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机械制造训练线上线下混合式教学实践探索

范文

初红艳程强刘志峰赵永胜杨聪彬

[关键词]机械制造训练;混合式教学;虚拟仿真;考核评价方式

机械制造训练是北京工业大学机械工程专业面向三年级本科生开设的综合性实践训练环节。调查发现，目前工程制造类专业学生综合运用课程所学知识从事实际工作、解决实际问题的能力仅处于“中等水平”，制造类本科人才培养质量与先进制造发展要求不相适应[1]。其存在的主要问题是课程割裂，没有或较少考虑前后课程之间的有机衔接，课程之间或学科之间缺少交叉融合，学生综合运用知识的能力比较弱，能解决跨界的复杂工程问题的人才不足[2-3]。北京工业大学的教学实践也存在类似问题。目前学生热衷于参加各级各类科技竞赛，如数字化设计大赛、机械创新大赛等，在结构设计、创新设计等方面表现出较强的专业能力，能在各种竞赛中获得奖项，但是在对其获奖作品进一步开发时往往发现存在各种问题，如根本无法加工或加工成本过高等，其主要原因是学生不具备综合运用设计、工艺等方面知识的能力。

在新工科建设背景下，相关高校都在积极探索学生综合实践能力培养的有效途径。比如燕山大学在金工实习环节引入学科竞赛的内容，学生通过全程亲自完成参赛作品的工件设计、操作设备和动手调试等环节，使其总体方案设计能力、加工工艺意识和创新能力得以大幅提高[4]。西安理工大学将机械类专业实践教学改革与创新创业教育深度融合，学生在“金工II”实践环节可以结合各类创新创业竞赛主题自主选择课题，自行完成设计、加工、调试环节，通过该实践环节加工出的作品可以直接参加相对应的创新创业竞赛[5]。北京工业大学机械工程专业的机械制造训练环节则打通课程之间的界限，串起相关课程内容，实现对学生能力的综合培养。

一、机械制造训练环节的内容

北京工业大学的机械制造训练是在机械工程专业本科生完成互换性与公差配合实践、机械制造技术基础、工程材料及成形技术基础等课程学习之后进行的综合性实践训练，属于实践环节必修课。通过该实践训练，学生要能够综合运用理论课上学习到的知识，包括根据实际机械产品的功能和用途为相关零件选择合适的工程材料，正确评价零件的结构工艺性，根据现有生产条件制订零件的加工工艺方案，熟悉数控机床的程序编制，同时通过完成一个实际机械产品的加工、装配及检验，熟悉机械制造训练现场的行为规范，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。

二、线上线下混合式机械制造训练的实施

混合式教学是将在线教学和传统面授教学结合起来的一种“线上+线下”的教学模式。线上部分与线下部分组成一个完整的有机体，其中线上部分是整个教学环节的基础与保障，线下部分则是基于线上学习的更加深入的教学活动，并不是传统课堂教学活动的照搬。该方式可以丰富教学的内容与形式，提高学生的学习兴趣，锻炼学生的独立思考能力与自学能力，培养学生良好的学习习惯。

混合式教学不仅适用于理论课程，也同样适用于实践课程。例如哈尔滨理工大学在其数控铣实训课程中进行了线下教学向线上引入的尝试，让学生在线上学习基础知识，线下动手操作，以此延长实训实操的时间，把部分课堂时间变成实际机床操作时间[6]。

机械制造训练作为面向高年级本科生开设的综合性实践环节，其在学生能力培养中所起的作用既包括技术能力的培养，如“设计/开发解决方案”能力，又包括非技术能力的培养，如“环境和可持续发展”“个人和团队”“沟通”“项目管理”等能力。因此其线上线下混合式教学为线上学习与线下实训相混合、虚拟仿真与实践加工相混合的双层混合式教学。

（一）线上学习与线下实训相混合

机械制造训练通过典型机械产品的加工、装配和检验，使学生具备在结构设计时能分析其加工工艺性和装配工艺性的能力。线上学习资源围绕学习、实训的需求，提供冷/热加工工艺制定的学习资料清单以及盘套类、轴类、箱体类零件加工工艺制定与热处理工艺制定PPT，供学生学习;并结合校内现有设备资源，提供设备基本原理与操作、典型零件加工与检验等方面的指导性视频。其线上学习资源清单如圖1所示。

线下实训环节安排在校内机械工程训练中心，学生根据自己制定的工作流程，亲自操作设备进行实际零件的加工并检验是否达到设计要求，对于校内不具备加工条件的环节则进行适当的外协。学生要在规定的时间内完成零件的加工、外协以及标准件采购并最终完成产品装配。通过这样一个完整的产品开发过程，有利于提高学生解决复杂工程问题的能力，尤其是使其具备结构设计时能进行加工工艺分析和装配工艺分析的意识与能力，实现对其技术能力的培养;在非技术能力培养方面，机械训练现场的实训能使学生对工程和工程师的素养有更深刻的理解。由于该训练采用项目小组制，组内学生既有分工又有合作，因此可以实现对学生独立动手和思考、分工与合作解决复杂工程问题能力的培养。实训过程中的人员安排、进度控制、原材料与标准件的采购等则使学生可以理解经济管理与成本控制。

