机械制造基础数字化教学对工程素质培养影响的研究

杨立平 赵立红 黄雪梅

哈尔滨工程大学工程训练中心 黑龙江哈尔滨 150001

工程素质是工科院校学生培养的重要目标[1]。如何在教学过程中较好地培养学生的工程素质，使他们更好地在工作岗位上发挥作用，是工科院校教学必须考虑的重要课题。机械制造基础课程作为工科院校的一门专业基础课，其任务是帮助学生完成从书本学习模式向从工程实践和书本中共同获取知识的学习模式的过渡，而且让他们能对机械制造全过程建立初步的认识。如何更好地进行机械制造基础教学，培养学生的工程素质是机械制造基础教学过程中必须考虑的问题。

本文分析了工程素质的内涵与培养方法，结合机械制造基础教学内容和特点，探讨了数字化教学应用于机械制造基础课程对学生工程素质培养的影响。

1 工程素质的内涵及培养方法

工程素质是工程技术人员知识、能力和工程理念的综合体现，是一个通过知识的日积月累、工程理念的潜移默化到创新思维、创新能力不断升华的过程。工程素质内涵包括工程知识、工程意识和工程实践能力。掌握了丰厚的工程知识，工程意识才会自然形成，工程技术人员才会自觉运用工程知识分析工程问题，并具备敏锐的观察力，善于发现工程问题的关键所在，而工程实践能力的含义除了动手能力之外，还涵盖了根据工程的具体情况提出问题并正确分析问题、解决问题的能力[2]。

将理论和实践相结合是学习工程知识的最佳途径，然而，实践要求设备、场地、安全设施等，由于时间和地域限制，对于某些大型机器设备和复杂的制造工艺过程，学生是很难接触到的，如果在课堂教学过程中引入数字化教学，充分利用数字化技术在视觉、听觉等方面对学生的影响，将高深的工程理论知识具体化、简单化，将复杂的工艺过程生动直观地再现于课堂，必然会提高学生的工程知识学习能力，提升他们的工程意识，也更有利于培养他们的工程实践能力。

2 机械制造基础课程的特点

机械制造基础课程是关于零件常用材料及其加工方法的综合性课程，囊括了从材料选择、毛坯制造，到零件加工的整个零件制造工艺过程。它不但提供制造工程专业的理论知识，而且还提供将来的工程技术实践所必要的工程材料及机械制造工艺原理、方法等方面的基础知识[3]。本课程具有涵盖内容多、包含信息量大、与工程实际联系紧密的特点。

作为训练制造工程师的必备专业课程，机械制造基础课程要求学生掌握常用工程材料及零件加工工艺的知识，具备工艺分析的初步能力及创新意识。可是，由于学生大多缺乏必要的生产实践知识，要想在短时间内让学生在教室内获取包含铸造、锻造、焊接、金属塑性成形、金属切削刀具、金属切削原理、机械加工方法、特种加工方法等大量实践性强的知识，仅凭枯燥的讲解很难取得良好的教学效果，而要培养学生的工艺分析能力则更加困难。

3 机械制造基础数字化教学对学生工程素质培养的影响

数字化教学是教师遵循现代教育理论和教学规律，利用电脑、多媒体投影仪器等现代化多媒体载体进行的教学[4]。有效地利用数字化教学资源，对于学生学习能力的提升，以及问题意识的培养都具有重要意义。学生通过对数字化教学资源的利用，可以激发学习与思考的兴趣，是培养自主学习能力和创业能力极佳的路径。将数字化教学资源运用到机械制造基础教学过程中，必然会提升学生工程知识的掌握能力，有利于培养其工程意识和提出问题、解决问题的能力。

