基于科研反哺教学的《先进制造技术》课程教学改革研究

张华 张晓卫 居志兰 钱双庆

摘   要：教学与科研在人才培养过程中相辅相成。针对机械类重要的专业课程《先进制造技术》开展科研反哺教学，着眼制造领域的学术前沿，结合团队自身的科研成果，补充教学案例，丰富教学内容，改进教学方式，有益于学生对课程内容的学习掌握，也有利于开拓学生的学术视野，既能让学生巩固理论知识点，又能培养学生的创新精神。

关键词：教学改革  科研反哺教学  先进制造技术  机械专业

中图分类号：G642                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0211-02

《先进制造技术》是机械工程专业本科生的专业课程。近年来，先进制造技术飞速发展，在航空、航天、军工、汽车、模具、冶金、等领域得到广泛应用。《先进制造技术》课程将理论知识与实际工程应用并重，结合工程实例介绍各种先进制造技术，有助于学生理解各种先进制造方法的加工原理，并使其开拓眼界，了解先进制造技术的前沿成果与发展趋势。

因此，針对《先进制造技术》课程开展科研反哺教学的新型教学模式的探索与实践，结合科研工作以及对制造技术学术前沿的把握，甄选最新实例，补充教学内容，改善教学方式，有益于学生对课程内容的学习掌握，也有利于开拓学生的学术视野。

1  科研反哺教学的内在机理

1.1 高校职能的内在统一

人才培养、科学研究、服务社会、文化传承是高校的四大职能。教学工作贯穿于人才培养的全过程，科学研究贯穿于高校教师自身成长的全过程。高校的人才培养职能是将人类的认识水平提高到一个专业化的状态，进而为社会发展提供系统化、专业化的智力支持和保障，其关键是知识的传授与创新的有机结合。现代大学的教学工作对应的是知识的传授;科研工作对应的是知识的创新。高等教育的发展证明，知识传授的质量直接影响知识创新水平，没有高质量的知识传授就不能培养创新型人才;同样，缺乏知识创新的源头，就会失去新知识的注入，知识传授变成简单重复劳动，进而影响知识传授的质量。因而，教学与科研二者相辅相成，不可或缺。科研对教学应有促进作用，反哺于教学。科研能够提升教师的学术品位，教师的科研能力能够迁移为教学能力，使教学更加切合高校的特点。教师从事科研，能形成一种特殊的精神气质，包括创新意识、好奇心和进取心、独立探索的自觉性，以及对现状的不满足和怀疑精神等，有助于教学。

1.2 认知过程的内在统一

教学过程本质上是通过教师的传授，学生对知识内容的认知和应用的过程，其中认知是基础。与中等教育传统的填鸭式概念传授不同，高等教育更加注重学生对知识的理解和创新意识的培养。因此，教学过程中直接灌输引发的枯燥感不利于大学生对知识的学习和理解。科学研究是基于现有的理论和技术，去探索新的领域，获得的研究成果可以揭示更多规律。科学研究工作本身就是一种跨学科多方面知识融会贯通的过程，科学研究的成果又能及时填补或者更新现有的教学内容。亲身体验科研工作，接触认识最新的科研成果，有利于激发学生的学习热情，更有利于学生对专业知识的学习、认知和应用。

2  科研反哺优化教学内容

2.1 磨削加工内容优化

高速磨削加工是典型的先进制造技术，高速磨削加工与普通磨削相比，以更高的磨削速度和进给速度，提高磨削效率并降低工件表面粗糙度。对于平面磨削加工而言，砂轮与零件加工面的接触面积较大，冷却液在高速离心力作用下，难以进入磨削核心区域，容易导致磨削烧伤，砂轮也容易发生钝化失效。因此，通过追踪高速磨削加工技术前沿动态，补充介绍蠕动磨削技术和喷射电液束修整砂轮方法。

蠕动磨削的特点是大切深、低速进给。蠕动磨削的加工效率是普通磨削的100～1000倍，最大切深可达30mm，可以获得更高的型面精度和表面质量。蠕动磨削的磨削温度低，不容易发生烧伤，这可以根据成膜沸腾换热理论来解释，磨削区的磨削液处于泡核沸腾状态，可以通过吸收气化潜热将大部分磨削热带出磨削区域，工件加工面的温度可以有效控制在120℃～130℃。这正是蠕动磨削工艺独有的优势，可以适用于大尺度平面磨削加工。

喷射电液束修整砂轮是利用电化学阳极溶解效应进行砂轮修锐的方法。在磨削过程中，利用喷射装置对非磨削区的砂轮喷射带电的电解液束，电解液束带负电，金属基砂轮带正电，作为阳极的砂轮金属结合剂发生阳极电化学溶解，逐渐被去除，从而使得不导电的磨粒慢慢凸显出来，使得砂轮变得锋利尖锐。喷射电液束修整砂轮可以获得比较稳定的磨粒等高度，保证砂轮的切削性能。因此，喷射电液束修整砂轮可以用于电子材料、光学材料的镜面磨削。

