“机械制造技术基础”教学案例库建设

［摘 要］ 针对目前“机械制造技术基础”课程教学案例普遍存在知识点较为单一，应用背景较为陈旧的特点，通过收集来自机械领域学术前沿、工程生产实践以及项目组成员的相关科研成果的案例，建设成一个适用于机械工程领域学生培养，兼具工程实践性、学术前沿性和综合性特点的“机械制造技术基础”案例库。并探讨了案例教学的实施过程、教学形式、考核方式设计以及主要特色和创新。通过案例教学，可以使学生了解学科前沿动态，感受企业生产实际，进而提高其工程实践能力和创新意识。

［关键词］ 机械制造技术；案例库；工程实践能力；创新能力

［基金项目］ 2020年度齐鲁工业大学（山东省科学院）教学改革研究项目“基于工程实践能力和创新能力培养的‘机械制造技术基础’教学案例库建设”（2020yb20）；2019年度山东省专业学位研究生教学案例库建设项目“‘现代测试技术及应用’教学案例库建设”（SDYAL19122）；2021年度齐鲁工业大学（山东省科学院）教学改革研究项目“基于‘产教融合’的‘机械制造技术基础’课程教学方法研究”（2021yb35）

［作者简介］ 周婷婷（1983—），女，山东枣庄人，工学博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）副教授，主要从事高速切削加工技术和智能加工技术研究；张培荣（1989—），男，山东泰安人，博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）副教授，主要从事高性能表面加工制造及强化技术研究。

［中图分类号］ C642.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0145-04 ［收稿日期］ 2022-09-26

一、“机械制造技术基础”教学案例库建设的意义

“机械制造技术基础”是面向机械设计制造及其自动化专业本科生开设的一门专业基础课程。该门课程是将原有的“金属切削原理与刀具”“金属切削机床”“机床夹具设计”和“机械制造工艺学”4门课程融为一体，主要讲述金属切削的基本理论，金属切削机床、刀具和夹具的基本知识，机械制造工艺规程和装配工艺规程制定、机械加工质量的分析与控制等知识［1］。该课程具有教学内容与工程实践联系密切、课程知识覆盖面广、理论知识较为抽象、知识点多、综合性强等特点。而在课堂讲授中，部分任课教师由于缺乏实践经验，普遍以“灌输式”讲授为主，很少结合实际案例对相关理论知识展开论述［2］。在这种传统教学模式下，培养出的学生对知识点的掌握较差，不能对知识活学活用，缺乏独立思考能力和实践能力。案例教学则是将理论与工程实践问题紧密结合，推进教学改革的重要手段。因此，在课堂教学中尝试采用案例教学法，重现真实工程情境［3］，引导学生运用所学知识进行主动思考、分析和讨论，同时师生之间也进行反复的交流与互动，以寻找解决实际问题的最佳办法，从而提升学生分析问题、解决问题的能力。

目前，国内外关于机械工程专业制造技术类课程的教学案例研究还比较少。虽然讲授机械制造技术课程的一些教师在之前的教学中会应用一些工程实例充实教学内容，但是这些工程实例都还未达到一个真正教学案例的要求。例如，案例包含的知识点较为单一，无法与前后的知识点形成联系，缺乏综合性和系统性；一些教学案例基于理论，脱离工程实际和本专业的专业背景；不少案例沿用多年，涉及的应用背景陈旧，不能很好地联系本专业的科技发展前沿。因此，案例良好的教学效果不能够得到体现，难以实现对学生分析解决问题的能力、实践能力和创新能力的培养。

显然，相对于机械设计制造及其自动化专业“机械制造技术基础”课程开展案例教学的迫切性而言，其教学案例库的建设工作明显滞后。为了保证案例教学的顺利实施，加强学生对理论知识的系统掌握、提高学生分析解决实际问题的能力以及启发创新思维，建设和完善与“机械制造技术基础”课程教学特点相适应的教学案例库具有重要的意义。

