新工科背景下“机械制造工艺与装备”课程改革探索

宋小科　陈齐平

[摘 要] “机械制造工艺与装备”是本科院校机械专业的重点专业课程。在新工科建设的时代背景下，传统“机械制造工艺与装备”课程内容存在一定问题，不能满足智能制造工程的教学需求。智能制造工程的教学目标是培养掌握核心技术，具有实践能力和创新理念的多学科复合型人才。为了达到这一目标，对“机械制造工艺与装备”课程进行改革探索，从教学内容入手，分析了传统教材存在的问题，从多学科融合、加强新型制造技术教学等方面提出了相应的改革建议。

[关键词] 新工科;智能制造;教学改革

[基金项目] 2020年度江西省自然科学基金项目“基于空间单闭环机构的空间多环路可展开机构运动耦合机理与组网方法研究”

（20202BABL214030）;2018年度江西省教育厅科学技术研究项目“大长细比车头高速列车可展开防碰撞缓冲吸能装

置研究”（GJJ180345）

[作者简介] 宋小科（1986—），男，河南洛阳人，工学博士，华东交通大学机电与车辆工程学院讲师（通信作者），主要从事展开机构与智能制造研究;陈齐平（1984—），男，江西樟树人，工学博士，华东交通大学机电与车辆工程学院副教授，主要从事智能电动汽车研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）16-0073-04    [收稿日期] 2021-02-18

一、前言

以信息技术为代表的新技术的发展，推动了新一轮科技革命和产业变革。为了在新时代的竞争中取得领先地位，主动应对未来的技术竞争，各国都提出了自己的技术发展战略。德国政府于2013年提出了“工业4.0”战略，将信息化技术融入制造业，提升制造业的智能化水平，建立具有高度灵活性的智慧工厂，从而提高德国工业的竞争力[1，2];中国政府于2015年提出了“中国制造2025”战略，以强化新一代信息技术与制造业的深度融合为主线，以智能制造为前进方向，强化工业基础能力，以创新为手段，实现中国制造业的转型升级和跨越发展[3-5];美国政府提出了“工业互联网”战略，通过全球化的网络，将人、数据、机器连接起来，从而重构全球工业系统，激发生产力，激活传统工业，保持其制造业的长期竞争力[6，7]。这些技术发展战略都提出采用信息技术等新技术对传统制造业进行变革，使制造变得智能起来，从而促进制造业的变革[8，9]。

新产业变革对制造业的从业者提出了更高要求，除传统知识外，还需要从业者掌握最新信息技术，具有多学科复合的知识储备，能够将信息技术和制造业互相融合，提升生产效率，重塑制造业系统。传统工科教育按学科对人才进行培养，学生只需要掌握自己所在专业的知识即可，对其他方面尤其是信息技术方面的学习不够重视，人才培养难以满足产业变革的需求。在此背景下，为主动应对新一轮科技革命和产业变革，支撑国家的“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部于2017年提出了“新工科”概念，探索建立工科发展新范式，根据工业界的实际需求构建专业教育体系，创新工程教育方式和手段，针对新兴产业，着力培养具有创新性、高素质、高技能的多学科复合型工科人才[ 10-12 ]。

二、新工科背景下智能制造专业“机械制造工艺与装备”存在的问题

为支撑“中国制造2025”发展战略，教育部于2017年批准设立智能制造工程专业，本专业学生重点学习机械类、测控技术类、计算机与人工智能、机器人技术、物联网技术等相关课程，通过培养，成为具有创新精神，掌握现代化机械、电子、计算机、智能生产与工程管理等知识的高技术人才。“机械制造工艺与装备”是智能制造专业一门重要的必修课程，它为学生学习机械加工工艺和设计机械加工工艺装备提供必要的基础知识，使学生了解车铣刨磨等常见机械加工的理论知识、工艺装备设计原则及机械设备装配相关知识，为学生从事机械制造工作提供理论基础[ 13 ]。然而，目前智能制造工程的“机械制造工艺与装备”课程存在一系列的问题，难以实现专业培养目标，以应对新产业的变革。主要体现在以下几个方面。

（一）教学内容陈旧，缺少新制造方法的介绍

“机械制造工艺与装备”是一门专业课，教材内容包括金属切削基本概念、刀具相关知识、车铣刨磨的基本参数、加工工艺规划、工艺装备设计、公差与配合等。“机械制造工艺与装备”课程性质不要求学生掌握太多的理论知识，而是以经验参数和实验验证为主，要求学生经过学习后，能够根据装备加工要求，选定合适的加工方法和工艺参数，制定工艺规程。

