基于能力培养的机械制造工艺学项目教学研究

机械制造工艺学是高等学校本科机械设计制造及其自动化专业的一门专业课，在培养学生创造性思维、综合设计能力和机械工程实践能力方面占有重要的地位。其先行课包括机械制图、材料力学、金工实习、机械工程材料、金属工艺学、机械设计、互换性原理与测量、金属切削原理与刀具、生产实习等。课程内容在以上先行课的基础上讲述机械产品的制造工艺，课程内容具体包括零件加工工艺和产品装配工艺两方面，其指导思想是在保证质量的前提下达到高生产率和高经济性，研究重点是机械加工工艺过程和装配工艺过程。
在OBE教学理念下，构建以能力培养为导向的达成度分析评价系统中，这门课的课程目标对学生的能力要求和对应的毕业要求如下。
课程目标1：学习机械加工工艺方面的基本理论知识和典型零件的加工工艺分析，掌握制订零件机械加工工艺规程的方法，初步具有编制中等复杂程度零件机械加工工艺规程的能力。课程目标对应毕业要求1（工程知识）：1-4.掌握机械设计制造及其自动化专业知识，具备综合应用所学知识解决复杂机械工程问题的能力。
课程目标2：学习装配工艺方面的基本理论和知识，掌握制订机器装配工艺规程的方法，初步具有制订中等复杂程度产品装配工艺规程的能力。课程目标对应毕业要求2（问题分析）：2-4.能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，借助文献研究，分析复杂机械工程问题的影响因素，证实解决方案的合理性，获得有效结论。
课程目标3：学习机床专用夹具设计的基本理论和方法，初步具备设计中等复杂程度专用夹具的能力，能够评定夹具结构设计优劣，对夹具精度设计进行分析。课程目标对应毕业要求3（设计/开发解决方案）：3-2.能够针对制造工艺、机电产品及装备的特定需求，完成单元及系统的设计。
课程目标4：学习影响机械加工质量（包括机械加工精度和机械加工表面质量）的因素及其影响规律，掌握分析、研究机械加工质量的方法，初步具备分析解决现场工艺问题的能力。课程目标对应毕业要求4（研究）：4-1.能够基于科学原理并采用科学方法对机械复杂工程问题进行研究、比较和选择研究路线，设计实验方案。
由此可见，机械制造工艺学课程内容具有极强的综合性、理论性、实践性和应用性。对于应用基础型人才培养，这门课程起到了至关重要的作用。但是，传统的课堂教学通常采用“教师讲、学生被动听”的枯燥模式，存在以下问题：
（1）对于理论知识学生掌握仅停留在书面，对于各部分内容的掌握尚可但缺乏清晰完整的概念，无法建立理论和实际之间的联系从而导致对于工程实际问题无从下手。
（2）对于应用类知识，课堂授课无法达到使学生“身临其境”的效果，无法在脑海中清晰地建立机械加工工艺系统（即刀具、机床、工件和夹具之间的位置关系以及加工工程的运动关系），为了让学生能掌握扎实，通常教师不得不增加知识点的教学时间，反复灌输，效率低、效果差。
（3）特别值得注意的是，这门课程需要学生掌握的知识点共7章，章节之间环环相扣、知识具有极强的系统性。而理论课教学时间达到了44学时，导致学生学会后面忘记前面，很难系统掌握。若遇到具体的工程实践项目，依然存在“摸不着头脑”现象。
一、研究内容与总体思路
为了巩固理论知识，机械设计、液压与气压传动等课程分别设置了相应的“课程设计”，通过具体的课题练习建立起理论知识与实践应用之间的联系。然而在机械专业的课程体系中，没有单独为机械制造工艺学课程设置课程设计。借鉴课程设计教学模式，若将实践课题以项目的形式布置给学生并和理论教学同时进行，能够形成以“项目”流程为牵引、以锻炼能力为目的的教学新方法，这种方法又称为“项目教学法”。项目教学法是指将工程实践问题以“项目”的形式布置给学生，在进行项目的过程中掌握并运用所学的相关知识。项目团队根据机械制造工艺学课程特点和目标，以能力培养为目标、
