縱向與橫向實驗關聯法在機械設計制造及自動化專業實驗教學改革中的應用

陳虎城,張應紅,黃 偉,何玉林

(桂林電子科技大學機電工程學院,廣西桂林,541004)

一、引言

隨著高等教育“雙一流”建設的持續深入,特別是中國制造已開啟從制造大國開始邁向制造強國的征程,滿足國家現代產業需求的創新性、綜合性工程人才培養已成為中國高等教育的必然任務。[1-2]傳統高等教育人才培養的范式是源于專業本位,強調圍繞學科知識主體開展教學活動。在傳統模式下,知識得以系統傳遞,但也導致學生的知識結構囿于學科范疇,造成學生的學科知識局限和工程應用能力不足。[3]新工科人才培養承擔著從傳統的學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉變到支撐引領的任務[4],對正在更新中的機械設計與制造專業(以下簡稱機制專業)工程應用技術人才培養提出了新要求。產業新經濟新工科背景下進一步提升機制專業工程應用人才培養是高校面臨的挑戰。[5]

實踐教學與理論教學相輔相成,是實現理論知識向應用能力轉化的重要途徑,而實驗課程項目建設是提升工程應用能力的最佳途徑之一。[6-8]機制專業實踐性較強,其實驗項目學時占比超過課程學時的15%,且主要以小批量進行上課。以桂林電子科技大學(以下簡稱我校)機制專業為例,大多項目每批次小于8人。我校機制專業為提高實驗教學質量,建立了項目式實驗項目,很好地解決了原有專業知識點培養和應用能力不足的問題。但是,原有課內實驗項目分散于不同課程中,項目之間獨立分散,缺少緊密的聯系,學生學習一門課程和做完一項課內實驗,很難建立起各課程之間的聯系,出現“見樹木,難見森林”的現象。因此,對看似零散的課內數字化設計與制造實驗項目根據產業能力需求進行全盤布局,在實踐教學中構建實驗項目體系,對提高學生的專業素養、動手能力和工程意識有著重要的意義。

許多高校從實驗項目和項目規劃方面開展了大量實驗課程教學改革工作。實驗項目方面進行建設的典型教學改革有:借助虛擬仿真技術開設三維裝配工藝實驗項目;為提高工程實踐性在“機械工程材料及其成形技術”實驗課程中采用項目式教學法;基于關聯性教學的理念,開展關聯性教學在巖石力學實驗課中的應用探索。[9-11]實驗項目整體方面進行建設的典型教學改革有:提出以知識點關聯的指導原則,對實踐教學平臺總體方案進行改革;以機械類專業核心課程為框架,構建了機械類創新設計性實驗項目群。[12-13]然而,介紹產業需求下課內實驗項目建設方法的研究較少。本文根據人才培養需求和實踐教學特點,提出縱向與橫向實驗關聯法,以培養學生的工程實踐與創新能力。

二、建設思路

課題組基于《中國制造2025》,結合我?，F有機械類本科技術應用人才特色,充分利用現有實踐教學平臺,建立以機械創新設計與制造為基礎、以工業數字化和系統化為標志的實驗項目課程體系,優化現有實踐教學內容,推進實踐教學改革。同時,針對制造業人才培養與企業實際需求脫節、產教融合不夠深入、工程教育實踐環節相對薄弱等問題,進行實驗項目改革,以期通過“主動適應轉型”方式為培養適應再工業化時代技術人才貢獻一份力量。

原有以知識點強化的實驗項目建設方法不足以滿足現有面向產業需求的實踐教學需求。較為理想的實驗項目建設不僅可以支撐理論教學、鞏固教學知識點,而且可以通過再現調研、設計、測試等生產實現過程,模擬工藝或工藝鏈過程,或復現產業生產技術要素,強化學生工程實踐與創新能力。這些實驗項目內容均應以工程應用為中心進行整體規劃建設。因此,根據實踐教學需求和產業人才能力需求,課題組提出了縱向與橫向實驗關聯法,將課內實驗進行縱向或橫向關聯,以強化課程之間的聯系。

