浅析新工科背景下“机械制造工艺学”课程教学模式和考核体系改革.pdf

2023年8月机电技术机电技术浅析新工科背景下浅析新工科背景下“机械制造工艺学机械制造工艺学”课程课程教学模式和考核体系改革教学模式和考核体系改革*陶能如1蔡 颂1宋金潮2陈 达2（1.湖南第一师范学院，湖南 长沙 410221；2.湖南工业大学，湖南 株洲 412000）摘要机械学科作为工科中最为基础的学科门类之一，其重要性不言而喻。“机械制造工艺学”作为机械学科中最为传统与重要的课程之一，其现有的教学模式、考核体系与现代教育的发展不相匹配，难以适应国家对于“新工科”中机械专业新型人才发展的需要。文章立足于新工科背景下的人才培养定位要求，探讨了注重工程案例牵引与理论结合、以学生为中心的“机械制造工艺学”课程教学模式和考核体系改革思路。关键词新工科；教学模式；考核体系；工程牵引中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-102-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.030*国家自然科学基金委员会资助项目（51705141）；湖南省自然科学基金项目（2023JJ30183）；湖南省教育厅科学研究项目（21B0523）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T2020042）作者简介：陶能如（1986），男，讲师，博士，主要从事机械制造、激光加工技术方面研究。通讯作者：蔡颂（1982），男，教授，博士，主要从事机械制造、激光加工技术方面的研究。机械学科作为高校最基础的工学专业类别之一，在当今社会工业信息化、智能化科技变革浪潮中占据着举足轻重的地位，人类社会每一次变革性技术的发展均与机械学科密切相关。我国于2015年将 中国制造 2025 作为实施制造强国的十年行动纲领，旨在加速推进我国从制造业大国向制造业强国转变的步伐。随着企业的转型升级和装备制造技术的变革性突破需要，企业对机械学科专业应用型人才的要求也越来越高。如何为企业培养高质量的应用型机械制造人才，对机械学科教育教学进行有效的改革是其必然途径。近年来，我国对工科专业教育教学改革出台了多项引导性政策。2016年，教育部颁布了 关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见，指出“深入贯彻学习习近平总书记系列重要讲话精神，以支撑创新驱动发展战略、服务经济社会发展为导向，贯彻党的教育方针，全面提高教学水平和人才培养质量”1。随后，教育部进一步提出了“新工科”概念，要求新型工科人才培养应注重创新意识和工程需求素养的培育2。由此可见，深化工程需求牵引的教育教学改革，对提高我国机械学科人才培养质量至关重要。“机械制造工艺学”作为机械专业“新工科”建设的重要组成部分，是机械学科中最为传统与重要的课程之一，也是机械专业学生从基础理论课程学习到专业课程学习的过渡学科，是机械类专业方向的基础。因此，“机械制造工艺学”的课程教学模式与考核体系极大地影响到机械专业学生的人才培养质量和在本专业领域职业发展的上限。1现有“机械制造工艺学”课程教学模式存在的问题1.1重理论轻实践教学“机械制造工艺学”课程教学内容主要包含理论基础知识、工程图绘制和实践操作教学三个部分。在其现有的教学模式中，理论基础知识教学大多由教师讲授课本内的概念和基础知识，与实物教学脱节。课本中的知识点诸如机床夹具设计、数控加工等不易直观感受的知识，在缺乏实践操作的情况下，学生难以理解与掌握，同时缺乏趣味性。工程图绘制的实践教学课时量不足，一般在完成1个章节后才安排12个课时。同时，实践操作环节课时安排不尽合理，仅在理论教学和绘图教学结束，接近学期尾声时进行。