机械工程专业学位研究生高等机械工程学教学案例库建设

摘  要：中国机械工程学会面向未来20年机械制造业发展，组编了《中国机械工程技术路线图》。该路线图在分析总结当前国际经济和技术发展现状及我国制造业发展态势的基础上，选择了机械工程技术的产品设计、成形制造、智能制造、精密和微纳制造、再制造和仿生制造6大领域，研究制定了面向2030年的中国机械工程技术发展规划。基于此背景，结合高等机械工程课程特色，建设一个适用于机械工程领域专业学位研究生培养的高等机械工程学教学案例库。通过案例教学，可以使研究生了解学科前沿动态，感受企业生产实际，对于进一步探讨产学研合作新模式，推进应用型人才培养具有重要意义。

关键词：机械工程；专业学位；高等机械工程学；教学案例库建设；应用型人才

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）02-0122-04

Abstract： China Mechanical Engineering Society（CMES） has compiled "China Mechanical Engineering Technology Roadmap" aiming at the development of machinery manufacturing industry in the next 20 years. The roadmap has chosen six areas of research including product design of mechanical engineering technology， forming manufacturing， intelligent manufacturing，precision and micro-nano manufacturing， remanufacturing and bionic manufacturing to formulate the Chinese mechanical engineering technology development plan for 2030 based on the analysis summary of the current international economic and technical development status and trend. Based on this background， the case study databases of advanced mechanical engineering for master degree in mechanical engineering are constructed. The graduate students can understand the frontier dynamics of the discipline and feel the actual production of enterprises through case teaching， which is of great significance to further explore the new mode of industry-university-research cooperation and promote the training of applied talents.

Keywords： mechanical engineering; professional degree; Advanced Mechanical Engineering; construction of case study databases; applied talents

2015年，教育部发布的《关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研〔2015〕1号）中明确提出“案例教学是推动专业学位研究生培养模式改革的重要手段”[1]。因此，在课堂教学中尝试采用案例教学法，面向新工科建设需要，以科研创新能力培养为主线，与学科发展前沿相结合，引导学生运用所学知识进行主动思考和分析，重现真实工程情境，实现课程结构融合、知识融合和能力融合，以寻找解决实际问题的最佳办法，紧跟学科发展前沿，可拓宽研究生的科研视野，提升科研与创新能力，为研究生课题研究的顺利开展奠定良好基础[2-3]。

一、专业学位教学案例库建设意义

高等机械工程学是齐鲁工业大学机械与汽车工程学院高等机械工程学教研团队开发的研究生省级优质课程，团队成员专业包括机械制造及其自动化、机械设计及理论、机械电子工程和力学，研究方向涵盖了先进制造技术、智能制造、先进设计理论及方法等方面，具有多学科交叉、各课程知识点综合性强、理论知识抽象难以理解的特点。这就要求任课教师在课堂讲授时不能只是简单复述书本知识，而应紧密结合工程实践，提高学生应对复杂工程问题的能力。

国内外关于机械工程专业高等机械工程学相关课程的教学案例研究比较少，已有的教学案例库建设更多集中于本、专科阶段，针对专业学位研究生的教学案例库研究则非常少。虽然讲授教师在之前的教学中会应用一些工程实例。但是这些工程实例都还未达到一个真正教学案例的要求。例如包含的知识点较为单一，缺乏综合性和系统性；一些教学案例基于理论知识，而脱离工程实际；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当前最新的科技发展前沿。因此，案例良好的教学效果不能够得到体现，难以实现对研究生分析解决问题的能力、实践能力和创新能力的培养。

合理优化高校人才培养结构，加大高层次应用型人才培养力度，着力促进以提升专业实践能力和职业创新素养为导向的专业学位研究生教育的快速发展，是当前我国高等教育领域的一项重要改革任务[4]。因此，为了加强研究生对理论知识的系统掌握、拓宽研究生的科研视野、提升科研与创新能力和提高研究生分析解决实际问题的能力，建设与完善高等机械工程学相关课程教学特点相适应的教学案例库具有重要的意义。

二、专业学位教学案例库建设应用前景

中国机械工程学会面向未来20年机械制造业发展，组编了《中国机械工程技术路线图》。该路线图在分析总结当前国际经济和技术发展现状及我国制造业发展态势的基础上，选择了机械工程技术的产品设计、成形制造、智能制造、精密和微纳制造、再制造和仿生制造6大领域，研究制定了面向2030年的中国机械工程技术发展规划[5]。基于此背景，结合高等机械工程相关课程特色，建设一个适用于机械工程领域研究生培养的高等机械先进制造技术相关课程教学案例库。本案例库围绕高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术、表面工程技术和微纳米制造技术等先进制造技术，从工程实践中及与工程实践密切联系的优秀学术成果中提取素材，收集15个机械领域学术前沿、工程生产实践及项目组成员的相关科研成果案例。通过案例教学，可以使研究生了解学科前沿动态，感受企业生产实际，并在解决案例问题的过程中巩固基础知识，提高实践能力和创新意识。通过案例教学和相关成果的推广，可有效提高研究生的学习主动性和课堂互动性，并进一步激励教师改善教学方法和提升教学水平，从而使课堂教学效果得到总体提升，同时对于进一步探讨产学研合作新模式，推进应用型人才培养具有重要意义。