縱向關聯實驗法是以典型產品的機械加工工藝、各道工序和產業鏈為關聯點,形成交叉性、綜合性實驗項目;橫向關聯實驗法是以相同的實驗作品(產品)不同的工藝方法為關聯點,即“一項多做”形成工藝和生產效果對比,形成設計性、綜合性、開放性實驗項目?；诳v向與橫向關聯法,優化實驗項目內容,將現有課內實驗進行關聯,形成實驗項目立體網,可以彌補現有教學平臺的不足。自制部分實驗裝置,補充完善部分實驗項目,有利于達到優化實驗項目內容和提高實踐教學的效果。該方法主要在專業實驗中開展試點,重點在數控技術、現代制造技術、特種加工、模具制造工藝學、模具制造技術等專業課程中進行。具體實施方案如下。

第一,在機制專業的專業實驗項目中,基于縱向與橫向實驗關聯法,調整實驗項目,優化實驗項目內容。

第二,依據課程的先后順序和專業課程的集成度,設置更為集成和綜合的實驗項目,提高學生解決復雜問題的能力。

第三,針對特色明顯的實驗課程,自主設計、制造相應的實驗教學設備,增強實驗項目關聯力,增加學生可參與環節,提升學生工程實踐與創新能力。

三、實施案例

根據縱向與橫向實驗關聯法,將課內實驗進行縱向或橫向關聯,以強化課程之間的聯系,制定專業課程實踐教學大綱,并形成相應指導書。具體關聯法應用案例如下。

(一)縱向關聯法的應用案例

1.用于課內實驗項目

基于實驗項目縱向關聯法在專業課程中開展關聯建設工作,部分關聯實驗項目如圖1所示。由圖1可知,數控技術課內實驗包括數控車手動編程與仿真加工實驗、數控車自動編程與仿真加工實驗、數控銑床手動編程與仿真加工、數控銑床自動編程與仿真加工實驗及三維曲面自動編程與仿真加工實驗。實驗項目內不僅有基本的指令使用、程序調試、工序編寫、對刀方法和刀具補償等知識點的應用能力培養,而且選用典型零件(回轉體和曲面型腔),并沿著一定工序完成典型工件加工,從而形成了一系列遞進的實驗項目。實驗項目通過工序和知識點進行關聯,提升了學生對課內實驗項目之間的整體理解和工程應用能力。圖2(a)和(b)為計算機輔助制造(CAM)軟件自動編程過程和數控銑床仿真加工過程圖,掌握基本應用后,學生還可以基于該平臺自行擴展,如自動對接第二課堂或其他科創平臺的實踐需求,擴大了實踐能力提升的范圍。

圖1 通過縱向關聯的實驗項目分布圖

圖2 數控銑床自動編程與仿真加工實驗

2.用于課程間實驗項目

學生掌握自動編程及仿真加工后,則可進入實際機床的加工,結合模具制造工藝學、特種加工、先進制造技術等課內實驗項目的要求,構建模具型腔雕刻及拋光實驗、蠟模制作與熔模鑄造實驗、電火花成型實驗、加工中心實驗和真空注型實驗等項目。學生通過自主設計的模型,基于前面數控技術課程中CAM軟件產生CNC代碼,進行模具型腔雕刻加工及表面拋光。之后,將做好的模具用來完成蠟模制作與熔模鑄造實驗,并最終用鑄造出的工件作為真空注型實驗的原型件。同時,通過數控機床加工出紫銅電極(學生自定義),可以利用自制電火花打孔裝置實現電火花成型或穿孔實驗,形成另一個縱向關聯的實驗項目群。計算機繪圖實驗、有限元技術實驗同樣可以應用類似關聯的模式,將原有較為獨立的專業實驗項目形成體系,讓學生在更清楚理論課程和實驗課程之間關聯的同時,清楚整個機制專業工藝鏈之間的關系,從而提升工程中應用專業知識的能力。

