能力培養(yǎng)下機械制造工藝學項目探究
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摘要：機械制造工藝學在高等學校機械工程專業(yè)課程體系中占有重要的地位，具有綜合性強、理論性強、實踐性和應用性強等特點。然而采用傳統(tǒng)的課堂授課教學方法往往事倍功半，學生無法深入掌握理論知識并應用于實踐。基于此，文章開展以學生為主體、教師為主導的“項目教學法”創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式教學改革與實踐。構(gòu)建以“零件制造工藝規(guī)程及夾具設(shè)計”為主題的項目實施路線；建立基于過程的、綜合考核學生知識、能力、素質(zhì)的層次化分級教學評價標準，形成以產(chǎn)出為導向、量化可控、多路反饋的能力達成度精準評價體系。歷經(jīng)6年實踐，形成了豐富的項目教學案例庫，學生項目得分率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的期末驅(qū)動教學。
關(guān)鍵詞：機械制造工藝學；項目驅(qū)動；過程考核；綜合評價
機械制造工藝學是高等學校本科機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)課，在培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維、綜合設(shè)計能力和機械工程實踐能力方面占有重要的地位[1]。其先行課包括機械制圖、材料力學、金工實習、機械工程材料、金屬工藝學、機械設(shè)計、互換性原理與測量、金屬切削原理與刀具、生產(chǎn)實習等。課程內(nèi)容在以上先行課的基礎(chǔ)上講述機械產(chǎn)品的制造工藝，課程內(nèi)容具體包括零件加工工藝和產(chǎn)品裝配工藝兩方面，其指導思想是在保證質(zhì)量的前提下達到高生產(chǎn)率和高經(jīng)濟性，研究重點是機械加工工藝過程和裝配工藝過程[2]。在OBE教學理念下，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為導向的達成度分析評價系統(tǒng)中，這門課的課程目標對學生的能力要求和對應的畢業(yè)要求如下。課程目標1：學習機械加工工藝方面的基本理論知識和典型零件的加工工藝分析，掌握制訂零件機械加工工藝規(guī)程的方法，初步具有編制中等復雜程度零件機械加工工藝規(guī)程的能力。課程目標對應畢業(yè)要求1（工程知識）：1-4.掌握機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識，具備綜合應用所學知識解決復雜機械工程問題的能力。課程目標2：學習裝配工藝方面的基本理論和知識，掌握制訂機器裝配工藝規(guī)程的方法，初步具有制訂中等復雜程度產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程的能力。課程目標對應畢業(yè)要求2（問題分析）：2-4.能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，借助文獻研究，分析復雜機械工程問題的影響因素，證實解決方案的合理性，獲得有效結(jié)論。課程目標3：學習機床專用夾具設(shè)計的基本理論和方法，初步具備設(shè)計中等復雜程度專用夾具的能力，能夠評定夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣，對夾具精度設(shè)計進行分析。課程目標對應畢業(yè)要求3（設(shè)計/開發(fā)解決方案）：3-2.能夠針對制造工藝、機電產(chǎn)品及裝備的特定需求，完成單元及系統(tǒng)的設(shè)計。