二、案例库体系结构和具体内容

（一）案例库整体框架

针对传统的“机械制造技术基础”课程讲授中存在的诸多问题，依托齐鲁工业大学校级教研项目“基于工程实践能力和创新能力培养的‘机械制造技术基础’教学案例库建设”项目，探索建立一种适用于机械工程领域本科生培养，兼具工程实践性、学术前沿性和综合性特点的“机械制造技术基础”案例库。该案例库由10个案例组成，涵盖金属切削理论、切削加工工艺装备、机械加工工艺和装配工艺规划、机械加工质量分析和控制以及特种加工五大模块。案例内容覆盖本课程教学重点和难点。每个案例模块包括若干案例，案例库整体框架如图1所示。

（二）案例库具体内容

“机械制造技术基础”案例库具体案例内容如下。

1.五轴数控机床结构分析和应用。针对叶轮、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等具有复杂曲面的零件加工特点，引出五轴数控机床的介绍，进一步分析其结构特点和关键部件，并讨论三轴数控机床和五轴数控机床结构和工艺范围。

2.滚齿机结构认知和传动链分析。通过一个螺旋直齿圆柱齿轮的加工，引导学生认知滚齿机的结构、主要传动链和展成法工作原理。并通过仿真实训的方式，让学生参与滚齿加工的仿真操作。

3.钻床夹具结构认知与定位误差分析。根据孔加工零件的工艺要求，结合夹具结构组成和定位原理等教学内容，使学生掌握钻床夹具的结构特点，进一步分析计算使用钻床夹具进行孔加工的定位误差。

4. 45钢传动轴加工用刀具材料和几何参数选用。针对45钢传动轴的外圆，端面、倒角加工的工艺特点、加工精度要求和工件材料属性，联系刀具材料、结构和几何角度等基本知识点，引导学生从切削理论的角度去分析和选择刀具材料及其几何参数。

5.数控刀具磨损监测系统的原理和应用。基于刀具磨损状态对加工质量有重要影响的研究背景，结合刀具磨钝标准、刀具寿命和刀具磨损机理等知识点，分析传统刀具寿命管理技术的缺点，以及现代数控刀具磨损监测技术的特点和优势。

6.减速器下箱体加工工艺规程制定。分析减速器下箱体的零件图，审查零件的结构工艺性，确定毛坯，确定加工表面的成型方法，安排加工顺序，选取加工设备及刀具、夹具，组合工序，最终拟定减速器下箱体加工工艺规程。

7.某型号柴油机装配工艺规程设计。根据某型号柴油机的技术要求，分析装配结构工艺性，明确各零部件的装配关系，确定装配方法，划分装配单元，明确装配顺序，拟定该柴油机的装配工艺规程。

8.精镗活塞销孔加工误差分析。根据活塞销孔的加工要求，合理选择加工机床和夹具。基于活塞销孔的加工方式和定位情况，结合加工精度和误差分析的教学内容，分析影响工件尺寸精度、形状精度和位置精度的工艺系统原始误差因素。

9.航天薄壁结构件加工质量分析与控制。针对航天薄壁件加工过程中变形大、加工精度难以控制的问题，分析影响加工质量的因素包括刀具、夹具、工艺参数设置等，进一步结合传统的刀具角度影响切削力、切削温度以及机床夹具等内容教学，总结保证航天薄壁结构件加工质量的措施。

10.轮胎模具电火花加工工艺和3D打印工艺对比分析。根据轮胎模具内腔的结构特点，介绍模具内腔电火花加工的工艺过程，总结电火花加工的工艺特点，引导学生讨论电火花加工轮胎模具时某些复杂曲面特征难以加工的局限性。然后结合3D打印教学内容，进一步引导学生从加工精度、加工效率的角度对电火花加工和3D打印加工轮胎模具进行对比分析。

三、案例库案例的格式规范和考核方式设计

设计科学合理的案例格式规范，遵循人的基本认知规律，本案例库采用背景介绍—问题引出—分析问题—解决问题—获得结论的模式，以体现案例教学的系统性、启发性、互动性和工程实践性等特点［4］。

改革课程考核标准，将案例讨论、课后拓展添加进课程考核中，探索案例讨论和课后拓展的考核方式和合理占比，并将其作为平时成绩的一部分，使课程考核成绩能反映出学生独立思考能力和实践能力。