3.自制實驗裝置提升縱向關聯效果

為提升實驗項目間的關聯效果,課題組自制了多臺實驗教學儀器,包括氣動蠟模成型裝置、便攜式電火花打孔機、并聯式大行程3D打印機、桌面式雕刻機等實驗裝置。通過自制蠟模成型實驗裝置,有效銜接了模具型腔雕刻和蠟模制作與熔模鑄造實驗。圖3為數控機床雕刻出一個模具型腔并進行拋光,然后在自制蠟模程序裝置上通過該模具型腔制作出蠟模。壓蠟實驗獲得的蠟模經過石膏粉和失蠟過程,可以進一步制作出石膏模型。通過錫金屬的澆注,可以完成鑄造實驗;而壓制出的蠟?；驖沧⒊龅哪Ｐ?則可用來作真空注型的原型件。整個過程中,錫金屬熔點較低,自制蠟模機體積小且操作簡單,學生完全可以全程自主設計實驗過程并操作設備,從而提高實驗參與度。自制蠟模成型裝置不僅解決了現有實驗設備無法進行縱向關聯的問題,而且解決了面對大型實驗設備學生無法深度參與的實驗教學問題。簡易設備的制造也在無形中提高了學生自主設計和創新設備的信心與動力。

圖3 雕刻的金屬模具及蠟模成型實驗效果圖

(二)橫向關聯法的應用

結合產業對工程應用人才能力的需求,將橫向關聯法實驗項目作為課內實驗,部分橫向關聯法應用結果如圖4所示。關聯后,教師在實際教學過程中有意識地引導學生思考不同加工方法、不同工藝之間的對比,并在實驗中加以驗證,有助于強化學生對機械制造工藝異同的理解。

圖4 通過縱向關聯的實驗項目分布圖

圖5(a)和圖5(b)分別為激光切割板材和數控沖床沖裁板件的實驗現場圖。兩種加工設備相同的地方是都能對薄板金屬進行加工,都能對特定形狀的工件進行加工,但二者由于工藝的差異,各有特點。激光切割機可靈活切割幾乎任意形狀的工件(最小尺寸有要求),但切割邊緣質量(依賴于工件尺寸、激光功率和掃描速度)比數控沖床差,而數控沖床雖然靈活性相對較小,但對有固定模具的特定工件而言,具有質量容易控制、切割邊緣質量高、適合大批量生產的優勢。因此,學生在實驗報告思考題中對比兩類實驗的差異,不僅可以鞏固所學知識點,而且可以加深對工藝的理解和提高實驗興趣。教師引導學生自主查閱相關產業應用資料,關注產業應用現狀。

圖5 數控沖裁實驗與激光切割機與實驗效果圖

此外,根據激光切割靈活性的特點,利用計算機輔助設計(CAD)軟件繪制學生所設計的圖像,再利用CAM軟件生成數控程序,并通過實際切割效果,帶領學生分析切割質量,讓學生進行對比性實驗,可以在夯實學生基礎的同時,提升他們綜合對比、辨識的能力。

四、應用效果

縱向與橫向關聯法的運用符合《中國制造2025》背景下機制專業數字化人才培養要求,完善了我校的實驗教學培養體系,優化了現有實驗教學中的項目和內容。關聯項目主要面向我校機械制造的學生,每年受益學生有400余人。該方法自實施以來,實驗項目內容工程性更強,實驗項目間關聯性更顯著,有效解決了學生課內實驗項目中“見樹木,不見森林”的問題,同時有效提高了學生的專業實驗興趣和工程實踐與創新能力。通過橫向關聯的對比,學生變被動接受知識為主動學習,既提高了探索興趣,又提高了全局意識,學生對機械加工的認識更加全面。

五、結語

現有機制專業課內實驗項目既要支撐學生掌握基礎的知識點與方法,又要培養學生運用知識解決實際工程應用問題的能力。本文根據實驗教學項目離散不成體系而產業需求逐步提高的現狀,提出了縱向與橫向實驗關聯法,重構了實驗項目內容,并在機械設計制造及自動化專業進行了實踐,促進了學生將知識轉化為能力和綜合素質的提高?？v向與橫向實驗關聯法在機制專業實驗教學改革中應用是實驗教學改革具有創新性的一次探索,在保持課內實驗教學的基礎性、科學性的前提下,將實驗項目進行工程化,從而引導學生在實驗過程中積極地思考和發現,培養學生的工程實踐與創新能力,為實驗教學改革提供了新思路、新方向。本課內實驗項目建設方法對其他專業課內實驗項目的建設具有一定的借鑒意義。