課程目標4：學習影響機械加工質(zhì)量（包括機械加工精度和機械加工表面質(zhì)量）的因素及其影響規(guī)律，掌握分析、研究機械加工質(zhì)量的方法，初步具備分析解決現(xiàn)場工藝問題的能力。課程目標對應畢業(yè)要求4（研究）：4-1.能夠基于科學原理并采用科學方法對機械復雜工程問題進行研究、比較和選擇研究路線，設(shè)計實驗方案。由此可見，機械制造工藝學課程內(nèi)容具有極強的綜合性、理論性、實踐性和應用性。對于應用基礎(chǔ)型人才培養(yǎng)，這門課程起到了至關(guān)重要的作用[3]。但是，傳統(tǒng)的課堂教學通常采用“教師講、學生被動聽”的枯燥模式，存在以下問題：（1）對于理論知識學生掌握僅停留在書面，對于各部分內(nèi)容的掌握尚可但缺乏清晰完整的概念，無法建立理論和實際之間的聯(lián)系從而導致對于工程實際問題無從下手。（2）對于應用類知識，課堂授課無法達到使學生“身臨其境”的效果，無法在腦海中清晰地建立機械加工工藝系統(tǒng)（即刀具、機床、工件和夾具之間的位置關(guān)系以及加工工程的運動關(guān)系），為了讓學生能掌握扎實，通常教師不得不增加知識點的教學時間，反復灌輸，效率低、效果差。（3）特別值得注意的是，這門課程需要學生掌握的知識點共7章，章節(jié)之間環(huán)環(huán)相扣、知識具有極強的系統(tǒng)性。而理論課教學時間達到了44學時，導致學生學會后面忘記前面，很難系統(tǒng)掌握。若遇到具體的工程實踐項目，依然存在“摸不著頭腦”現(xiàn)象。
一、研究內(nèi)容與總體思路
為了鞏固理論知識，機械設(shè)計、液壓與氣壓傳動等課程分別設(shè)置了相應的“課程設(shè)計”，通過具體的課題練習建立起理論知識與實踐應用之間的聯(lián)系。然而在機械專業(yè)的課程體系中，沒有單獨為機械制造工藝學課程設(shè)置課程設(shè)計。借鑒課程設(shè)計教學模式，若將實踐課題以項目的形式布置給學生并和理論教學同時進行，能夠形成以“項目”流程為牽引、以鍛煉能力為目的的教學新方法，這種方法又稱為“項目教學法”[4]。項目教學法是指將工程實踐問題以“項目”的形式布置給學生，在進行項目的過程中掌握并運用所學的相關(guān)知識[5]。項目團隊根據(jù)機械制造工藝學課程特點和目標，以能力培養(yǎng)為目標、以工作過程為導向、以具體的項目化實踐性教學為基本點，構(gòu)建了適用于本門課程的項目教學法實施流程和評價措施。
1.課程教學內(nèi)容和項目選題：機械制造工藝學課程教學大綱涵蓋7章內(nèi)容，緒論、機械加工工藝規(guī)程設(shè)計、機床夾具設(shè)計、機械加工精度、典型零件的加工工藝分析、機械加工表面質(zhì)量及其控制、機器裝配工藝過程設(shè)計。針對課程內(nèi)容，項目內(nèi)容設(shè)置為“機床專用夾具設(shè)計”。構(gòu)建不同零件的不同加工形式機床專業(yè)夾具設(shè)計題庫供教學使用，例如“鏜削液壓泵上體三臺階孔車床夾具設(shè)計”。
2.項目組織形式及實施過程管控：采用以學生為主體、以教師為主導的教學模式，將主動權(quán)交給學生。成立學生項目小組并安排組長，項目實施全程學生自己負責、擔當工程師角色。組長負責組會的組織、任務分工安排、總體進度掌握，著重培養(yǎng)學生的團隊精神。通過理論與實踐相結(jié)合的鍛煉以項目帶動知識學習，從而提升學生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。教師負責項目執(zhí)行過程中的答疑解惑和最終的項目評價。
3.項目教學過程的評價措施：構(gòu)建了項目實施全程考核和最終答辯相結(jié)合的評價方法，將評價結(jié)果劃分為優(yōu)、良、中、差、不及格五個等級?？疾靸?nèi)容包含項目的完成進度、項目的預期成果完成情況、項目總體方案的合理性、項目設(shè)計的嚴謹性、項目設(shè)計或論述的整體創(chuàng)新性、團隊意識和溝通能力等。
