纵向与横向实验关联法在机械设计制造及自动化专业实验教学改革中的应用

一、引言随着高等教育“双一流”建设的持续深入,特别是中国制造已开启从制造大国开始迈向制造强国的征程,满足国家现代产业需求的创新性、综合性工程人才培养已成为中国高等教育的必然任务。[1-2]传统高等教育人才培养的范式是源于专业本位,强调围绕学科知识主体开展教学活动。在传统模式下,知识得以系统传递,但也导致学生的知识结构囿于学科范畴,造成学生的学科知识局限和工程应用能力不足。[3]新工科人才培养承担着从传统的学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转变到支撑引领的任务[4],对正在更新中的机械设计与制造专业(以下简称机制专业)工程应用技术人才培养提出了新要求。产业新经济新工科背景下进一步提升机制专业工程应用人才培养是高校面临的挑战。[5]实践教学与理论教学相辅相成,是实现理论知识向应用能力转化的重要途径,而实验课程项目建设是提升工程应用能力的最佳途径之一。[6-8]机制专业实践性较强,其实验项目学时占比超过课程学时的15%,且主要以小批量进行上课。以桂林电子科技大学(以下简称我校)机制专业为例,大多项目每批次小于8人。我校机制专业为提高实验教学质量,建立了项目式实验项目,很好地解决了原有专业知识点培养和应用能力不足的问题。但是,原有课内实验项目分散于不同课程中,项目之间独立分散,缺少紧密的联系,学生学习一门课程和做完一项课内实验,很难建立起各课程之间的联系,出现“见树木,难见森林”的现象。因此,对看似零散的课内数字化设计与制造实验项目根据产业能力需求进行全盘布局,在实践教学中构建实验项目体系,对提高学生的专业素养、动手能力和工程意识有着重要的意义。许多高校从实验项目和项目规划方面开展了大量实验课程教学改革工作。实验项目方面进行建设的典型教学改革有:借助虚拟仿真技术开设三维装配工艺实验项目;为提高工程实践性在“机械工程材料及其成形技术”实验课程中采用项目式教学法;基于关联性教学的理念,开展关联性教学在岩石力学实验课中的应用探索。[9-11]实验项目整体方面进行建设的典型教学改革有:提出以知识点关联的指导原则,对实践教学平台总体方案进行改革;以机械类专业核心课程为框架,构建了机械类创新设计性实验项目群。[12-13]然而,介绍产业需求下课内实验项目建设方法的研究较少。本文根据人才培养需求和实践教学特点,提出纵向与横向实验关联法,以培养学生的工程实践与创新能力。二、建设思路课题组基于《中国制造2025》,结合我校现有机械类本科技术应用人才特色,充分利用现有实践教学平台,建立以机械创新设计与制造为基础、以工业数字化和系统化为标志的实验项目课程体系,优化现有实践教学内容,推进实践教学改革。同时,针对制造业人才培养与企业实际需求脱节、产教融合不够深入、工程教育实践环节相对薄弱等问题,进行实验项目改革,以期通过“主动适应转型”方式为培养适应再工业化时代技术人才贡献一份力量。原有以知识点强化的实验项目建设方法不足以满足现有面向产业需求的实践教学需求。较为理想的实验项目建设不仅可以支撑理论教学、巩固教学知识点,而且可以通过再现调研、设计、测试等生产实现过程,模拟工艺或工艺链过程,或复现产业生产技术要素,强化学生工程实践与创新能力。这些实验项目内容均应以工程应用为中心进行整体规划建设。因此,根据实践教学需求和产业人才能力需求,课题组提出了纵向与横向实验关联法,将课内实验进行纵向或横向关联,以强化课程之间的联系。纵向关联实验法是以典型产品的机械加工工艺、各道工序和产业链为关联点,形成交叉性、综合性实验项目;横向关联实验法是以相同的实验作品(产品)不同的工艺方法为关联点,即“一项多做”形成工艺和生产效果对比,形成设计性、综合性、开放性实验项目。基于纵向与横向关联法,优化实验项目内容,将现有课内实验进行关联,形成实验项目立体网,可以弥补现有教学平台的不足。自制部分实验装置,补充完善部分实验项目,有利于达到优化实验项目内容和提高实践教学的效果。该方法主要在专业实验中开展试点,重点在数控技术、现代制造技术、特种加工、模具制造工艺学、模具制造技术等专业课程中进行。具体实施方案如下。第一,在机制专业的专业实验项目中,基于纵向与横向实验关联法,调整实验项目,优化实验项目内容。第二,依据课程的先后顺序和专业课程的集成度,设置更为集成和综合的实验项目,提高学生解决复杂问题的能力。第三,针对特色明显的实验课程,自主设计、制造相应的实验教学设备,增强实验项目关联力,增加学生可参与环节,提升学生工程实践与创新能力。三、实施案例根据纵向与横向实验关联法,将课内实验进行纵向或横向关联,以强化课程之间的联系,制定专业课程实践教学大纲,并形成相应指导书。具体关联法应用案例如下。(一)纵向关联法的应用案例1.用于课内实验项目基于实验项目纵向关联法在专业课程中开展关联建设工作,部分关联实验项目如图1所示。