（二）虚拟仿真与实践加工相混合

机械产品开发制造过程中，既有切削加工等冷加工，又有铸、锻、焊、热处理等热加工。虚拟仿真与实践加工相混合，既包括采用冷热加工的虚拟仿真软件进行数控加工、锻造成形、热处理等仿真，并基于仿真结果进行实践加工，也包括利用线上开放的国家虚拟仿真实验教学项目进行学习，以此来实现对不具备实验条件的实践项目的学习，或指导线下实践加工。线上可供学习的国家虚拟仿真实验教学项目清单如表1所示。

以北京工业大学开发的典型机械产品铸造成形虚拟仿真实验教学项目为例，该项目以五种典型零件（减速器箱体、箱盖以及轴系上的闷端盖、透盖、挡油环）为对象，采用两种典型铸造方式（砂型铸造和消失模铸造），可以进行铸造工艺图设计，真实铸造车间场景内的铸型制作及铸造成形，以及液态金属填充、凝固和冷却的仿真过程观察及工艺和产品性能分析。铸造成形高温、危险性大、无法肉眼观察、部分地区不具备铸造条件，采用虚拟仿真实验可以很好地解决上述问题。训练过程中，学生通过虚拟仿真实验完成各自所负责零件的铸造工艺设计与成形仿真，然后在线下手工粘制消失模铸造的泡沫模型，并在外协厂进行铸造成形。通过线上虚拟仿真与线下实际加工相结合的方式，既可以解决校内不具备实操条件、无法实际铸造并观察的问题，又可以使学生掌握对铸件进行铸造工艺设计的相关知识，以保证实际铸造成形的成功率符合要求。

三、线上线下混合式机械制造训练的考核与评价

机械制造训练的线上线下混合式教学方式及其所发挥的技术能力和非技术能力培养的作用，决定了其应该采用多阶段考核与多角度评价的考核与评价机制。

（一）多阶段考核

线上考核注重学习效果，线下考核注重实践效果。

线上学习阶段，根据训练的进度安排，任课教师定期在线上发布学习任务，学生需要在指定时间内完成学习，并在学习过程中完成相应的练习与考核，考核合格后可以进入下一阶段的学习或实训。表2为线上学习资源的考核题示例。图2为虚拟仿真项目实验报告的教师批改页面。

线下实训阶段采用既考核产品的完成质量又考核项目的实施过程的两级考核方式，由以任课教师为主的考核小组对各项目组进行考核，并给出考核结果。

（二）多角度评价

基于《华盛顿协议》的工程教育专业认证的基本理念是成果导向、以学生为中心以及持续改进。而持续改进是在评价学习效果的基础上进行的。机械制造训练环节既支撑技术能力的培养又支撑非技术能力的培养，因此需要从多个角度进行综合训练效果的评价。

通过最终完成的产品质量评价学生“设计/开发解决方案”的能力，通过材料选择、工艺制定以及生产现场操作等考查其“环境和可持续发展”的能力，通过装配图与零件图图纸、工艺卡与工序卡等工艺文档以及结题报告与PPT汇报等考查其与业界同行进行沟通与交流并陈述发言的能力即“沟通能力”，通过PPT汇报、团队分工协作以及项目执行进度等情况评价其“个人与团队”与“项目管理”等能力。

基于上述内容制定含有两级指标的评价量规，其中一级指标包括“设计/开发解决方案”“环境和可持续发展”“个人与团队”“沟通”“项目管理”，二级指标则是对一级指標的细分，比如一级指标“设计/开发解决方案”可以细分为四个二级指标即“面向制造的产品设计能力”“制定加工工艺规程能力”“产品试制与检验能力”“创新与自主意识”，每个二级指标又有四个等级标准，各标准有详细的描述和对应的分数。评价采用任课教师评价与学生自评相结合的方式，可将评价结果绘制成如图3、图4所示的雷达图，用于指导训练效果的持续改进。

四、结束语

综合性实践训练环节在学生的工程能力培养中具有重要作用。北京工业大学根据学校现有资源条件，考虑到课内学时有限等问题，采用线上线下混合式教学方式，充分利用线上学习资源，既包括本校提供的针对性很强的学习资源，又包括线上开放的国家虚拟仿真实验教学项目等学习资源，提高了教学项目的吸引力和教学有效度;线下实训则以线上学习为基础，通过一个典型机械产品的加工、装配与检验，实现对“设计/开发解决方案”“环境和可持续发展”“个人与团队”“沟通”“项目管理”等能力的培养，使学生具备“解决复杂工程问题的能力”。

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