先进制造技术在实践教学中的探索与实践

［摘 要］ 以江苏理工学院“金工实习”课程为研究对象，阐述了将以激光加工为代表的先进制造技术纳入“金工实习”实践教学体系中的课程建设及实施效果。根据不同的人才培养需求构建了“认知—加工—创新制作”三种不同的课程内容，满足不同专业、不同层次学生的培养需求，契合工程实践教育改革发展方向。通过该教学模式，能够开阔学生视野，锻炼学生创新设计和工程实践能力，对推动先进制造技术融入高等学校实践教学体系具有一定的借鉴意义。

［关键词］ 金工实习；实践教学；先进制造技术；激光加工

［基金项目］ 2022年度江苏理工学院教学改革与研究项目“先进制造视角下的实践教学改革——以‘金工实习’课程为例”（11613412303）；2022年度江苏理工学院“课程思政”示范课程项目“金工实习”（11211342301）

［作者简介］ 陈国炎（1984—），男，江苏盐城人，学士，江苏理工学院工程实训中心实验师，主要从事复杂机械装备设计与优化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）33-0111-04 ［收稿日期］ 2023-06-26

引言

“金工实习”课程作为工程教育的精髓，是培养工程实践能力与创新思维不可或缺的一环，其不仅是工程教育的载体，更是应用型本科教育体系的骨架与脊梁，是理论联系实际、教育回归工程、教学扎根实践的生动体现［1-3］。在新工科建设大背景下，“金工实习”的重要性愈发凸显，对于锻造学生的实践技能、激发创新思维、提升综合素质具有重要意义。工程教育的发展应与制造业的发展前沿保持紧密对接，这意味着我们必须不断将新兴技术融入教学实践，让学生在校园内就能领略到先进制造技术的魅力［4-5］，先进制造技术实践教学成为高校工程教育课程中不可或缺的一部分。激光加工作为先进制造技术领域的典型代表，利用高密度的能量为金属材料和非金属材料的加工开辟了新的天地。当激光技术与数控技术相结合，其应用场景更加广阔，已成为推动我国新兴技术产业发展的核心力量。将激光加工技术纳入高校实践教学之中，旨在让学生在实际操作中理解加工技术的原理和工艺过程，深切体会工程文化的独特魅力，从而全面提升其工程素质、创新思维和实践能力。因此，在“金工实习”这一充满实践性和工程应用性的课程中引入激光加工教学，不仅有助于拓展教学内容的广度和深度，更能够强化学生的创新思维和挑战精神，是新工科背景下实践课程教育发展的必由之路。

一、激光加工实践教学现状和存在的问题

激光加工是一种应用广泛的新兴技术，主要应用于切割、雕刻、打标、焊接、熔敷、打孔、划线、表面处理、快速成型等场合，让学生耳目一新，能够拓宽学生的眼界和创新学生思维，激发学生的求知热情与创新欲望。激光加工技术如今广泛纳入高校的工程实训课程中，并深受学生喜爱［6］。然而当前高校激光加工实训教学面临设备配置、教学资源、实践应用、师资力量等四方面问题，亟待我们共同应对与突破：（1）教学设备不足，难以支撑多样激光加工技术在学生作品创作中的实践应用，学生操作设备进行加工的机会受限。（2）由于课程设置不够合理，非机械专业的学生常因学时限制而未能体验激光加工实训教学，致使这一技能的培养在某些专业中有所缺失。（3）激光加工技术种类繁多，针对不同专业的学生，教学内容需体现多元化。当前教学内容单一，缺乏与专业差异和学科特点的对接。为提升教学效果，应科学区分学生差异，设计多样化的实训时间和内容，并确保与其他实训内容的有机衔接。（4）激光加工设备的精密度与潜在危险性要求具备专业素养的教师进行教学与管理，而当前师资队伍建设存在不足，无法满足实际教学需求，不仅影响了教学质量，也阻碍了学生技能的提升。