“机械制造工艺与装备”课程教材一般选用经典教材，教材结构严密，逻辑清晰，经过多年改进和教学，能够满足传统机械加工工艺教育的要求，培养的学生能够胜任一般的机械制造任务。但是，在信息技术带动下，出现了很多新的加工方法，如3D打印、激光加工等，这些加工方法能解决很多传统加工方面难以解决的问题，具有重要的学术价值和经济意义，也是智能制造领域的重要内容。经典教材专注于传统制造方法，对这些新型制造方法关注较少。新型制造方法作为制造产业变革的着力点，对人才有着旺盛需求，传统教材培养的学生缺乏新型制造方法的教育，在工作中需要依靠自学，知识不够系统全面，为了满足新型制造产业的需求，应该在以后教学工作中注意改进，在教学过程中添加新型制造方法内容。

（二）围绕制造的新技术内容较少，与智能制造结合不够紧密

传统机械制造工艺中，各个工序互相分割，依靠人力来转运工件，依赖工人经验和简单的检测工具来测试加工质量，制造效率较低，成本较高。同时，制造过程与整个生产过程的供应链连接不够紧密，制造往往作为一个独立过程，供应链应对不够灵活。经典教学内容偏重于单一加工工序，对工序间的互相关联关系、加工过程的详细参数变化讲述较少。另外，对与制造相关的内容，如供应链、成本等关注较少。随着信息技术的发展，越来越多的技术渗透机械加工过程，如机器人技术、计算机集成制造、智能生产与管理、数字孪生等，这些技术将整个制造系统数字化，提升了机械加工的效率，降低了制造成本，加强了对制造过程的监控，提升了工件的加工品质。制造系统的数字化还使得整个生产过程变得灵敏，对外界信号反应加快，能够很好地适应小批量、多品种、多样化的产品生产要求。新技术的加入使得制造系统智能化。这些新技术构成了智能制造的主要内容，是智能制造工程专业相对于传统机械制造专业的特色之处，而这些內容在目前课程中涉及较少，不能满足如今新工科教育的要求。

（三）教学内容繁杂，学生学习兴趣不足

“机械制造工艺与装备”课程涉及车铣刨磨等经典切削加工方法、刀具结构、工艺装备、尺寸链、零件装配等多种内容，内容繁杂，记忆内容多，需要理解和记忆的参数多，并且知识点之间缺乏一以贯之的理论，难以用一套统一的理论将知识点串联起来，学生上课时兴趣较低，缺乏学习动力，影响教学效果。

（四）教学方法单一

在教學过程中，教师以理论讲授为主，学生由于缺乏实际工作经验，理解机械加工参数存在一定困难，单靠PPT结合书本、作业等讲授方法，难以达到预定教学效果。“机械制造工艺与装备”是一门实践性很强的课程，机械加工也是一个动态过程，需要以一种直观的方式进行教学。同时，智能制造对“机械制造工艺与装备”课程的讲授提出了更高的要求，需要教师在讲授时糅合多学科内容，并通过多种清晰直观的方式讲授知识，依靠单一教学方法不能满足教学要求。

三、“机械制造工艺与装备”教学内容改革

在传统教学方式中，“机械制造工艺与装备”采用经典教材，主要讲授金属切削加工相关知识，采取“老师讲，学生学”的教学方式，通过课堂讲授、课下作业、实验课程、期末考试等方式传授给学生知识，存在学生被动学习、内容枯燥、教学效果差等问题，不能满足智能制造工程专业对培养具有创新性、多学科复合人才的要求，不能适应如今“新工科”教育的要求。在“新工科”教育时代背景下，为实现创新性、多学科复合人才的培养，特提出几项教学内容改革建议。

（一）加入机械制造新技术

随着信息技术的发展，伴随产业革命，机械制造工艺出现了多种新技术，如3D打印等，围绕机械制造全过程链条，有机器人技术、计算机集成制造、数字孪生等。3D打印等技术解决了传统机械加工方法难以实现的异形工件的加工，也带来了新的加工工艺。机器人技术、计算机技术等与机械制造相结合，使得整个制造过程数字化，制造过程可控，提升了机械制造效率，降低了制造成本。智能制造工程专业应在传统机械制造基础上，融合多种新技术，提升制造系统智能化程度。因此，应在经典教学内容基础上，添加机械制造新技术的内容，并且在讲授理论知识基础上，增加相关软件的介绍，同时通过车间实习、实验等实践教育方式，提升学生应用新技术的能力，从而培养多学科复合人才，为智能制造领域输送人才。

