基于理论-实验-项目三位一体的制造工程认知实践课程改革

摘  要：为了使学生在学习制造工程认识实践课程中，将理论知识的学习、实验技能的训练及实践能力的培养有机融合，提出构建理论-实验-项目三位一体的课题体系。理论部分主要起到扩大学生的知识面，了解制造业的前沿的目的;实验部分主要通过设计不同的实验环节，让学生掌握基本的实验技能;实践项目是基于学习的理论知识及掌握的实验技能，通过完整的项目选题、项目实施及项目展示培养学生的创新能力及实践动手能力。通过理论-实验-项目并行推进、融汇贯通，从而达到学生知识、技能、能力的全方位提升。同时建立与前期课程CAD和工程制图的衔接，打通由“工程表达”到“工程实现”的渠道，通过在课程中引入“精度”“配合”“成本”“效率”等概念，为学生后续系统学习机械设计、机械制造基础、先进制造实践等专业课程起到引导作用，从而实现课程的衔接与贯通。

关键词：认知实践;三位一体课程体系;金工实习;工程训练;衔接与贯通

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）01-0139-04

Abstract： In order to organically integrate the learning of theoretical knowledge， the training of experimental skills and the cultivation of practical ability in the course of Awareness Practice of Manufacturing Engineering， a system of theory-experiment-project trinity was proposed. The theoretical part is mainly for the purpose of expanding students' knowledge and understanding the frontiers of manufacturing. In the experimental part， students can master basic experimental skills by designing different experimental links.The practical project is based on the theoretical knowledge learned and the experimental skills mastered， and through the complete project topic selection， project implementation and project demonstration， students' innovative ability and practical ability are cultivated. Through the parallel advancement and integration of theory-experiment-practice， students' knowledge， skills and abilities can be improved in an all-round way.At the same time， establish a connection with the previous course CAD and Engineering Drawing， and open up the channel from "engineering expression" to "engineering realization". By introducing concepts such as "precision" "fits" "cost" and "efficiency" into the course， it will guide students to systematically study Mechanical Design， Mechanical Manufacturing Fundamentals， Advanced Manufacturing Practice and other professional courses，so as to realize the connecting and implementation of the curriculum.

Keywords： awareness practice; trinity course system; metalworking practice; engineering training; connecting and implementation

制造业是国民经济的主体，是实现工业化和现代化的主导力量，也是国家综合实力和核心竞争力的集中体现。随着新一轮科技革命与产业升级，制造业向着智能化、高端化、绿色化方向发展。制造业的发展对的新型人才提出了更高的要求，人才成为我国产业迈向全球价值链中高端的关键。在从中国“制造”到中国“创造”的跨越过程中，对具有多学科交叉能力、工程实践能力、团队沟通与协作能力、创新能力、运用所学知识创造性解决工程实际问题的能力等能力的新型高端人才的需求越来越迫切。

因此，培养满足制造业需求的新型高端人才成为高等院校人才培养目标。实践教学是工学学科特别重要的教学环节，承载着培养以上多项能力的重任。一些工科院校将实践课程金工实习（工程实训）作为工科学生的必修课积极推行，旨在传授一些基本的制造技能、锻炼学生的实际动手能力。

一  课程现状及存在的问题

目前国内大部分高校的金工实习主要包括热加工和冷加工两部分。热加工主要包含铸造、锻压、焊接和热处理等;冷加工除了包含传统的车、铣、刨、 磨、钳等传统的机械加工方式外，还包含数控车削、数控铣削、电火花加工和激光加工等现代加工方式，授课内容大多比较固定，比如，车工主要是加工回转面，铣工多是加工曲面、台阶等，钳工多是加工一个锤头。学生以完成给定任务为主，很难激发兴趣，也不利于创新思维的培养。并且原有课程体系传授的知识比较陈旧，学生无法理解制造的最新动态，课程任务结束后很难引导学生继续学习后续课程，缺乏与后续课程的衔接。针对以上问题，部分高校以此为契机，积极推进工程训练及金工实习课程的教学改革。