4.基于項目教學法的課程評價體系：構(gòu)建基于過程的、綜合考核學生知識、能力、素質(zhì)的層次化分級教學評價標準，形成以產(chǎn)出為導向、量化可控、多路反饋的能力達成度精準評價體系。課程的考核的環(huán)節(jié)包括課后作業(yè)（占比10%）、項目課（占比20%）、實驗（占比10%）、期末考試（占比60%），各環(huán)節(jié)成績均以百分制記錄。
二、實施過程與實施結(jié)果
（一）項目執(zhí)行流程
采用項目教學法培養(yǎng)的學生更加符合當今社會對制造業(yè)高級人才知識、能力、素質(zhì)的綜合需求，可有效提升學生的就業(yè)率，更好地體現(xiàn)教育服務于社會的宗旨[6]。項目教學過程中能夠培養(yǎng)學生主動學習的習慣，在做中學，學以致用[7]。已在機械與汽車工程學院機械12級-17級、卓越計劃試點13級-17級的教學過程中實施，具體的實施方法和步驟如下：
1.成立由4~5名同學組成的項目小組，一般按學生的學號尾號為順序順延組隊，并由小組同學選舉一名同學為組長。學生具體人數(shù)由教師根據(jù)項目的工作量安排。
2.由教師從項目題庫中選擇課題并安排給各個小組，各組學生根據(jù)目標零件的結(jié)構(gòu)、尺寸、形位公差等特性制訂項目計劃和時間節(jié)點，制訂項目計劃書并進行分工安排。
3.學生依據(jù)制訂的計劃和各自任務分解開展項目設(shè)計并定期進行小組討論，匯總項目進度并分析目前存在的問題，小組協(xié)商制定下一階段任務工作。教師利用少量理論課時間進行答疑解惑。
4.項目設(shè)計完成后，依據(jù)考核要求撰寫項目報告、匯報PPT，完善夾具的三維圖、二維工程圖并制作動畫。由至少2名教師組成答辯專家組，聽取學生的匯報、指出不足和修改建議、給出項目教學部分成績。
（二）項目技術(shù)方案
經(jīng)歷6年的實踐，針對機械制造工藝學課程特點，題庫已經(jīng)涵蓋車、銑、鉆等基礎(chǔ)加工工藝，每種加工形式包括3~4種典型零件。豐富的題庫為“項目教學法”的進一步實施提供了扎實基礎(chǔ)。課程項目包括工藝制訂、定位方案分析、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和定位誤差分析。主要內(nèi)容如下。
1.××零件的機械加工工藝規(guī)程的制訂（小組協(xié)作）確定毛坯種類、選擇定位基準和表面加工方法、確定加工順序及工序集中程度、確定工藝裝備、計算確定加工余量和工序尺寸及公差、計算確定切削用量及工時定額。要求：必須保證指定××零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率要求，方案合理可行。提交：確定最優(yōu)方案后，填寫工藝過程卡和工序卡各一份。
2.加工××零件的×工序?qū)Ｓ脢A具的設(shè)計（一生一題，無重復）確定該工序夾具的定位、對刀導引和夾緊方案，繪制結(jié)構(gòu)草圖并進行定位誤差、夾緊力、力源裝置等的計算，詳細確定各主要結(jié)構(gòu)尺寸。繪制夾具結(jié)構(gòu)的正式裝配圖（工件處于夾緊狀態(tài)、標注有關(guān)尺寸及公差配合、填寫零件明細表和技術(shù)條件）。要求：采用合適的定位元件組合、滿足六點定位原則、夾緊力滿足加工要求、采用液壓缸、氣缸等自動夾緊裝置，設(shè)計圖紙須符合國家標準和機械制圖規(guī)范。提交：繪制完整的夾具裝配圖一張（2D、比例1∶1、圖幅A0/A1）。
3.專用夾具的虛擬裝配（一生一題，無重復）根據(jù)夾具結(jié)構(gòu)的正式圖，繪制零件3D圖、完成夾具3D模型的虛擬裝配并實現(xiàn)裝配過程的動態(tài)展示。提交：繪制夾具3D模型一份。