以工作过程为导向、以具体的项目化实践性教学为基本点，构建了适用于本门课程的项目教学法实施流程和评价措施。
1.课程教学内容和项目选题：机械制造工艺学课程教学大纲涵盖7章内容，绪论、机械加工工艺规程设计、机床夹具设计、机械加工精度、典型零件的加工工艺分析、机械加工表面质量及其控制、机器装配工艺过程设计。针对课程内容，项目内容设置为“机床专用夹具设计”。构建不同零件的不同加工形式机床专业夹具设计题库供教学使用，例如“镗削液压泵上体三台阶孔车床夹具设计”。
2.项目组织形式及实施过程管控：采用以学生为主体、以教师为主导的教学模式，将主动权交给学生。成立学生项目小组并安排组长，项目实施全程学生自己负责、担当工程师角色。组长负责组会的组织、任务分工安排、总体进度掌握，着重培养学生的团队精神。通过理论与实践相结合的锻炼以项目带动知识学习，从而提升学生的创新能力和综合素质。教师负责项目执行过程中的答疑解惑和最终的项目评价。
3.项目教学过程的评价措施：构建了项目实施全程考核和最终答辩相结合的评价方法，将评价结果划分为优、良、中、差、不及格五个等级。考察内容包含项目的完成进度、项目的预期成果完成情况、项目总体方案的合理性、项目设计的严谨性、项目设计或论述的整体创新性、团队意识和沟通能力等。
4.基于项目教学法的课程评价体系：构建基于过程的、综合考核学生知识、能力、素质的层次化分级教学评价标准，形成以产出为导向、量化可控、多路反馈的能力达成度精准评价体系。课程的考核的环节包括课后作业（占比10%）、项目课（占比20%）、实验（占比10%）、期末考试（占比60%），各环节成绩均以百分制记录。
二、实施过程与实施结果
（一）项目执行流程
采用项目教学法培养的学生更加符合当今社会对制造业高级人才知识、能力、素质的综合需求，可有效提升学生的就业率，更好地体现教育服务于社会的宗旨。
项目教学过程中能够培养学生主动学习的习惯，在做中学，学以致用。已在机械与汽车工程学院机械12级-17级、卓越计划试点13级-17级的教学过程中实施，具体的实施方法和步骤如下：
1.成立由4~5名同学组成的项目小组，一般按学生的学号尾号为顺序顺延组队，并由小组同学选举一名同学为组长。学生具体人数由教师根据项目的工作量安排。
2.由教师从项目题库中选择课题并安排给各个小组，各组学生根据目标零件的结构、尺寸、形位公差等特性制订项目计划和时间节点，制订项目计划书并进行分工安排。
3.学生依据制订的计划和各自任务分解开展项目设计并定期进行小组讨论，汇总项目进度并分析目前存在的问题，小组协商制定下一阶段任务工作。教师利用少量理论课时间进行答疑解惑。
4.项目设计完成后，依据考核要求撰写项目报告、汇报PPT，完善夹具的三维图、二维工程图并制作动画。由至少2名教师组成答辩专家组，听取学生的汇报、指出不足和修改建议、给出项目教学部分成绩。
（二）项目技术方案
经历6年的实践，针对机械制造工艺学课程特点，题库已经涵盖车、铣、钻等基础加工工艺，每种加工形式包括3~4种典型零件。丰富的题库为“项目教学法”的进一步实施提供了扎实基础。课程项目包括工艺制订、定位方案分析、夹具结构设计和定位误差分析。主要内容如下。
1.××零件的机械加工工艺规程的制订（小组协作）
确定毛坯种类、选择定位基准和表面加工方法、确定加工顺序及工序集中程度、确定工艺装备、计算确定加工余量和工序尺寸及公差、计算确定切削用量及工时定额。
要求：必须保证指定××零件的加工质量和生产率要求，方案合理可行。
提交：确定最优方案后，填写工艺过程卡和工序卡各一份。
