新工科背景下《机械制造技术基础实验》实践课程教学的探索与思考

吴贤，姜峰，沈剑云，尤芳怡，李远

（1.华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 ；2.华侨大学 制造工程研究院，福建 厦门 ）

一 引言

为推动我国从制造大国向制造强国发展，提高制造业国际竞争力，国家实施了“人工智能”以及“互联网+”等重大战略，新战略需要大量的工程实践能力强、创新能力强、能适应智能制造发展趋势的高素质人才，对我国传统的制造业人才培养提出了挑战。在此背景下，教育部推出了“新工科”教育，一方面，要求高校要对“新工科”人才培养发挥主体作用，培养多样化的创新型卓越工程科技人才。另一方面，国内各高校相继进行工程教育认证工作。开展工程教育认证可以有效地推进教育改革，提高工程教育质量，推动工程教育国际化，增强工程教育的国际竞争力[1]。工程教育认证与“新工科”在应用型、技能型、创新型复合人才培养目标和培养理念要求上是一致的。因此，新时代对制造业人才培养具有更高要求，高校作为制造业人才培养的主要环节，在“新工科”和工程教育认证要求下，迫切需要对原有的课程体系和内容进行全面改革[2,3]。

科学实验是认识世界的重要手段，实验教学是“新工科”课程体系中主要的实践教学形式，是培养学生综合素质和创新创业能力的重要方法和途径。基于“新工科”教学要求，围绕智能制造人才培养目标，针对《机械制造技术基础》的实验教学在实验项目、教学过程、考核方式等方面进行系统的改革和实践，总结实验教学经验，不断提高工程技术人才培养水平。

二 《机械制造技术基础》课程体系组成

《机械制造技术基础》是机械制造及其自动化专业的主干专业课，主要讲授金属切削原理与刀具、金属切削机床、机床夹具原理与设计、工艺规程设计以及机械制造质量分析与控制等基础知识，具有知识覆盖面广、实践性强等特点，使学生能掌握机械制造的基本知识和技能，对制造系统有深入理解[4,5]。该课程教学环节包括理论学习、实验教学以及课程设计，三种教学形式相互促进、相辅相成。理论学习是开展实验教学和课程设计的必要基础，而实验教学和课程设计通过动手实践增强学生对理论知识的深入理解和综合运用[6-8]，相对理论教学，实验教学更加突出研究探索，有助于培养学生创新意识和能力，更加突出观察思考、综合设计和多元分析结合，有助于提高学生的综合科学素质。

三 《机械制造技术基础》的实验教学存在问题

《机械制造技术基础》课程的实践性非常强，单调的课堂教学往往效果不够理想。实验教学是把课堂知识应用于实践，通过验证性、设计性以及研究性实验项目，多角度培养学生的工程技术综合能力，提升学生的工程素养和创新能力，是课程体系中不可或缺的教学形式[9,10]。但是，目前《机械制造技术基础》实验教学中存在下列问题：

（1）实验教学不够重视，实验学时数较少。工程教育专业认证标准中实践课程占比要求是20%以上，实验教学是其中重要的实践教学形式。《机械制造技术基础》理论知识较抽象和枯燥，非常需要通过学生动手实践来理解和强化课堂理论知识，但是目前仅设置实验教学4 学时。

（2）实验项目单一，系统性不足。理论课堂中系统地讲述了工件从毛坯到产品的全部过程，但是实验教学仅简单设计其中某个环节的实验项目，难以体现整个制造流程的密切相关性。目前仅开设“机床夹具现场教学”和“加工误差的统计分析”两个实验项目，实验结构不合理，缺乏系统性。

（3）实验设备不足，实验条件落后。随着智能制造技术的不断发展，很多先进制造技术得到广泛应用，如刀具、装夹和检测等相关新技术，但目前实验设备陈旧，多年没有更新，实验技术严重脱节实际工程应用中最新技术。

（4）考核方式不合理，缺乏持续改进机制。以往实验教学过程中，考核形式主要以实验报告为主，平时成绩流于形式，实验报告经常出现大面积抄袭，导致教师无法得到正确的教学效果反馈。

由于这些问题的存在，导致《机械制造技术基础》的实验教学难以达到理想学习效果。因此，面对“新工科”教学要求，有必要对实验教学环节进行改革，培养学生动手实践和工程应用能力，提高学生创新创业能力，对学生毕业后快速适应工作环境具有良好的促进作用，从而提升毕业生质量。

四 《机械制造技术基础》实验教学改革措施

针对上述问题，从合理设计实验项目、更新实验设备、丰富实验教学过程及完善实验教学考核方式四个方面对《机械制造技术基础》实验教学实施系统的改革措施。

1.合理设计实验项目

通过对《机械制造技术基础》理论知识的梳理和总结，围绕实验教学目标，独立实验课程设计10 个实验项目，包括机械加工方法与刀具认知、刀具角度测量、机床几何精度测量、机床工艺系统静刚度测量、典型夹具拆装、切削力测量、切削温度测量、切屑形貌观察与控制、加工质量测量与分析以及加工误差统计分析。实验项目对应《机械制造技术基础》课程不同章节知识点，分别从刀具、机床、夹具、工艺以及质量五个模块涵盖机械制造从毛坯到产品的全过程，如图1 所示。刀具、机床和夹具模块主要让学生掌握机械制造，涉及到常用的相关仪器设备，工艺模块主要让学生理解机械制造工艺过程及其状态监测技术，质量模块则主要让学生掌握常见的机械加工质量测量和分析技术。

