驗項目之間的整體理解和工程應(yīng)用能力。圖2(a)和(b)為計算機(jī)輔助制造(CAM)軟件自動編程過程和數(shù)控銑床仿真加工過程圖,掌握基本應(yīng)用后,學(xué)生還可以基于該平臺自行擴(kuò)展,如自動對接第二課堂或其他科創(chuàng)平臺的實踐需求,擴(kuò)大了實踐能力提升的范圍。2.用于課程間實驗項目學(xué)生掌握自動編程及仿真加工后,則可進(jìn)入實際機(jī)床的加工,結(jié)合模具制造工藝學(xué)、特種加工、先進(jìn)制造技術(shù)等課內(nèi)實驗項目的要求,構(gòu)建模具型腔雕刻及拋光實驗、蠟?zāi)Ｖ谱髋c熔模鑄造實驗、電火花成型實驗、加工中心實驗和真空注型實驗等項目。學(xué)生通過自主設(shè)計的模型,基于前面數(shù)控技術(shù)課程中CAM軟件產(chǎn)生CNC代碼,進(jìn)行模具型腔雕刻加工及表面拋光。之后,將做好的模具用來完成蠟?zāi)Ｖ谱髋c熔模鑄造實驗,并最終用鑄造出的工件作為真空注型實驗的原型件。同時,通過數(shù)控機(jī)床加工出紫銅電極(學(xué)生自定義),可以利用自制電火花打孔裝置實現(xiàn)電火花成型或穿孔實驗,形成另一個縱向關(guān)聯(lián)的實驗項目群。計算機(jī)繪圖實驗、有限元技術(shù)實驗同樣可以應(yīng)用類似關(guān)聯(lián)的模式,將原有較為獨(dú)立的專業(yè)實驗項目形成體系,讓學(xué)生在更清楚理論課程和實驗課程之間關(guān)聯(lián)的同時,清楚整個機(jī)制專業(yè)工藝鏈之間的關(guān)系,從而提升工程中應(yīng)用專業(yè)知識的能力。3.自制實驗裝置提升縱向關(guān)聯(lián)效果為提升實驗項目間的關(guān)聯(lián)效果,課題組自制了多臺實驗教學(xué)儀器,包括氣動蠟?zāi)３尚脱b置、便攜式電火花打孔機(jī)、并聯(lián)式大行程3D打印機(jī)、桌面式雕刻機(jī)等實驗裝置。通過自制蠟?zāi)３尚蛯嶒炑b置,有效銜接了模具型腔雕刻和蠟?zāi)Ｖ谱髋c熔模鑄造實驗。圖3為數(shù)控機(jī)床雕刻出一個模具型腔并進(jìn)行拋光,然后在自制蠟?zāi)３绦蜓b置上通過該模具型腔制作出蠟?zāi)?。壓蠟實驗獲得的蠟?zāi)＝?jīng)過石膏粉和失蠟過程,可以進(jìn)一步制作出石膏模型。通過錫金屬的澆注,可以完成鑄造實驗;而壓制出的蠟?zāi)；驖沧⒊龅哪Ｐ?則可用來作真空注型的原型件。整個過程中,錫金屬熔點(diǎn)較低,自制蠟?zāi)C(jī)體積小且操作簡單,學(xué)生完全可以全程自主設(shè)計實驗過程并操作設(shè)備,從而提高實驗參與度。自制蠟?zāi)３尚脱b置不僅解決了現(xiàn)有實驗設(shè)備無法進(jìn)行縱向關(guān)聯(lián)的問題,而且解決了面對大型實驗設(shè)備學(xué)生無法深度參與的實驗教學(xué)問題。簡易設(shè)備的制造也在無形中提高了學(xué)生自主設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)備的信心與動力。(二)橫向關(guān)聯(lián)法的應(yīng)用結(jié)合產(chǎn)業(yè)對工程應(yīng)用人才能力的需求,將橫向關(guān)聯(lián)法實驗項目作為課內(nèi)實驗,部分橫向關(guān)聯(lián)法應(yīng)用結(jié)果如圖4所示。關(guān)聯(lián)后,教師在實際教學(xué)過程中有意識地引導(dǎo)學(xué)生思考不同加工方法、不同工藝之間的對比,并在實驗中加以驗證,有助于強(qiáng)化學(xué)生對機(jī)械制造工藝異同的理解。圖5(a)和圖5(b)分別為激光切割板材和數(shù)控沖床沖裁板件的實驗現(xiàn)場圖。兩種加工設(shè)備相同的地方是都能對薄板金屬進(jìn)行加工,都能對特定形狀的工件進(jìn)行加工,但二者由于工藝的差異,各有特點(diǎn)。激光切割機(jī)可靈活切割幾乎任意形狀的工件(最小尺寸有要求),但切割邊緣質(zhì)量(依賴于工件尺寸、激光功率和掃描速度)比數(shù)控沖床差,而數(shù)控沖床雖然靈活性相對較小,但對有固定模具的特定工件而言,具有質(zhì)量容易控制、切割邊緣質(zhì)量高、適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢。因此,學(xué)生在實驗報告思考題中對比兩類實驗的差異,不僅可以鞏固所學(xué)知識點(diǎn),而且可以加深對工藝的理解和提高實驗興趣。教師引導(dǎo)學(xué)生自主查閱相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用資料,關(guān)注產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀。此外,根據(jù)激光切割靈活性的特點(diǎn),利用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件繪制學(xué)生所設(shè)計的圖像,再利用CAM軟件生成數(shù)控程序,并通過實際切割效果,帶領(lǐng)學(xué)生分析切割質(zhì)量,讓學(xué)生進(jìn)行對比性實驗,可以在夯實學(xué)生基礎(chǔ)的同時,提升他們綜合對比、辨識的能力。四、應(yīng)用效果縱向與橫向關(guān)聯(lián)法的運(yùn)用符合《中國制造2025》背景下機(jī)制專業(yè)數(shù)字化人才培養(yǎng)要求,完善了我校的實驗教學(xué)培養(yǎng)體系,優(yōu)化了現(xiàn)有實驗教學(xué)中的項目和內(nèi)容。關(guān)聯(lián)項目主要面向我校機(jī)械制造的學(xué)生,每年受益學(xué)生有400余人。該方法自實施以來,實驗項目內(nèi)容工程性更強(qiáng),實驗項目間關(guān)聯(lián)性更顯著,有效解決了學(xué)生課內(nèi)實驗項目中“見樹木,不見森林”的問題,同時有效提高了學(xué)生的專業(yè)實驗興趣和工程實踐與創(chuàng)新能力。通過橫向關(guān)聯(lián)的對比,學(xué)生變被動接受知識為主動學(xué)習(xí),既提高了探索興趣,又提高了全局意識,學(xué)生對機(jī)械加工的認(rèn)識更加全面。五、結(jié)語現(xiàn)有機(jī)制專業(yè)課內(nèi)實驗項目既要支撐學(xué)生掌握基礎(chǔ)的知識點(diǎn)與方法,又要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識解決實際工程應(yīng)用問題的能力。本文根據(jù)實驗教學(xué)項目離散不成體系而產(chǎn)業(yè)需求逐步提高的現(xiàn)狀,提出了縱向與橫向?qū)嶒炾P(guān)聯(lián)法,重構(gòu)了