通过蠕动磨削技术和喷射电液束修整砂轮方法相关内容的补充，可以让学生能够深入了解磨削加工的特点，熟悉新型磨削加工方法和砂轮修整技术，激发学习兴趣。

2.2 激光加工内容优化

激光加工是将高能激光束聚焦于工件表面，在极短的时间内光能转变为热能，在高温作用下材料发生熔化和气化，在热应力作用下，熔化的材料溅射出来从而去除材料。激光加工可以应用于任何材料，可以进行激光打孔、激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光淬火、激光强化等各种具体工艺工程。对于激光加工而言，由于其通过热力作用去除材料的机理，在加工表面存在再铸层和溅射物的缺陷。因此，针对传统的空气中激光加工的教学内容，补充介绍水下激光加工和激光电化学复合加工。

水下激光加工是将工件置于水溶液中，聚焦激光束穿过水溶液作用于工件。与空气相比，水溶液作为约束层，激光作用于工件形成的等离子体膨胀和形成的气泡破灭而生成的冲击波效应增大数倍，材料去除率大为提高。同时，水溶液又可以起到及时冷却加工区的作用，减少熔融溅射物的形成，提高加工表面质量。因此，可以水溶液作为约束层，对工件进行激光冲击强化;也可以在水下，进行打孔、切割、刻蚀，尤其适用于半导体、硅片等硬脆材料的加工。

激光电化学复合加工是新型的复合特种加工方法，将激光加工与电化学加工进行复合，实现材料在复合物理场作用下的去除。激光电化学复合加工是将激光束与喷射电解液束同轴共同作用于零件加工表面，利用高能力的聚集激光束快速去除材料，同时高速运动的电解液束可以充分对加工区进行冷却，另外工件作为阳极在喷射电解液束的作用下激光加工区形成的再铸层能够有效去除。这样，既发挥了激光加工高效的特点，同时又结合了电化学加工表面无热影响区、无再铸层、无微裂纹的优点，实现了优质高效的加工目标。

通过水下激光加工和激光电化学复合加工相关内容的补充，可以让学生认识到不同物质环境下，激光热力作用的差异性，了解到不同先进制造方法可以相互结合、取长补短，形成更好的加工方法。

2.3 增材加工内容优化

增材制造技術是建立在几何建模、先进材料、精密驱动、可控激光等技术突破的基础上，首先是复杂零件的几何建模，然后对其进行分层获得每一层的几何数据，再利用成型工艺按照每一层的几何数据进行固化成型，最后经过逐层堆积，形成最后的零件。增材制造最初用于原型制造和验证，近年来出现了新型的工艺和应用领域。因此，补充介绍了新型增材加工方法，重点介绍了在生物医学工程中的应用。

新型的增材加工方法根据原材料的不同，分为四大类。第一类是光敏材料，主要有立体光刻、双光子聚合、喷墨打印等方法;第二类是粉末材料，主要有激光选区烧结和激光选区融化;第三类是薄膜材料，主要有叠层制造、薄板层压;第四类是线束材料，主要有粘合剂喷射、热熔挤出。这些新方法是在传统四种快速成型制造方法基础上利用新型材料衍生出来的，形成的零件具有更广泛的用途。

增材加工最热门的应用领域是生物医学工程，主要包括生物活体和生物假体两大类。生物活体的应用主要是活体细胞、人类胚胎干细胞等3D打印，原材料是活细胞及其外基质材料，国外成功的案例有：利用牛耳细胞打印人造耳朵用于先天畸形儿童的器官移植。生物假体的应用主要是体外器官模型、人体假肢、骨骼修复、组织支架等。体外器官模型可用于临床教学，也可用于医患手术方案的交流;人体假肢、骨骼修复可用于个性化设计，通过量身定制，保证患者的功能恢复;组织支架利用天然骨相似的材料成分，具有三维贯通微孔结构，在人体内具有高度的生物活性和骨修复能力。

通过上述增材方法及应用领域的补充介绍，让学生掌握更多的3D打印方法，并了解到增材技术最适合的应用领域及其发展动态。

3  科研反哺改进教学方式

3.1 研究型教学

以科研成果优化教学内容的基础上，可以开展研究型教学方式。在研究性教学过程中，利用翻转式课堂，教师学生主客异位，以学生为主体。教师在授课过程中，创设问题情境，提出具体的工程技术问题或者科学问题，引导学生主动思考，利用现有的知识结构，抽丝剥茧，将复杂的问题分阶段分解简化成多个小问题，逐个解决每个阶段的小问题，最后完成总体解决方案。研究型教学充分调动学生的学习兴趣和探究热情，寓教于研，研教相辅相成，可以获得事半功倍的教学效果。

3.2 体验式教学

以科研工作内容丰富教学内容的基础上，还可以开展体验式教学方式。利用课内试验环节，改变传统的标准化作业模式，让学生体验尝试自制的科研设备，通过亲手操作，了解设备的组成结构和功能，培养学生的创新意识。在体验式教学过程中，让学生相互讨论，形成共识，以培养学生团队合作的意识。

4  结语

本文以机械类专业课程《先进制造技术》为例，对科研反哺教学的内在机理和外在形式进行了深入分析和具体实践，获得了有益的结论，主要包括：（1）科研与教学是两面一体，相辅相成;（2）以科研成果丰富教学内容，实时更新，与时俱进，激发学生的学习热情;（3）创设情境教学，师生主客异位，增加体验动手环节，能够真正实现科研反哺教学，培养学生的创新意识。

参考文献

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