实验项目即包含基础练习实验，也包含综合设计实验和研究探索实验。基础练习实验主要针对专业术语认识、基本概念理解和基本仪器使用训练；综合设计实验主要是利用基本知识和技能来解决工程技术问题；研究探索实验主要是学生自主选题，应用所学知识来探索新知识和新技能。通过系统的设计实验项目，使实验项目合理分布，实验项目之间是相互联系的，而不是孤立的工艺环节。实验项目将机械制造流程中不同工艺环节完整的串联起来，有助于学生深入理解不同工艺环节的密切关联性以及相互影响作用，培养学生综合运用所学知识解决复杂工程技术问题。

图1 实验项目模块

2.更新实验设备

实验设备是支撑《机械制造技术基础》实验课程的基础条件，是实现实验教学目标的必备教具。由于实验设备过时，严重落后于当前智能制造背景下的机械制造发展水平，往往难以获得理想的教学效果[11-12]。例如，刀具角度测量实验中，所用设备为车刀量角仪，只能简单测量传统车刀角度，无法测量机械加工中应用广泛的铣刀角度。切削温度测量实验中，传统教学使用热电偶测温法，相比而言，红外热像仪能测量整个加工区域温度场，已经得到广泛应用。加工误差统计分析实验中，使用千分尺测量圆柱销直径，而自动化生产线上光学投影尺寸测量技术已得到成熟应用。学生无法接触和掌握实际生产中应用技术，导致在今后工作中无法直接运用所学知识，一定程度上降低了毕业生培养质量。

针对开设的实验项目，结合制造企业中实际应用技术，更新实验设备，包括刀具检测仪、红外热像仪、影像尺寸测量仪、手持粗糙度仪等等，如图2 所示，已成功使用在实验教学中。此外，还制作了切屑样本，自主搭建了机床工艺系统静刚度测量装置。这些实验设备不仅可满足《机械制造技术基础》实验教学需求，还为学生科创工作提供硬件条件，提高学生实践动手和创新创业能力。

图2 更新实验设备

3.丰富实验教学过程

传统实验教学遵循实验老师讲解示范和学生被动接受的教学模式，教学过程主要以“教”为主，对“学”关注较少，学生的动手操作少，主动思考意识弱，缺乏培养学生的研究创新能力[13]。为适应“新工科”教学形式，实验教学方法上需要结合不同实验项目的实际情况，探索不同教学模式和方法，转变实验教学思维，探索丰富的实验教学过程，增加实验过程中的设计性，以及实验结果的研究性，来提高学生动手能力，加强学生主动性，进一步启发学生创新思维。

例如，在切削力和温度、加工质量等实验中，让学生自己来设计实验方案，根据所学的切削原理知识来自主选择实验工艺参数，增强学生在实验过程中的参与度，提升学生对工艺参数的理解程度。在做完实验后，增加对实验数据处理以及理论分析过程，除讲解传统上通过对数图表进行数据处理的方法，将目前广泛应用的Origin、Excel 等计算机数据处理手段引入，充分调动学生积极性。此外，实验教学过程中既有学生独立完成的部分，又有小组讨论、分工合作部分，锻炼学生的团队合作精神。以提升实验教学效果为目标，通过多样化的实验教学过程，在实验教学过程中通过强化师生互动，杜绝全程实验演示，学生被动跟进的现象，注重学生创新性、批判性思维培养。鼓励学生在完成基本实验教学要求基础上进行研究和探索，鼓励学生有效的将课堂知识技能与课外应用有机融合。

4.完善实验教学考核方式

目前实验教学的考核形式主要以实验报告为主，实验过程的考核流于形式。实验报告主要考核学生对于复杂工程问题建立数学模型的能力，以及对实验数据进行分析得出合理结论的能力，实验过程主要考核动手实践能力，包括操作规范、实验设计、实验参与度和完成度等实验表现。合理的实验教学考核方式不能简单依靠实验报告，还应明确实验过程的量化考核方式。对学生的每个实验步骤进行追踪和记录，不仅可以考核学生实验完成度，还可以有效反馈学生在实验过程中的问题和难点，对教师改进实验教学过程具有重要意义，指导教师针对难点部分放慢教学节奏作详细示范案例讲解，提高学生的实验积极性和学习效果。

五 实验教学改革效果

华侨大学通过实施上述实验教学改革措施，学生在《机械制造技术基础》实验课程中总体表现较好，对实验过程的考核更加合理、客观。通过教学质量调查问卷发现，学生均认可实验教学和考核方式，相比以往实验的积极主动性有较大改善。尽管部分学生反映学习过程中要付出很多努力，但是收获很多，特别是综合运用课堂知识来分析和解决复杂工程技术问题的能力具有较大提升。通过学习，掌握机械制造领域的一些主流技术，让学生更加清晰对毕业后未来工作规划，有助于建立学习自信心，还有学生积极将所学技能和方法应用在科创作品制造中，这些都是学生动手实践和创新创业能力提升的具体体现。

六 结语

在“新工科”教学要求下，通过分析《机械制造技术基础》实验教学中存在的问题和不足，实施合理设计实验项目、更新实验设备、丰富实验教学过程以及改善教学考核方式四个方面的实验教学改革措施，将机械制造工艺流程从毛坯到产品的不同工艺环节完整地串联起来，实验教学效果具有较大改善，学生综合素质能力具有明显提升。同时，随着智能制造的快速发展，机械制造产业中应用技术不断更新换代，对制造业人才要求不同，实验教学需要不断探索和更新。