4.撰寫設(shè)計說明書和制作PPT設(shè)計說明書是對以上內(nèi)容的分析、計算和設(shè)計的全面總結(jié)，內(nèi)容應語句通順、圖表清晰，符合國家及專業(yè)部門制定的有關(guān)標準，符合漢語語法規(guī)范；相關(guān)計算要有公式和過程，查表獲得的數(shù)據(jù)要有出處。PPT用于最后的答辯。
（三）實施結(jié)果
統(tǒng)計了長達6年的“項目教學法”實施過程中學生成績情況，以得分率為參數(shù)對學生的知識掌握程度進行分析，得分率為學生取得成績與滿分成績的比值。以500余名學生為樣本的成績統(tǒng)計見表1，表中數(shù)據(jù)為歷年學生得分率的平均值。根據(jù)表中分析可得出以下結(jié)論。
1.期末考試成績得分率在57%~74%之間浮動，這說明了當以期末考試作為主要考核手段時，學生對知識的掌握僅處于及格水平，也證明了期末考試驅(qū)動的學習效果不佳。
2.項目成績得分率在78%~88%范圍浮動，普遍達到了良好水平，這說明采用項目驅(qū)動方法進行教學學生對知識的掌握能力顯著提升；尤其是14級學生的成績樣本顯示，項目成績得分率比期末考試成績得分率高出27個百分點。
3.歷年項目成績得分率均值浮動較小，除了14級88%的樣本之外，其余5年的均值都在3%以內(nèi)浮動。一方面，這說明項目教學法采用的題庫、實施流程、評價方法更為合理；另一方面，說明了采用項目教學法對學生培養(yǎng)效果較好。而期末考試成績得分率均值浮動較大、6年樣本之間分散性明顯，在17%范圍浮動。這也充分證明了采用期末考試作為考核標準的劣勢，教師所設(shè)置試題知識點很難全面覆蓋龐大的知識體系，因而期末考試成績無法全面表征學生對知識的掌握程度且偏差較大。
三、結(jié)論
（一）構(gòu)建了具有機械制造工藝學課程特色的項目教學實施方法
機械制造工藝學課程是以多門專業(yè)課為基礎(chǔ)，教授解決“零件制造工藝、夾具設(shè)計及加工質(zhì)量”實踐問題的綜合性課程，通過“項目教學法”的實施，能夠串聯(lián)理論與應用并起到事半功倍的效果。相比機械專業(yè)類的其他課程，課程特色決定采用“項目教學法”更有利于新時代的人才培養(yǎng)。不但如此，在實施過程中還能夠提升學生在教學過程中的主人翁意識、團隊意識和創(chuàng)新意識。
（二）構(gòu)建了過程和綜合能力評價的多元化考核評價體系
不僅課程項目具有獨立的研究設(shè)計內(nèi)容、考核節(jié)點、考核評分標準、設(shè)計報告和演示匯報等。而且將學生平時作業(yè)、實驗成績、隨堂測驗、討論課、項目成績和期末考試成績等多個環(huán)節(jié)納入課程的考核指標體系中，綜合考核學生的知識、能力、素質(zhì)，對學生的課程學習實行全過程管理。使學生能夠全程主動參與到教學活動中，并且能夠全面考核學生的學習態(tài)度、掌握知識和運用知識的能力、動手和實踐能力，有力地促進了學風和考風建設(shè)。
（三）構(gòu)建了五層次、分階段、循序漸進的大實踐教學體系
基于項目教學法，將理論教學、實驗教學、項目實施、實習實訓、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)逐層遞進，形成全方位、立體化的五層次、分階段、循序漸進的課內(nèi)課外融合互補的大實踐教學體系。搭建技能大賽和科技競賽平臺，構(gòu)建大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)新模式，使技能大賽和科技競賽成為高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)的有效途徑。
作者:張彥彬 李長河 楊敏 劉永紅 陳清奎 王飛 彭子龍 單位:青島理工大學機械與汽車工程學院 中國石油大學（華東）機電工程學院 山東建筑大學機電工程學院