二、“金工实习”课程介绍

（一）教学目标

为培养学生的创新实践能力，需要让学生深入了解激光加工技术的基本原理、特点和应用。通过自主设计和亲身实践操作，学生将能够掌握这一先进技术。“金工实习”课程具体的教学要求包括：（1）深入了解激光加工技术，包括技术类型、工作原理、特点、应用和发展等方面的基础知识，使学生更好地应用这一先进技术，同时也为学生日后的学习和研究打下坚实基础；（2）深入了解激光加工设备，包括激光打标、激光切割、激光焊接和激光内雕等设备的基本构成和激光器配置，帮助学生更好地理解设备的工作原理和性能特点，为未来的应用提供更有效的指导；（3）熟练掌握激光加工技术，包括图形设计、设备调节和作品加工，能熟练运用各种激光加工方法。通过这样的学习方式，学生不仅能够提升技术水平，还能培养学生的创新思维和实践能力。

（二）教学设备

江苏理工学院工程实训中心配备齐全的激光设备，如激光切割、激光熔覆、激光焊接和激光打标等，主要用于机械设计制造及其自动化专业的教学与科研。结合课程改革试点，以激光切割和激光打标为重点，开展试点教学，为学生提供更具实践性和前沿性的学习体验。这些设备的引入，有助于培养学生的实际操作能力和创新精神，使其更好地适应未来工程技术领域的发展需求。

（三）课程体系

高等教育的核心任务是培养具备工程创新能力的人才。因此，针对机械设计制造及其自动化专业的需求，我们设计了一套逐步提高的教学方案，构建了“认知—加工—创新制作”的课堂教学模式，如表1所示。通过这种方式，学生可从简单易懂的认知阶段逐渐深入，最终达到能够独立进行创新制作的水平。这样的教学模式不仅提高了学生的实践能力，还培养了其创新精神和解决问题的能力。高校应该将这样的教学模式纳入实践教学中，以培养更多合格的新兴工程科技创新人才。

加工过程的6学时为钳工加工校徽坯料所需的时间，创新制作的2学时为学生进行图形构思、设计所需的时间。将传统加工技术与激光加工技术、理论课程与实践课程衔接在一起，逐步提高学生的综合素质和创新能力，从而建立新型的课程体系。

（四）实训教学内容

学生从课堂走进实训室，对实训室里的设备和工艺过程感到新奇和陌生。为使学生初步了解激光加工技术，我们设置了认知阶段。在此阶段，学生通过文字和图形的加工演示可以直观地了解激光加工的原理、方法以及应用场景。接着进行了加工示范阶段。每名学生根据自己的校徽坯料开始制作校徽，如图1所示。通过这个过程，学生不仅掌握了加工设备的操作方法，也学会了如何设置和调整工艺参数，为其未来的创新制作奠定了基础。在示范加工的过程中，学生逐渐熟悉了激光加工技术，并且通过实际操作提升了动手能力。总体来说，通过这种方式，学生既了解理论知识、提升了动手能力，又对激光加工技术有了更深入的了解，也培养了创新能力。

好奇心被激发后，学生会想设计制作自己作品。创新制作课程内容的目的就是让学生“自我创作、动手实践”，课程重点内容在于学生自行设计和自行加工。学生构思作品时需对坯料与图形的艺术美感进行构思、图案设计、图案处理及试加工，在试加工过程中出现问题则需学生自行思考解决问题的办法，形成自我反思和自我提升过程。试加工完成后即可在准备的坯料上进行作品的制作，图2为学生自行设计加工的作品。创新制作需要学生将自己的构思图形通过图形设计软件设计，同时利用激光加工技术展现出来，全面锻炼了学生运用所学知识开展创新设计和工程实践的能力。

（五）多层次实训课程教学方法

激光加工教学应以学生为核心，积极借助现代技术，差异化教学，以满足不同专业需求。

1.认知型实训项目旨在提供面向非机械类专业的课程教学方式，通过短时间的讲授和演示，激发学生的好奇心和求知欲。在实训课程中，教师采用各种不同于传统理论课程的教学方式，如结合实验室现场作品和展板介绍激光加工的技术类型、特点和应用，让学生能够直观地感受到激光加工的应用。在设备加工制作环节中，教师注重讲解工艺原理和设备结构，带领学生观察加工过程中的现象，如激光强度、加工速度和材料刻蚀深度等。教师要求每名学生在加工结束后提出两个问题并进行回答，以此引导学生深入了解工艺参数对加工过程的影响。通过这种实践性强、互动性强的教学模式，学生不仅能够在短时间内掌握相关知识和技能，更重要的是培养了其对于实际问题的思考和解决能力。认知型实训项目的实施不仅有助于提升学生的学习兴趣和动力，也为学生未来的职业发展提供了更加广阔的空间和可能性。