四、案例库典型案例分析

现以“数控刀具磨损监测系统的原理和应用”案例为例，来介绍案例教学具体的实施过程。

（一）介绍案例背景

结合实际车间生产时的刀具状态管理现状进行案例背景介绍。对刀具磨损状态进行有效监测，是保障加工质量和加工效率的一个重要前提。但是当前传统的刀具管理方法采用计件式或累计刀具切削时间的方式，不仅造成大量刀具的保守使用，对于由加工参数和工件材料发生变化时所引起的刀具严重磨损和破损现象也无法及时、准确地进行预测。在此过程中可联系课程中刀具磨损、刀具寿命、刀具结构等知识点。

（二）提出问题

提出问题，引导学生思考怎样才能对刀具状态进行及时、准确评估，然后结合传感技术和信号处理技术不断成熟的背景，向学生介绍当前发展起来一种更为可靠的技术——刀具磨损监测技术对刀具状态进行监测。同时可穿插讲解切削过程中的切削力、切削温度对刀具磨损影响规律以及不同工件的切削加工性等知识。

（三）认识刀具磨损监测技术的种类和内涵

刀具磨损监测技术主要有直接监测法、间接监测法和基于数字孪生的刀具磨损监测技术。在讲授该部分内容时，可采用丰富的案例形式，如利用PPT、视频、虚拟仿真动画等形式来使学生更好地理解各类方法的原理和内涵。同时采用“启发提问”和“分组讨论”等形式引导学生分析和总结各种监测方法的特点。

（四）布置大作业

布置大作业，让学生查找相关文献资料，总结刀具磨损监测技术的研究进展和关键技术，设计并搭建刀具磨损监测系统，并进行课堂汇报展示。

在该案例讲授过程中，针对当前生产车间中刀具状态管理技术存在的普遍问题进行了分析，还了解了当前刀具状态管理领域的最新科技问题，如基于数字孪生的刀具磨损监测技术等。在培养学生分析问题能力的同时，还能开拓学生的学术视野。进行案例讲解时，不仅联系了教材上有关刀具磨损、刀具寿命、刀具结构等基本知识点，还涉及了切削过程中的切削力、切削温度对刀具磨损影响规律等知识，注重知识点之间的横向和纵向联系，培养学生综合运用理论知识解决复杂工程问题的能力。

此外，该案例教学在课堂上进行案例背景知识讲授和关键问题分析，在课后采用大作业的形式让学生查阅文献完成相关报告和设计，采用讲授、启发提问和分组讨论相结合、课堂教学和项目设计相结合的教学方式。丰富的教学形式能够加深学生对理论知识的掌握，更锻炼了学生分析和解决复杂问题的能力，提升了教学效果。

五、案例库建设的创新点

建设的“机械制造技术基础”教学案例库具有如下特色和创新性。

（一）工程实践性和学术前沿性相结合

本案例库从与工程实践密切联系的优秀学术成果中以及项目组成员的相关科研课题中提取素材，此外还邀请工程经验丰富的校外专家参与案例建设，注重工程实践性和学术前沿性相结合，一方面极大促进了学生综合运用理论知识解决复杂工程问题的能力，另一方面有助于学生了解本专业相关领域的最新研究动态，拓宽学生的学术视野。

（二）专题案例和综合案例相结合

本案例库由专题案例和综合案例组成。专题富有针对性，在编排上体现出相关知识点相对集中的系列化特点，可加强学生对理论知识点的理解；综合案例注重知识点的横向和纵向联系，可涉及多个章节的知识，体现复杂性和综合性，有利于提高学生综合运用理论知识解决复杂工程问题的能力。

（三）课堂教学和项目设计相结合

本案例库中的综合案例涉及切削加工工艺装备、夹具定位方案和定位误差分析、加工工艺和装配工艺规程拟定、加工质量分析和控制等内容，具有复杂性和综合性的特点。其中案例涉及的理论知识利用课堂时间进行讲述，并以启发式和提问式的教学方式引导学生思考如何运用相关知识解决案例中的工程问题。而需要查找资料，搜集先进制造技术研究现状和工艺规程拟定的工作可通过项目设计的形式让学生在课下完成，设计结果可让学生在下一次课堂中展示。课堂教学和项目设计相结合的案例式教学的实施，不仅可以加深学生对理论知识的理解，更锻炼了学生分析和解决实际工程问题的能力。