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

路冬 魏艳 黄渊建 曾千里 曾江 融亦鸣

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

制造業是国民经济的主体，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學方式进行了改革，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

实验技能传授部分主要包括便携式桌面数控铣床（Personal Portable Computer Numeral Control，PPCNC）操作、数控车削、数控铣削、车铣复合加工、五轴加工和特种加工六部分。实验技能的训练是以任务型为导向开展，各工种要完成的典型任务如图2所示。各工种任务设计由易到难、由浅入深，在各工种技能的训练过程中，让学生体会各工种的特点及应用场合，让学生在后期的项目开展过程中具备选择合适工种的能力。

实验技能训练先由危险性小、容易上手的便携式桌面数控铣床入手，学生在此铣床上主要熟悉零件加工的基本流程，并在此机床上练习数控编程软件。桌面数控铣床上使用的数控编程软件与大型数控铣床通用。这样学生在桌面数控铣床上熟练掌握数控编程软件后就可以很好地过渡到大型数控铣床上，使学生克服了直接面对大型数控铣床的恐惧，增强了机床操作的安全性。

（四）  实践项目部分设计及实施方案

实践项目以小组的方式开展，任务是选取一个感兴趣的实物，并把它制作出来，对感兴趣实物的来源不做限制，课程项目选题多种多样，以往部分学生项目作品如图3所示。

为了保证学期末项目能按时完成，指导学生在项目开始就制定详细的项目推进表，项目的推进与理论课的讲授及实验课的训练并行展开。将整个项目执行过程分为项目选题、项目实施及项目展示三个阶段。项目选题是项目开展的关键一步，项目选题的过程中遵循挖掘想法→想法浓缩→想法提炼→确定想法四步，在整个过程中指导老师把关项目的可行性及与课程的相关性。项目实施阶段主要根据项目推进表的时间节点把控项目进度，注重过程的把控，而不是仅看最终的结果。项目展示阶段邀请相关课程的任课教师参与点评，让学生认识到自己项目取得的成果及存在的不足，为后续课程的继续深造打下基础。

三  本课程与其相关课程的衔接与贯通

本课程尝试与CAD和工程制图课程相衔接，CAD与工程制图主要侧重于工程表达，即怎样将产品创意、构思、设计以二维或三维工程图形的方式表现出来。有些同学学完CAD与工程制图，将产品创意表达出来后，还感觉意犹未尽，萌生了将创意的产品动手做出来的想法。因此，本课程为这部分同学提供了把实物做出来的机会，初步实现了与CAD与工程制图的衔接与贯通，使学生初步完体验了由工程表达到工程实现的过程。图4为学生在CAD与工程制图自选项目中绘制的弹簧十字弩的CAD模型，同学想把这个弹簧十字弩加工制作出来，于是就在本课程的自选项目中经历了刀路编制、数控加工、装配及调试等步骤，最终完成了十字弩的制作。

在本课程项目产品的展示过程中发现，有些精度要求较高的产品在调试过程中往往会出现达不到预期目标的情况，比如同学们比较热衷于制作的斯特林发动机的模型，如图5所示，这些斯特林发动机模型在调试过程中经常出现的状况是在外界热源的作用下无法持续运转。出现以上情况同学们一般都比较沮丧，在老师的引导下，同学们大多都能找到原因，比如有的是因为设计时没有考虑配合精度，气密性达不到要求，有的情况是摩擦力大等。在这些情况下因势引导同学们，这门课是认知型的课程，本课程的教学目标是了解并体验产品的制造过程。如果想要更进一步了解产品的精度、配合、效率等，并设计制作出能真正投放市场的产品还需要后续课程如机械设计、机械制造基础、先進制造实践等课程的支撑，从而为同学们继续深入学习后续课程埋下伏笔。

四  结束语

以由中国“制造”到中国“创造”的跨越过程中对新型高端人才的需求为切入点，对制造工程认知实践课程进行改革与创新。将“大制造”的概念引入课程，搭建了理论-实验-项目三位一体的课题体系，通过三个维度的融汇贯通，从而达到知识、技能、能力的相互促进与提升。同时注重与CAD与工程制图的衔接，实现了从“工程表达”到“工程实现”的贯通式培养。同时在本课程的学习过程中，点出后续课程（如机械设计、机械制造基础、先进制造实践）学习的知识点，为同学们后续课程的深入学习起到引导作用，从而实现课程的衔接与贯通。

参考文献：

[1] 郑朝阳，陈克忠.工程训练课程教学与学科竞赛融合的实践探索——以机械类、材料类专业为例[J].大学，2021（31）：131-133.

[2] 潘旭东，林森，曾昭阳，等.基于五位一体实践育人模式的新工科新工训——以哈尔滨工业大学工程创新实践中心为例[J].高教学刊，2021，7（25）：6-10.

[3] 王远，朱俊琳，王应彪，等.金工实习中学生创新能力培养模式与评价体系的构建[J].农业技术与装备，2020（10）：106-107.

[4] 詹必胜，李昕.面向新工科的工程训练管理系统平台的设计与实践——以华中科技大学工程实践创新中心为例[J].中国管理信息化，2021，24（17）：217-221.

[5] 蔡大军，于辉，刘利刚，等.新工科背景下基于学科竞赛的工训课程探索实践[J].教育现代化，2019，6（83）：278-280.

[6] 颜建，段海峰，韩伟，等.应用型本科省级工程训练示范中心建设探究[J].实验室研究与探索，2021，40（7）：144-148.

[7] 沈阳，王瑞龙.在金工实习中应用案例教学培养创新创意能力的探索与实践[J].科教文汇（上旬刊），2021（2）：102-103.

基金项目：2023年广东省教育科学规划课题（高等教育专项）“基于科产教深度融合的拔尖创新人才培养实践教学体系探究”（2023GXJK467）;“南科大研究”课题“新型研究型大学本科生创新实践能力培养与评价探究——以南方科技大学机械与能源工程系为例”（SUST23Y01）;2021年广东省教育科学规划课题（教育综合改革专项）“智能制造类专业学位研究生产教深度融合协同培养机制研究”（2021JKZG047）;2021年广东省教育科学规划课题（高等教育专项）“新工科背景下研究型大学工程实践教学改革与创新”（2021GXJK202）;广东省研究生教育创新计划项目“南科大-乐聚（深圳）机器人公校企研究生联培基地”（Y01331833）

第一作者简介：路冬（1980-），女，汉族，山东济宁人，博士，副教授。研究方向为数字化制造、智能制造、制造过程质量控制。

*通信作者：魏艳（1986-），女，汉族，湖北仙桃人，博士，副教授。研究方向为计算机图形学、产品设计、多相流仿真。