2.加工型实训项目，是为近机类专业学生设计的课程，通过“作品驱动，任务导向”的教学方式，帮助学生完成校徽的加工制作，实现图形提取、操作、检测、评价为一体的综合性训练。在教学过程中，教师采用多媒体附加动画的方法，生动地展示工艺原理和加工过程，消除学生对设备的陌生感和畏惧感。整个过程以学生为中心，教师由主动教学转变为辅助教学，与学生多互动、多交流，并鼓励学生相互学习，共同探讨解决问题，体验“做中学、做中思”的实践过程。教师适时提出有启发性的问题引导学生思考，并及时纠正实践问题，避免安全隐患的发生。项目设计不仅帮助学生掌握加工技能，而且培养了学生的动手能力、合作精神和解决问题的能力。通过实践操作，学生不仅增强了专业知识的理解和应用能力，还培养了团队合作意识和创新思维。加工型实训项目的成功实施，可以有效提高学生的实际操作能力和综合素质，为其未来就业和职业发展奠定坚实基础。

3.创新制作型实训项目主要面向机械类专业的学生，采用CDIO工程教育模式。学生以小组为单位自主选择课题进行创新制作，课题涵盖了从构思、设计到加工的全流程，旨在培养学生综合运用知识进行加工制作的能力和团队合作精神。作品的主题相对开放，教师需在教学现场陈列展品以进行教学引导。同时，考评过程中引入组长给组员评分的机制，以避免部分学生浑水摸鱼，提升教学质量。通过这种方式，学生不仅可以更好地学习专业知识，还可以培养创新能力和团队合作精神。

三、激光加工实训教学的效果与分析

江苏理工学院工程训练中心承担了校内三十多个专业的“金工实习”教学任务，每年约1 500名学生进行实习。最近几年，激光加工作为新兴技术被引入到“金工实习”课程中，通过不断地教学改革和实践，激光加工模块逐渐发展成为一个包含“认知—加工—创新制作”多层次实训的课程体系。这一体系不仅符合各专业对金工实习的要求，还顺应了学生知识学习的规律。通过激发学生的兴趣，让学生在实践中主动学习和主动创新，从而培养其实践创新能力。通过激发学生的创造力和实践能力，实训课程不仅帮助他们提升了专业水平，还激发了他们对于未来职业发展的热情。江苏理工学院工程训练中心的“金工实习”课程在培养学生综合能力和创新精神方面取得了令人瞩目的成就，为学生的未来发展奠定了坚实基础。

结语

随着新兴技术产业的快速发展，激光加工等关键技术正变得越来越重要。将先进制造技术纳入高等学校的工程实践教学体系中，是顺应时代潮流的举措。发展多学科交叉融合的“应用型”和“综合型”实训教学模式，有利于培养学生的创新设计和工程实践能力。因此，推动各种先进制造加工技术实训教学的开展，契合我国工程实践教育改革发展的总体方向。通过该教学模式，为学生提供更好的学习机会，激发其创造力和实践能力，培养出更多具有竞争力的人才，为我国产业发展注入了新的活力。

参考文献

［1］韩伟，段海峰，江丽珍，等.新工科背景下高校工程训练中心的建设与管理［J］.实验技术与管理，2020，37（7）：238-242.

［2］王银玲，尹显明，孙涛.新工科背景下工程训练中心实践创新平台的构建［J］.中国现代教育装备，2023（5）：85-87.

［3］胡小舰，支双双，刘宇程.新工科双创背景下工程训练中心的建设与探索［J］.焊接技术，2022，51（12）：108-112.

［4］李永亮，夏洪均.先进制造技术在工程训练中的教学实践与探索［J］.教育教学论坛，2018，（31）：154-155.