3.1 制造过程录像的运用对学生工程素质培养的影响

录像展示的是事件发生的真实过程，给人以真实感，具有较强的可信性。对于缺乏工程实践经历的学生，在课堂教学中适当播放录像，容易引起学生的兴趣和求知欲。特别是一些不常见的加工方法或工艺过程，一般的小型车间里很难见到，将这类加工过程录制下来，对开拓学生视野、增加他们对基本工艺知识的综合理解能力有很大帮助。例如，在讲解超声波加工、激光加工等特种加工方法时，教材中只能给出原理示意图和加工后零件的二维图，学生很难理解为什么激光加工方法能那么高效地加工出小孔等微小结构、超声波加工又怎样能加工脆硬的材料。如果在教学时插入各种激光加工、超声波加工的短时录像，学生必然会对激光加工、超声波加工原理及应用范围有深刻的理解，有身临其境的感觉，有些学生甚至会感慨特种加工方法是如此神奇，图1、图2所示为激光切割和超声波套料加工视频画面。

图1 激光切割加工

图2 超声波套料加工

3.2 三维动画仿真的运用对学生工程素质培养的影响

机械制造过程中有很多存在于细微结构或腔体内部的问题，生产实践中不便展现，相关知识也不容易理解。例如，学习定位基准选择时，一般选择中心孔作为轴类零件的加工精基准，以保证加工后多个外圆表面的同轴度等形位公差，但学生很难理解这样选择的真正作用。研究设计了轴类零件的偏心结构，并进行了三维装配和动画仿真演示，偏心轴运动仿真如图3所示。从图中可知，当偏心轴旋转时，装配在轴上的齿轮随之震荡旋转。通过仿真动画展示，学生可以深刻领会加工时保证不了同轴度所带来的危害，此类问题如果通过实际加工零件展示则要耗费大量人力物力，而且难以展示局部放大效果。

图3 偏心轴运动仿真

机械加工中零件结构设计如果不合理，就会产生结构工艺性问题，这也是工程设计中经常遇到的问题，但由于工艺过程复杂多样，让学生较好地理解零件结构工艺性的好与差，是课堂教学中的棘手问题，如果能在课堂教学时将典型问题生动展示，可提升学生的工程意识，增强工程实践能力。例如，需在箱体底板上钻孔时，如果设计的孔与箱体侧壁的距离太近，钻头向下引进时，钻床主轴会碰到侧壁，无法钻孔，导致结构工艺性差，因此需要加大孔到箱体内壁间的距离才能实现钻孔。传统讲解方法只是在黑板上绘制二维图形，教师以语言描述讲解问题原理，不但图示不够形象，而且学生也感觉枯燥乏味，很难留下深刻印象。笔者基于三维仿真软件建立的钻头及带侧壁零件三维模型，进行了与侧壁距离不同的孔的钻削动画模拟，如图4、图5所示，可见运用三维仿真技术可使零件结构工艺性问题更形象直观，令学生耳目一新，印象深刻。

图4 钻削零件的结构工艺性差

图5 钻削零件的结构工艺性好

3.3 网络资源利用对学生工程素质培养的影响

随着网络信息技术的发展，网络资源已经进入生产生活的各个方面。如果在机械制造基础课程教学过程中充分利用网络资源，自然有利于增强师生间的沟通，扩大学生对先进知识和复杂工艺的了解范围，提升学习效率，增加学生工程知识的掌握范围和深度，加强学生工程意识，提高学生工程素质。网络资源利用可从如下几方面考虑。

第一，建立微信群或QQ群以便于学生交流。教师在课堂讲解之后可随时与学生进行相关问题讨论和沟通。这种交流无时间和场地限制，不仅节省了专门答疑时间，而且共享了学生的奇思妙想。

第二，进行慕课建设。除在网站上设置教师微课录像外，还设置课下练习环节，并对不同知识点设置适当类型的练习题。将慕课资源与课堂教学相结合，可使学生灵活利用业余时间，更有利于学生温故知新。

第三，相关网站的利用，教学过程中可以利用国内外相关网站链接，让学生了解机械制造领域最新技术的应用与发展，有利于学生理解机械制造相关理论，开阔视野，丰富教学内容。

4 结语

本文基于对工程素质内涵与培养方法的理解与分析，结合机械制造基础课程特点，从制造过程录像、三维动态仿真和网络资源运用三个方面，分析了机械制造基础课程数字化教学对学生工程素质培养的影响。分析表明，数字化教学应用于机械制造基础课程中，可以丰富学生工程知识，提升学生的工程意识，增强学生的工程实践能力，对学生工程素质的培养有较好地促进作用。