縱向與橫向?qū)嶒?yàn)關(guān)聯(lián)法在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(dòng)。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(jì)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(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成,是實(shí)現(xiàn)理論知識向應(yīng)用能力轉(zhuǎn)化的重要途徑,而實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)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(shí)踐性較強(qiáng),其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)占比超過課程學(xué)時(shí)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(xiàng)目每批次小于8人。我校機(jī)制專業(yè)為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,建立了項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分散于不同課程中,項(xiàng)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(xiàng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn),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(jì)與制造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)產(chǎn)業(yè)能力需求進(jìn)行全盤布局,在實(shí)踐教學(xué)中構(gòu)建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,對提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、動(dòng)手能力和工程意識有著重要的意義。許多高校從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和項(xiàng)目規(guī)劃方面開展了大量實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革工作。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;為提高工程實(shí)踐性在“機(jī)械工程材料及其成形技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程中采用項(xiàng)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(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用探索。[9-11]實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)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(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群。[12-13]然而,介紹產(chǎn)業(yè)需求下課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)踐教學(xué)特點(diǎn),提出縱向與橫向?qū)嶒?yàn)關(guān)聯(lián)法,以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)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(shí)踐教學(xué)平臺,建立以機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程體系,優(yōu)化現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革。同時(shí),針對制造業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)實(shí)際需求脫節(jié)、產(chǎn)教融合不夠深入、工程教育實(shí)踐環(huán)節(jié)相對薄弱等問題,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革,以期通過“主動(dòng)適應(yīng)轉(zhuǎn)型”方式為培養(yǎng)適應(yīng)再工業(yè)化時(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)方法不足以滿足現(xiàn)有面向產(chǎn)業(yè)需求的實(shí)踐教學(xué)需求。較為理想的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jì)、測試等生產(chǎn)實(shí)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(shí)踐與創(chuàng)新能力。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)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?yàn)關(guān)聯(lián)法,將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;橫向關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)法是以相同的實(shí)驗(yàn)作品(產(chǎn)品)不同的工藝方法為關(guān)聯(lián)點(diǎn),即“一項(xiàng)多做”形成工藝和生產(chǎn)效果對比,形成設(shè)計(jì)性、綜合性、開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；诳v向與橫向關(guān)聯(lián)法,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容,將現(xiàn)有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)裝置,補(bǔ)充完善部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,有利于達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容和提高實(shí)踐教學(xué)的效果。該方法主要在專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(shí)施方案如下。第一,在機(jī)制專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,基于縱向與橫向?qū)嶒?yàn)關(guān)聯(lián)法,調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)課程,自主設(shè)計(jì)、制造相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)踐與創(chuàng)新能力。三、實(shí)施案例根據(jù)縱向與橫向?qū)嶒?yàn)關(guān)聯(lián)法,將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖1所示。由圖1可知,數(shù)控技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括數(shù)控車手動(dòng)編程與仿真加工實(shí)驗(yàn)、數(shù)控車自動(dòng)編程與仿真加工實(shí)驗(yàn)、數(shù)控銑床手動(dòng)編程與仿真加工、數(shù)控銑床自動(dòng)編程與仿真加工實(shí)驗(yàn)及三維曲面自動(dòng)編程與仿真加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的整體理解和工程應(yīng)用能力。圖2(a)和(b)為計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件自動(dòng)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(dòng)對接第二課堂或其他科創(chuàng)平臺的實(shí)踐需求,擴(kuò)大了實(shí)踐能力提升的范圍。2.用于課程間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生掌握自動(dòng)編程及仿真加工后,則可進(jìn)入實(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求,構(gòu)建模具型腔雕刻及拋光實(shí)驗(yàn)、蠟?zāi)Ｖ谱髋c熔模鑄造實(shí)驗(yàn)、電火花成型實(shí)驗(yàn)、加工中心實(shí)驗(yàn)和真空注型實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目。學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn),并最終用鑄造出的工件作為真空注型實(shí)驗(yàn)的原型件。同時(shí),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(shí)現(xiàn)電火花成型或穿孔實(shí)驗(yàn),形成另一個(gè)縱向關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目群。計(jì)算機(jī)繪圖實(shí)驗(yàn)、有限元技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形成體系,讓學(xué)生在更清楚理論課程和實(shí)驗(yàn)課程之間關(guān)聯(lián)的同時(shí),清楚整個(gè)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(shí)驗(yàn)裝置提升縱向關(guān)聯(lián)效果為提升實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間的關(guān)聯(lián)效果,課題組自制了多臺實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器,包括氣動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置。通過自制蠟?zāi)３尚蛯?shí)驗(yàn)裝置,有效銜接了模具型腔雕刻和蠟?zāi)Ｖ谱髋c熔模鑄造實(shí)驗(yàn)。圖3為數(shù)控機(jī)床雕刻出一個(gè)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)！合瀸?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn);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(gè)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(jì)實(shí)驗(yàn)過程并操作設(shè)備,從而提高實(shí)驗(yàn)參與度。自制蠟?zāi)３尚脱b置不僅解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備學(xué)生無法深度參與的實(shí)驗(yàn)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(jì)和創(chuàng)新設(shè)備的信心與動(dòng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn),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(shí)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(shí)驗(yàn)中加以驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題中對比兩類實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件繪制學(xué)生所設(shè)計(jì)的圖像,再利用CAM軟件生成數(shù)控程序,并通過實(shí)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(shí)驗(yàn),可以在夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)的同時(shí),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(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)體系,優(yōu)化了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的項(xiàng)目和內(nèi)容。關(guān)聯(lián)項(xiàng)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(shí)施以來,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容工程性更強(qiáng),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間關(guān)聯(lián)性更顯著,有效解決了學(xué)生課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中“見樹木,不見森林”的問題,同時(shí)有效提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)興趣和工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。通過橫向關(guān)聯(lián)的對比,學(xué)生變被動(dòng)接受知識為主動(dòng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)際工程應(yīng)用問題的能力。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)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?yàn)關(guān)聯(lián)法,重構(gòu)了