当前先进制造技术下的工程实践教学研究

叶回春, 沈连婠

(中国科学技术大学 工程科学实验教学中心,安徽 合肥 230027)

云制造[1-2]、大数据[3-5]、人工智能[6-7]等的相继出现,使得制造业面临着激烈的挑战和深刻的技术变革。在此背景下,担负着培养实践创新人才的传统金工实习课程,在各高校中也纷纷求变[8-9]。而引进先进制造设备与技术供学生实习,建设信息化开放式的实训中心管理办法,已经成为众多高校的共识[10-12]。一方面,先进制造设备能让学生尽早接触当前先进技术、感知前沿科学、开拓眼界；另一方面,在新增设备的基础上也可以增设新的实训项目,开拓思路,研究新的训练模式,培养学生的兴趣爱好,增强学生的工程素养,并使学生能够深化课本上学到的理论知识。

工业4.0即将拉开帷幕,未来工厂的生产运作仅需少量高精尖的技术人才,传统劳动密集型产业将被智能机器人取代。因此,培养更多具有创新意识、创新思维、创新实践的人才在这个时代迫在眉睫。当然,这也承载着推进国家自主创新,在激烈的国际竞争中占据主动,实现中华民族伟大复兴的历史使命。我校工程科学学院秉承“我创新,故我在”和“精品办学、英才教育”的理念,在学校教学专项经费支持下,根据学校的办学宗旨:“紧紧围绕国家急需的新兴科技领域设置系科专业,创造性地把理科与工科,即前沿科学与高新技术相结合,注重基础课教学,高起点、宽口径培养新兴、边缘、交叉学科的尖端科技人才” 。将工程实践中心建设成为一个具有能为学生增强知识创新和技术创新能力的实践教育基地, 为学生营造“真实而又先进的制造业环境”,使其成为一个可以让学生自己动手,亲自实现其创新意愿的场所。

本文将结合我校实践中心近几年的办学经验,探索如何利用先进制造技术等培养学生创新实践等综合能力。

1 先进制造技术在工程实训中实施办法

我校工程实践中心自2012年创立以来,以国外名校的工程实践基地为标杆, 针对本校学生将来的去向:大部分继续深造,攻读博士生和硕士生,少量学生直接进入社会,且多为各类公司的研发部门。立足现状,将中心的建设目标定为:

(1) 全校各专业金工实习课程的教学课堂；

(2) 全校学生创新思维的实现场所；

(3) 全校科研需求的应急响应平台。

使学生除了能切实完成基础的工程实践、工程训练之外,更要向学生展示制造业的前沿和方向,让学生能利用中心的先进工程工具,实现自己的创意。

1.1 重新架构金工实习课程

1.1.1 培养学生掌握先进的加工技术

传统金工实习课程主要包含车削、铣削、刨削、磨削、钎焊等几个内容,教学方式存在着训练内容单一、工艺流程简单等缺点,基本以纯操作技能训练为主,对学生的培养处于对基础理论知识和基本操作技能认知的层次,无法有效激发学生的学习兴趣和创新欲望,不利于学生创新能力的培养。

为此,我校实践中心传统加工技术基础上引进精密级金属雕刻机,将车铣刨磨加工获得的零件进行表面电化学处理,学生可以根据自己的喜好进行着色防锈处理,效果对比见图1。这样学生既能掌握电镀和氧化着色的原理,学到知识,也能根据自己的要求进行颜色深浅不同的掌控,在增加趣味性的同时提高学生自主能动性。

图1 传统车铣钳与表面电化学处理制作五彩小锤子

1.1.2 培养学生掌握3D打印等现代化制造加工技术

增设3D打印机、激光内雕、反求测量等数字化制造实训项目。一是可以让学生了解增材制造、特种制造等当前最新加工技术进展,开阔视野；二是让学生充分发挥自己想象力、创造力,通过CAD软件设计模型,并加工制作,达到深化理解机械制图、机械设计等课程知识的目的,同时增强学生的主观能动性,最终提高综合创新能力。激光内雕作品见图2。