总体上，“机械制造工艺学”的教学是以理论知识讲授为主，绘图教学和实践操作等更具实操性和工程应用性的教学为辅。显然，现有重理论轻实践的教学模式不利于培育学生的工程需求素养和创新意识。102第4期1.2教师主体作用过分突出教师应是学生自发学习的组织者与指导者，促使学生自主积极地参与学习活动。然而，在现有的“机械制造工艺学”课程教学中，由于整个课程涉及的基本概念和基础理论较多，内容较为分散，教师为了完成理论知识讲授任务，采取“满堂灌”的做法，与学生缺乏有效的互动，整个课程讲授过程中学生处于被动学习状态，主动参与学习活动较少。教师主体作用过分突出使得学生学习效果大打折扣。1.3教学观念和内容老化当前，许多高校所用教材版本较为老旧，教师的教学观念停留于传统制造工艺的知识讲授，内容未及时更新，传统的机械制造工艺、机床夹具设计、装配工艺等基础理论课时占比过高3。然而，随着机械工业化技术的飞速发展，先进制造工艺与技术在各工程领域开始广泛应用，诸如快速成型加工、电火花加工、激光加工等。因此，教师授课用教材和课件内容需紧贴现代工业制造需求、更新前沿知识，方能促进学生对本门课程的整体理解和对接今后的学生就业。2现有“机械制造工艺学”课程考核体系存在的问题2.1考核评价方式较为落后在现有的“机械制造工艺学”课程考核评价体系中，考核方案大致分为三个部分：到课率、作业情况和期末考试。其中，到课率和作业情况考核总分占比40%，期末考试占比达60%以上。其中，到课率和作业情况考核不够科学合理，课堂作业学生完成不认真。同时，由于期末考试难度不高，学生只需要在考试之前短暂地突击就能顺利通过考核，测验结果并不能真正反映出学生对知识的理解与运用情况。显然，这样的考核评价方式并不能达成新时期“机械制造工艺学”课程的预期培养目标。一方面，会有部分学生投机取巧取得高分，从而使一些学生心理不平衡，甚至产生厌学的心理；另一方面，考核方式不适用于现代制造型企业对新工科专业应用型和创新型人才定位的要求，对高校教育资源造成极大的浪费。2.2考核内容缺少实践能力测试现有“机械制造工艺学”课程考核内容侧重考查学生对知识的记忆和逻辑推演能力，测试题型多为选择、判断、名词解释和计算题。考核内容未涉及对学生工程实践能力的考查，不符合新工科对课改的要求。同时，由于“机械制造工艺学”课程中涉及大量工程实际应用基础知识，因此，即使高分通过期末测试的学生仍旧存在对机械产品的感性认识缺乏、零件的工艺结构不了解、尺寸的合理标注难理解、零件技术要求的实际应用不熟悉和装配体的拆卸组装过程及注意事项没概念等问题。因此，急需建立以工程案例牵引为导向的项目式考核方式，以助力于学生工程应用能力的培养。3“机械制造工艺学”课程教学模式改革探索针对现有“机械制造工艺学”课程教学模式中重理论轻实践、教学内容老旧、教师主体作用过分突出等特点，提出课程教学模式改革总体思路：以新工科中侧重工程素养和创新意识培育为根本宗旨，以学生为主体，以理论融合工程训练为主线，注重前沿知识更新，建立注重工程案例牵引与理论结合的“机械制造工艺学”课程创新教学模式，培养学生的创新思维和工程能力。3.1理论融合工程实训为主线教学模式实践教学作为理论教学的重要补充，二者相辅相成。建立理论融合工程训练为主线的教学模式，在教师教授理论知识的同时，指导学生对实验设备进行操作，学生根据所学知识独立地完成整个实验操作，并引发创新思考，极大地体现了以学生为中心的教学理念。如图1所示为学生应用普通车床进行的车削实践，采用车床对金属棒进行车削加工。学生要完成本次工程实训，需要认识车床的车身、主轴箱、进给箱、溜板箱、尾架和装刀机构等机床组成部分。学生将圆棒毛坯固定在主轴箱上后，需掌握主轴箱的运动可分为主运动和副运动，并考虑到切削速度是由主运动速度决定的。进一步地，根据加工余量来确定每次刀具的进给量，设定背吃刀深度。在实践的过程中，会有部分善于思考的学生提出疑问：“车刀种类到底有哪些？”。