由图1可知,数控技术课内实验包括数控车手动编程与仿真加工实验、数控车自动编程与仿真加工实验、数控铣床手动编程与仿真加工、数控铣床自动编程与仿真加工实验及三维曲面自动编程与仿真加工实验。实验项目内不仅有基本的指令使用、程序调试、工序编写、对刀方法和刀具补偿等知识点的应用能力培养,而且选用典型零件(回转体和曲面型腔),并沿着一定工序完成典型工件加工,从而形成了一系列递进的实验项目。实验项目通过工序和知识点进行关联,提升了学生对课内实验项目之间的整体理解和工程应用能力。图2(a)和(b)为计算机辅助制造(CAM)软件自动编程过程和数控铣床仿真加工过程图,掌握基本应用后,学生还可以基于该平台自行扩展,如自动对接第二课堂或其他科创平台的实践需求,扩大了实践能力提升的范围。2.用于课程间实验项目学生掌握自动编程及仿真加工后,则可进入实际机床的加工,结合模具制造工艺学、特种加工、先进制造技术等课内实验项目的要求,构建模具型腔雕刻及抛光实验、蜡模制作与熔模铸造实验、电火花成型实验、加工中心实验和真空注型实验等项目。学生通过自主设计的模型,基于前面数控技术课程中CAM软件产生CNC代码,进行模具型腔雕刻加工及表面抛光。之后,将做好的模具用来完成蜡模制作与熔模铸造实验,并最终用铸造出的工件作为真空注型实验的原型件。同时,通过数控机床加工出紫铜电极(学生自定义),可以利用自制电火花打孔装置实现电火花成型或穿孔实验,形成另一个纵向关联的实验项目群。计算机绘图实验、有限元技术实验同样可以应用类似关联的模式,将原有较为独立的专业实验项目形成体系,让学生在更清楚理论课程和实验课程之间关联的同时,清楚整个机制专业工艺链之间的关系,从而提升工程中应用专业知识的能力。3.自制实验装置提升纵向关联效果为提升实验项目间的关联效果,课题组自制了多台实验教学仪器,包括气动蜡模成型装置、便携式电火花打孔机、并联式大行程3D打印机、桌面式雕刻机等实验装置。通过自制蜡模成型实验装置,有效衔接了模具型腔雕刻和蜡模制作与熔模铸造实验。图3为数控机床雕刻出一个模具型腔并进行抛光,然后在自制蜡模程序装置上通过该模具型腔制作出蜡模。压蜡实验获得的蜡模经过石膏粉和失蜡过程,可以进一步制作出石膏模型。通过锡金属的浇注,可以完成铸造实验;而压制出的蜡模或浇注出的模型,则可用来作真空注型的原型件。整个过程中,锡金属熔点较低,自制蜡模机体积小且操作简单,学生完全可以全程自主设计实验过程并操作设备,从而提高实验参与度。自制蜡模成型装置不仅解决了现有实验设备无法进行纵向关联的问题,而且解决了面对大型实验设备学生无法深度参与的实验教学问题。简易设备的制造也在无形中提高了学生自主设计和创新设备的信心与动力。(二)横向关联法的应用结合产业对工程应用人才能力的需求,将横向关联法实验项目作为课内实验,部分横向关联法应用结果如图4所示。关联后,教师在实际教学过程中有意识地引导学生思考不同加工方法、不同工艺之间的对比,并在实验中加以验证,有助于强化学生对机械制造工艺异同的理解。图5(a)和图5(b)分别为激光切割板材和数控冲床冲裁板件的实验现场图。两种加工设备相同的地方是都能对薄板金属进行加工,都能对特定形状的工件进行加工,但二者由于工艺的差异,各有特点。激光切割机可灵活切割几乎任意形状的工件(最小尺寸有要求),但切割边缘质量(依赖于工件尺寸、激光功率和扫描速度)比数控冲床差,而数控冲床虽然灵活性相对较小,但对有固定模具的特定工件而言,具有质量容易控制、切割边缘质量高、适合大批量生产的优势。因此,学生在实验报告思考题中对比两类实验的差异,不仅可以巩固所学知识点,而且可以加深对工艺的理解和提高实验兴趣。教师引导学生自主查阅相关产业应用资料,关注产业应用现状。此外,根据激光切割灵活性的特点,利用计算机辅助设计(CAD)软件绘制学生所设计的图像,再利用CAM软件生成数控程序,并通过实际切割效果,带领学生分析切割质量,让学生进行对比性实验,可以在夯实学生基础的同时,提升他们综合对比、辨识的能力。四、应用效果纵向与横向关联法的运用符合《中国制造2025》背景下机制专业数字化人才培养要求,完善了我校的实验教学培养体系,优化了现有实验教学中的项目和内容。关联项目主要面向我校机械制造的学生,每年受益学生有400余人。该方法自实施以来,实验项目内容工程性更强,实验项目间关联性更显著,有效解决了学生课内实验项目中“见树木,不见森林”的问题,同时有效提高了学生的专业实验兴趣和工程实践与创新能力。通过横向关联的对比,学生变被动接受知识为主动学习,既提高了探索兴趣,又提高了全局意识,学生对机械加工的认识更加全面。五、结语现有机制专业课内实验项目既要支撑学生掌握基础的知识点与方法,又要培养学生运用知识解决实际工程应用问题的能力。本文根据实验教学项目离散不成体系而产业需求逐步提高的现状,提出了纵向与横向实验关联法,重构了