1.1.3 培养学生设计创新意识和实践能力

增加了数控车削、数控铣削、线切割、精密雕铣机等先进制造设备,要求学生自行设计模型(见图3)。同时要求学生动手操作设备进行加工,这能让学生了解并掌握现代制造工艺,并与传统制造工艺进行对比,此方式强调理论教学与实训教学相结合,重视培养学生分析问题、解决问题的能力及创新意识,增强学生的社会适应能力。

1.2 增加自主创新开放式训练项目

为学生提供创新平台，接纳学生创新团队,课后开放中心仪器设备,给团队提供场地并配备专业指导教师。促进形成项目驱动的模式,使学生能尽早开展连续的探索性研究工作,与我校培养高精尖人才的理念契合,有利于培养学生的工程素质和创新实践能力；有利于学生在实践中自主学习,提高其主动性和自觉性；有利于培养学生综合应用各科知识解决基本工程问题的能力。

1.2.1 鼓励学生参加竞赛科技活动

Robocon、Robomaster、挑战杯、全国大学生机械创新设计大赛等都是非常有意义的科技研究活动,充满挑战性和创新性,为学生提供了锻炼自己综合实践能力的机会。学生通过参加这类活动,在分析解决问题、系统设计与调试、新器件新技术的应用及创新能力和团队协作等方面得到了全面提高。通过这些竞赛,既锻炼了参与者,又能选拔出一批优秀学生。

1.2.2 鼓励学生参加科研活动

鼓励学生直接参与教师科研团队的研究活动,从科研中发现问题,与教师一起进行实验研究、创新研究,并学会撰写科研论文、交流研究心得。因为这种研究本身就是工程教育,既将理论学习与实践较早结合,又熟悉了基本的科学研究方法，提高了学生的学习积极性和科学研究能力。

图2 激光内雕学生的部分创意作品

图3 线切割学生部分创意作品

1.3 为社会服务,举办科技活动周等科普类活动

依托中心组织各种科技普及活动,向社会展示制造业的前沿与方向和我校精神风貌。由学生自由组织、自愿报名,同时聘请高年级本科生担当讲解介绍。此举措不但可以锻炼学生组织能力、表达能力,增强其社会适应能力,同时也能加强学生社会责任感和集体荣誉感,并在讲解科学知识过程中深化对课本知识的理解。

目前我校实践中心开展的科技普及活动主要有“科技活动周”“五月风”“高校科学营”等。“科技活动周”主要面向全国中小学生及其家长。“科技活动周”开设的科普点有3D打印、激光内雕、3维扫描等项目,2天接待人员约5 000人次；“五月风”面向低年级本科生,目的是使学生能利用中心设备实现自己创意,培养学生工程兴趣；“高校科学营”面向全国优秀高中生,通过普及高新技术,亲身设计并动手实验制作作品等方式,提高科学兴趣和养成良好思维方式,同时也对我校的办学理念起到宣传作用。

2 工程实践中心建设目标

拟将我校工程实践中心打造成一个既满足全校学生各专业金工实习课程需求,又能给学生提供创新思维实现、培养学生团队意识、社会服务意识及各项综合能力的场所。同时还能满足教师的一部分科研需求,具体课程体系架构见图4。在金工实习基础上整合创新实践、社会服务、科研服务,形成多位一体模式,切实保障工程实践中心资源利用最大化。

3 结语

经过近5年的建设发展,我校工程实践中心将先进制造课程与大学生创新能力培养的有效结合,逐步形成特色鲜明的创新实验、工程实训项目。现能接受学生自主选课、自由组队、自发申请研究项目,也能满足科研预约加工。

自金工实习课程以全新形式开课以来,深受学生好评。得到了学生的积极参与和热情支持,在提高学生的动手能力,培养学生的创新意识、团队意识等方面发挥了积极作用。当然,工程实践中心为适应时代的发展,未来将会逐步开展信息化、MOOC等的建设,最终促进大学生实践动手能力和实践创新能力的培养,提高教学质量和科研水平。

图4 工程实践中心课程体系架构

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