郑朝阳等[1]以学生学习产出为导向，以学科竞赛为牵引，对机械类、材料类专业传统工程训练教学内容和教学方式进行了改革，在培养学生生产制造的全局观和工程实践能力、创新能力等方面取得了预期成效。潘旭东等[2]提出基于五位一体实践育人模式的新工科新工训，通过各类大学生学科竞赛项目、大学生创新创业计划牵引串接整个工训过程，通过“能力叠加”实现知识向能力的转化。王远等[3]以“双创”教育理论为指导，构建了有利于增强学生工程实践能力、培养学生创新意识与能力的新型金工实习模式。詹必胜等[4]构建了面向新工科的工程训练管理系统平台，实现了工程训练安全教育管理、工程训练实践教学管理、教学质量监控管理、创客空间服务、学生工程实践和创新活动档案等全流程管理，为提高工程实践教学质量提供保障。蔡大军等[5]将学科竞赛引入金工实训教学过程中，通过不同工件在相应工种的制作，加深学生对机械设计过程及加工工艺内容的理解和认知。颜建等[6]构建多方位、多层面工程训练课程体系，更新传统实训模式，开发训练课程项目新模式，从而提高实践教学质量与水平。沈阳等[7]将案例教学应用在金工实习教学过程中，教学案例精选本土典型案例，注重知识的系统性、学科交叉、知识的前沿性和通专融合。

综上所述，有关金工实习、工程实训方面的教学改革取得了一定的成果，但依然有待进一步完善。特别是如何将理论知识的传授、实验技能的训练及实践能力的培养有机融合，仍是工程实训面临的主要问题。基于以上问题，本课程将“大制造”概念引入课程中，提出构建理论-实验-项目三位一体的课程体系，通过三个维度的融汇贯通，从而达到知识、技能、能力的全方位提升。同时与其他课程建立有效的衔接与贯通，实现学生能力的逐步提升。

二  理论-实验-项目三位一体的课题体系建设

（一）  课程体系总体框架

本课程由理论、实验和实践项目三部分组成，理论授课16学时，实验与实践项目共64学时，通过本课程的理论授课，使学生了解从材料到成品（零件，机械装置）所经历的制造过程;了解材料成型（铸造、锻造、焊接）、金属切削和特种加工技术的基本原理、工艺、设备、特点和用途，并且了解制造的前沿技术。通过本课程实验教学环节，使学生获得与制造技术相关的各种工具、量具和设备的感性知识，初步掌握车床、铣床、磨床和数控机床等的实际操作技能。通过项目的实践，训练学生的创新能力、实践动手能力等，课程模块及学时分如图1所示。

（二）  理论部分设计及实施方案

理论部分由引言、材料成型过程、金属切削过程、数控加工原理、数控加工机床、数控加工刀具、先进制造技术、数字化制造和智能制造九部分组成。

“引言”部分主要介绍制造的前世、今生及来世，介绍制造业的发展历程及概况。传授新工科背景下的“新制造”，将增材制造、软物质制造、极端制造及智能制造等概念引入课程，丰富制造业的内涵，让学生对制造有一个全面、客观的认识。

“材料成型过程”主要介绍“等材制造”（铸造、塑性成形、焊接）、“减材制造”（金属切削加工）、“增材制造”（3D打印、4D打印）和“增减材复合制造”等制造方式，了解各种材料成型的特点及应用场合，引入材料可加工性概念，为后续项目开展过程中材料的选择提供理论指导。

“金属切削过程”主要讲述金属切削原理、强调切削过程三要素（切削速度、背吃刀量、进给量），并阐述切削三要素与质量、精度及效率的关系，为学生开展项目过程中切削三要素的确定提供指导。

“数控加工原理”主要讲述数控系统的基本组成、数控加工与普通加工的异同，掌握从零件编程到数控加工的流程，为学生后续实操训练和项目开展提供理论指导。

“数控加工机床”主要讲述数控机床组成、数控机床的的种类、数控加工中心的原理及应用和高端数控机床应具备的特性等，介绍我国高端机床的现状及面临的挑战。

“数控加工刀具”主要讲述数控加工刀具的种类、数控加工刀具的合理选择、介绍我国数控加工刀具的现状及刀具国产化进程。

“先进制造技术”主要讲述激光加工、电火花加工、离子束加工、电子束加工、水射流加工和超声加工等非传统加工方式。介绍各种加工方式的优点及适用场合，为学生选择不同特种加工方式提供理论指导。

“数字化制造”主要讲述数字化手段对制造过程的提升，主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程分析（CAE）和计算机辅助工艺规划（CAPP）等。

“智能制造”主要讲述智能制造的“一个核心”（赛博物理系统）、“两大主题”（智能工厂、智能生产）、“三项集成”（横向集成、垂直集成、端到端集成）及四类功能（动态感知、实时分析、自主决策、精准执行）等，阐述我国由数字化制造迈向智能制造的机遇与挑战。

通过理论部分的授课使学生从宏观上了解制造的内涵，从客观上认识我国制造业的现状，激发学生在我国由制造业大国向制造业强国迈进过程中的责任与担当。

（三）  实验部分设计及实施方案