（二）充分利用仿真分析技术

在“机械制造工艺与装备”经典教学中，各种加工方法的参数是通过实验得到的，然后由教师直接讲授。随着计算机技术和有限元等相关仿真理论的发展，已经能够通过仿真分析的方法，在计算机中预测工件的加工效果。除此外，在机械加工过程中，机床、工艺装备、工件的互相作用也能够预测。将机械加工的仿真分析结果与机器人技术、计算机网络系统等相结合，可以在不通过实际验证情况下，预测装备的整个制造过程。将仿真数据与供应链管理软件等相结合，可以提升制造系统的管理水平。仿真分析技术作为智能制造系统的重要组成部分，应在课程教学中占有一定比例。除此外，学生经过仿真分析，有助于理解课程中的加工参数，也为学生参加工作后设计机械加工工艺提供基础。

（三）利用虚拟现实技术

机械加工过程是一个动态过程，学生因为缺乏实际工作经历，仅仅学习课本知识，很难将理论与实际结合起来，不容易理解理论知识的含义，枯燥无味，效果不好。如今有很多虚拟现实技术，如可视化的VR技术。通过计算机图形技术、传感器技术等，将机械加工的过程直观地展现给学生，使学生能够将课本上的知识和实际加工效果联系起来，从而使课程学习变得生动起来，加强教学效果。虚拟现实技术能在安全的情况下使学生了解到机械加工技术。因此，应在传统课堂讲授的基础上，制作基于VR等虚拟现实技术的教学资源，提高学生学习兴趣。

（四）结合项目案例，做好和其他课程的衔接

“机械制造工艺与装备”课程包括常见的机械切削加工方法、工艺装备、尺寸链、装配等多个教学内容，知识零碎，互相间关联性不强，学生在学习过程中难以将教学内容贯穿起来，这提高了学习难度。同时，教师在教学过程中只关注本课程的教学，不与学生学习的前后课程相关联，学生难以找到学习的意义，降低了学生的学习兴趣。以此，在教学时，教师应结合具体的项目案例，如某一个典型设备的制造，将设备进行拆分，根据教学内容，分别制定零件的加工工艺，然后设计零件加工的工艺装备、制定装配工艺，从而将整本书的教学内容串联起来。考虑到学生前期已经学习过“机械原理”“机械设计”等机械类基础课程，可以选择“机械设计”中的减速器等作为范例，由学生设计制造工艺，作为学生的课后作业，这样学生不仅复习了整个学习内容，还能与前期学习内容衔接起来，明白了学习的意义，从而可以提升学生学习动力。

四、结语

综上所述，在“新工科”的时代背景下，智能制造工程专业大有可为。为了培养具有创新性、多学科复合的智能制造人才，在“机械制造工艺与装备”教学实践中，教学改革势在必行。教师应总结传统课程教学方法的经验，在经典教材基础上，积极融合智能制造新技术，充分利用仿真分析、虚拟现实等技术，提升课程教学的直观性，融合项目案例，提高学生学习积极性，加快课程内容改革步伐，培养出满足“智能制造”行业需求的专业技术人才。

参考文献

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[3]国务院关于印发《中国制造2025》的通知

[EB/OL].（2015-05-19）[2020-06-20].http：//www.gov.cn/zhen

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Exploration on the Reform of Machine Manufacturing Technology and Equipment Course under the Background of "Emerging Engineering Education"

SONG Xiao-ke， CHEN Qi-ping

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013， China）

Abstract： Machine Manufacturing Technology and Equipment is a key course of mechanics major in undergraduate colleges and universities. There are some problems in the traditional course of Machine Manufacturing Technology and Equipment under the background of "emerging engineering education"，which cannot meet the needs of intelligent manufacturing engineering. The teaching goal of intelligent manufacturing engineering is to train multi-disciplinary talents who master the core technology and have practical ability and innovative ideas. In order to achieve this goal， we explored the reform of the course of Machine Manufacturing Technology and Equipment. This paper analyzes the teaching content and the problems existing in the traditional textbooks， and puts forward reform suggestions from the aspects of multidisciplinary integration and strengthening the teaching of new manufacturing technology.

Key words： "emerging engineering education"; intelligent manufacturing; teaching reform