教师可借机向同学们讲述常见的车刀类型包括加工外圆及端面的尖刀、偏刀和弯刃刀，以及孔加工用的麻花钻、扩孔钻、镗刀、铰刀等4。教陶能如 等：浅析新工科背景下“机械制造工艺学”课程教学模式和考核体系改革1032023年8月机电技术机电技术师亦可进一步提问在铣床加工中（图2）中刀具种类又可分为哪些？进而引出刀具材料的五大特性：高硬度、高耐磨性、高热硬性、脆性、工艺性能5。因此，通过理论融合工程知识的实训，在锻炼学生工程动手能力的同时加深了学生对专业知识的理解与掌握，极大地提高了学生理论与实践相结合的能力。图1学生应用普通车床图2学生应用普通铣床实训实训3.2工程案例牵引的教学模式“机械制造工艺学”作为机械类专业基础课，与企业实际生产紧密联系。然而，学生因缺少工程经验，缺乏对机械产品及其生产工艺的直观认识与掌握。因此，教师授课内容中应增加大量的工程案例和工程技能训练辅助教学，建立以工程案例为牵引的项目式教学来弥补学生实际应用能力的欠缺。以工程图教学为例，在讲授轴类零件图绘制时，教师可引用工程中常用的安装座为例（图3），讲解该零件的具体功能以及结构的特定安装、应用场合。在该零件的剖面工程图（图4）绘制教学中，可选用企业通用的三维设计CAD制图软件SolidWorks结合讲授。通过学生动手绘制该零件，学生将主动思考如尺寸标注、设计基准和工艺基准的选择等工艺问题，并且举一反三，看到类似零件就知道其大致工程应用场合。通过上述教学模式，学生的学习兴趣能够得到极大的激发，同时锻炼了工程应用能力。图3轴类零件安装座图4轴类零件安装座三维视图剖面图3.3注重前沿知识更新“机械制造工艺学”是由苏联专家节门杰夫教授于1953年首次在清华大学正式讲授，在我国学者的不断修订与完善下，发展起来的一门课程6。该课程教材虽经多个版本修订，但随着我国工业化、信息化进程的加速推进，教材中部分基础知识老化、亟待更新。如近年来美国对我国华为公司的芯片禁售事件反映出我国在激光超精密制造领域的技术不足，教师授课时可将激光加工技术内容引入并适当地扩展。随着增材制造技术的兴起，并在航空、航天、新能源汽车等领域展现出极大的应用潜能，因此增材制造中的工艺技术也将是今后制造业发展中不可忽视的重点问题7。由此可见，教师的教学内容应紧贴我国制造业政策导向和工业技术发展的前沿，注重前沿知识的更新。3.4学生为中心的翻转教学模式中国高校近三十年来的教学传统模式为“教师教授知识，学生被动学习”。教师成为课堂的主体，课堂由教师主导8。在该教学模式下，教师虽精心准备了授课内容，但由于学生的知识层次和理解力不够，所学知识往往不能在课堂上有效地吸收、消化，并逐渐丧失了对课程的学习兴趣和动力。因此，建立以学生为中心的翻转教学模式，让学生在课前完成针对“机械制造工艺学”中相关知识点和概念的自主学习，可有效地激发学生的探索欲。教师在课堂对重点知识进行讲解与答疑，并通过学生进行小组讨论与汇报的形式，增加教师与学生之间互动。例如，教师在讲授机械加工工艺过程章节时，可在授课的前一天将课堂资料发给学生，让学生提前预习重点内容，如毛坯概念、工步与走刀、工艺尺寸、机械加工工艺规程等，学生在预习的过程中，可知道自己存在的疑问并向教师提问。在课堂上，可以让学生组成学习兴趣小组并结合生活经验来讲解机械加工工艺过程，如将加工工序比喻成鱼香肉丝的具体制作方法和步骤，工位可比喻成食材在案板上的位置；毛坯可看成预选好的不同种的食材，工艺尺寸可以看成切丝、切片的宽度和长度等。学生通过主动思考将知识点串在一起，成为课堂的真正主人，可高效地掌握知识要点，提高学生的学习兴趣。104第4期4“机械制造工艺学”课程考核体系改革探索现有“机械制造工艺学”课程考核方式主要为高校通用的平时成绩加期末测试，缺乏对学生工程实践能力的考察，不符合新工科中对工程素养培育的要求。因此，建立以工程案例牵引为导向的知识与工程实操结合的双重考核评价，并将考核指标赋予相应的权重，探索建设“新工科”背景下的“机械制造工艺学”考核改革。