三、前期已开展的相关工作

高等机械工程学教研团队在高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术和微纳米制造技术等领域具有丰富的科研经验，将教师的科研成果引入到高等机械工程学课程的教学案例中，可实现科研与教学的良性互动；同时，教研团队撰写了国内首部高等机械工程学教材，以科研创新能力培养为主线，与学科发展前沿相结合，阐述高等机械工程理论知识体系，实现课程结构融合、知识融合和能力融合。

四、拟建设案例库内容

依据机械专业学位研究生高等机械工程学课程内涵、教学大纲及教学目标，围绕高等机械先进制造技术的内涵及特点拟定了5个技术专题，涵盖了高速及超高速切削加工技术、增材制造技术、复合加工技术、表面工程技术和微纳米制造技术等内容，并针对每个专题和关键技术收集、整理，构建了15个工程案例，其总体框架如图1所示。

案例1：高速及超高速硬车削工艺。

高速及超高速硬车削是高速切削技术的一个典型应用领域，可以实现“以切代磨”的新工艺。针对高速及超高速硬切削时切削力大、切削温度高，需要刀具、机床和夹具同时提供良好的条件支持，引导学生分析机床刚性来支持高速硬车削加工过程；进而通过优选刀具材料与几何结构保证高速及超高速硬切削加工顺利进行；同时基于加工过程中采集到的切削力、切削温度、系统振动、刀具磨损及切屑等，分析高速及超高速硬切削机理，并进一步优选切削工艺。

案例2：薄壁件高速及超高速铣削工艺。

薄壁结构件在保持较轻重量的情况下拥有较好的刚性和较高的比强度，在航空航天领域有着广泛应用。引导学生分析薄壁结构件的加工特点，围绕薄壁零件的变形控制及矫正进行探讨，明确弱刚性薄壁构件近恒刚度高速及超高速铣削加工及其误差自适应补偿关键技术。

案例3：高速切削用复合涂层硬质合金刀具寿命预测。

针对高速切削用复合涂层硬质合金刀具寿命预测，引导学生探讨基于表征涂层/涂层及涂层/基体界面结合性能的评价体系，研究界面结合性能对界面裂纹扩展的影响机制；基于涂层组织结构和性能特点，研究残余应力对界面裂纹扩展行为的影响，完善界面结合性能表征体系，建立涂层剥离临界条件，并指导学生进行刀具寿命实验。

案例4：基于增材制造的典型工艺设计。

增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是20世纪80年代中期发展起来的高新技术。引导学生从成型原理出发，提出一个分层制造、逐层叠加成型的全新思维模式；通过面向学生的软件培训及实操，掌握计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机数字控制（CNC）；了解激光伺服驱动和新材料等先进技术，参观实操增材制造设备，并进行工艺参数优化。

案例5：增材制造构件表面激光抛光。

激光增材制造技术受到学术界、工业界的高度关注，并在众多工程领域得到成功应用，但由于增材制造成形过程中固有的“阶梯效应”“球化效应”及“粉末粘附”等综合作用，导致成形金属零件表面质量较差，无法满足装配、摩擦等功能要求。鉴于此，本案例提出增材制造构件表面激光抛光技术，引导学生开展面向增材制造表面的激光抛光基础理论和性能技术的研究，为激光抛光技术在增材制造成形表面乃至整个金属零件的推广应用提供理论保障。

案例6：增材制造内流道特征件磁力研磨抛光。

金属增材制造是解决航空航天和高端装备领域复杂内流道构件制造难题的有效方法，但成形表面质量差，未经后处理加工无法满足高使役性要求，抛光加工是高性能金属增材制造技术链中的关键环节。针对典型增材制造弯管，引导学生了解磁力研磨原理及应用，分析该抛光技术实现的关键因素，借助有限元分析建立复杂磁场，建立面向增材制造表面形貌特征的精确材料去除模型，借助机械手臂搭建实验平台，撰写发明专利。

案例7：铝合金5052板材超声辅助渐进成形复合加工。

以针对渐进成形技术在成形几何精度、表面质量方面的不足，以及在成形复杂形状过程中易褶皱与破裂等问题，提出金属板材超声辅助数字渐进成形关键技术研究，以铝合金板材为研究对象，通过引入超声振动辅助能量，改善板材在渐进成形过程中的塑性变形行为，以提高材料变形极限，改善成形件表面质量、精度及力学性能，延长有效服役寿命。

案例8：Inconel 718超声振动辅助微铣削复合加工。

超声振动辅助铣削是一种将超声振动以不同方式施加到刀具或者工件上从而实现振动切削的加工方式，相比传统铣削，可有效降低切削力和切削温度，改善加工表面质量，提高零件的使用性能。鉴于此，本案例提出了Inconel 718超声振动辅助微铣削复合加工技术研究，将超声振动以不同方式施加到工件上，从而实现振动切削的加工方式。引导学生在选择合理的切削参数和振动参数条件下，探讨超声振动辅助微铣削降低平均切削力和切削温度，增大零件表面的残余压应力等机理研究。