针对基础知识考核部分，其成绩的权重可设置为50%。通过结合工程案例考核毛坯成形、典型零件的机械加工、材料的热处理工艺、尺寸链、机械设备的装配等概念、基本理论和应用场合等。试题类型中的基础知识侧重考核对知识的理解、掌握与逻辑推演能力。进一步地，通过设置工程案例的开放性思考题，测试学生对机械工艺知识的应用情况。工程实操考核部分主要分为工程图绘制和机械加工设备实操。其中，工程图绘制是对学生空间逻辑思维能力的一个重要的考查形式，其成绩的权重可设置为20%。在计算机技术蓬勃发展的今天，许多企业已不再使用传统的手工绘图，而是采用计算机绘图软件对零件和装配件进行工程图的绘制。工程图绘制的考核形式可以通过教师分配给每个学生一个工程零件，让学生自行测绘并在绘图软件中绘制零件三维图和二维工程图；针对数据和物理结构进行实体的映射分析，并写出自己的绘图工作报告。该考核形式可训练学生的逆向解剖三维图思维，提升三维建模和工程图绘制能力。机械加工设备实操测试可以极大地提高学生的动手能力，训练工程素养。因此，其考核权重可设置为30%。具体考核范围可包括企业中常用的车削、铣削、磨削、数控等加工机床操作，通过给出工程案例中的典型零件图纸，要求学生编制工艺卡，并加工成品实物。这样的实操考核不仅能提升学生的识图能力，还可以考核学生对本门课程关于机械工艺规划、工序、工步、工装和切削用量等9一系列基础知识与技能的掌握情况，开拓学生学习的思路和工程思维。让学生以亲身实践的方式对现在所学学科产生新的认知，也可以突出课程教学中工程实训在课程设计中的重要性，符合建设“新工科”背景下对“机械制造工艺学”课程基础性的改革要求10。5结束语深化工程需求牵引和学生为中心的教育教学改革，把握国家对“新工科”人才培育的新要求，在“机械制造工艺学”课程教学改革与升级中显得尤为重要。回归以学生为主体的教学模式，注重工程案例牵引和工程实操考核，在传授理论知识的同时，促进学生运用当前学到的知识，启发学生对工程问题的创造性思考，有利于学生把理论知识更好地应用在实践中，增强学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，让学生真正对所学的学科有整体认知，并顺利过渡到专业课程的学习，为自己的未来打下坚实的基础。参考文献：1 教育部.教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见J.中华人民共和国国务院公报，2016（34）：45-47.2 洪亮.基于新工科建设的“汽车服务实践”实训课程教学改革研究J.机电技术，2019（1）：100-104.3 李凯岭.机械制造工艺学M.北京：清华大学出版社，2014：31.4 周勇.基于SolidWorks改进“机械制图”教学的研究J.科教文汇（上旬刊），2021（4）：130-131.5 王智能，解景浦，程青鹏.90外圆车刀的刃磨技巧及应用研究J.内燃机与配件，2021（22）：94-95.6 张秋昭，张书毕，高井祥，等.新工科背景下产学研协同培养特色行业人才模式探讨J.教育教学论坛，2019（11）：169-170.7 蔡颂，刘文昊，明兴祖，等.基于MOOC理念 先进制造技术 课程教学改革模式探讨J.内燃机与配件，2020（12）：290-292.8 陈瑶，李伟，裴玉琼.探索以学生为主体的案例式教学法在新药研制与报批教学中的运用J.卫生职业教育，2021，39（24）：86-87.9 王宝恒，李红丽，朱飞，等.高效铣削不锈钢薄壁件刀具优化研究J.组合机床与自动化加工技术，2021（12）：144-146.10 蔡颂，刘文昊，汤迎红，等.高校内燃机课程教学分层分类模式探讨J.内燃机与配件，2021（01）：256-257.陶能如 等：浅析新工科背景下“机械制造工艺学”课程教学模式和考核体系改革105