2.加工××零件的×工序专用夹具的设计（一生一题，无重复）
确定该工序夹具的定位、对刀导引和夹紧方案，绘制结构草图并进行定位误差、夹紧力、力源装置等的计算，详细确定各主要结构尺寸。绘制夹具结构的正式装配图（工件处于夹紧状态、标注有关尺寸及公差配合、填写零件明细表和技术条件）。
要求：采用合适的定位元件组合、满足六点定位原则、夹紧力满足加工要求、采用液压缸、气缸等自动夹紧装置，设计图纸须符合国家标准和机械制图规范。
提交：绘制完整的夹具装配图一张（2D、比例1∶1、图幅A0/A1）。
3.专用夹具的虚拟装配（一生一题，无重复）
根据夹具结构的正式图，绘制零件3D图、完成夹具3D模型的虚拟装配并实现装配过程的动态展示。提交：绘制夹具3D模型一份。
4.撰写设计说明书和制作PPT
设计说明书是对以上内容的分析、计算和设计的全面总结，内容应语句通顺、图表清晰，符合国家及专业部门制定的有关标准，符合汉语语法规范；相关计算要有公式和过程，查表获得的数据要有出处。PPT用于最后的答辩。
（三）实施结果
统计了长达6年的“项目教学法”实施过程中学生成绩情况，以得分率为参数对学生的知识掌握程度进行分析，得分率为学生取得成绩与满分成绩的比值。以500余名学生为样本的成绩统计见表1，表中数据为历年学生得分率的平均值。根据表中分析可得出以下结论。

学生年级	项目课程得分率/%	期末考试得分率/%
12级	78	69
13级	80	74
14级	88	61
15级	80	67
16级	81	57
17级	81	69

表1 项目成绩与期末考试成绩得分率占比
 1.期末考试成绩得分率在57%~74%之间浮动，这说明了当以期末考试作为主要考核手段时，学生对知识的掌握仅处于及格水平，也证明了期末考试驱动的学习效果不佳。
2.项目成绩得分率在78%~88%范围浮动，普遍达到了良好水平，这说明采用项目驱动方法进行教学学生对知识的掌握能力显著提升；尤其是14级学生的成绩样本显示，项目成绩得分率比期末考试成绩得分率高出27个百分点。
3.历年项目成绩得分率均值浮动较小，除了14级88%的样本之外，其余5年的均值都在3%以内浮动。一方面，这说明项目教学法采用的题库、实施流程、评价方法更为合理；另一方面，说明了采用项目教学法对学生培养效果较好。而期末考试成绩得分率均值浮动较大、6年样本之间分散性明显，在17%范围浮动。这也充分证明了采用期末考试作为考核标准的劣势，教师所设置试题知识点很难全面覆盖庞大的知识体系，因而期末考试成绩无法全面表征学生对知识的掌握程度且偏差较大。
三、结论
（一）构建了具有机械制造工艺学课程特色的项目教学实施方法
机械制造工艺学课程是以多门专业课为基础，教授解决“零件制造工艺、夹具设计及加工质量”实践问题的综合性课程，通过“项目教学法”的实施，能够串联理论与应用并起到事半功倍的效果。相比机械专业类的其他课程，课程特色决定采用“项目教学法”更有利于新时代的人才培养。不但如此，在实施过程中还能够提升学生在教学过程中的主人翁意识、团队意识和创新意识。
（二）构建了过程和综合能力评价的多元化考核评价体系
不仅课程项目具有独立的研究设计内容、考核节点、考核评分标准、设计报告和演示汇报等。而且将学生平时作业、实验成绩、随堂测验、讨论课、项目成绩和期末考试成绩等多个环节纳入课程的考核指标体系中，综合考核学生的知识、能力、素质，对学生的课程学习实行全过程管理。使学生能够全程主动参与到教学活动中，并且能够全面考核学生的学习态度、掌握知识和运用知识的能力、动手和实践能力，有力地促进了学风和考风建设。
（三）构建了五层次、分阶段、循序渐进的大实践教学体系
基于项目教学法，将理论教学、实验教学、项目实施、实习实训、创新创业逐层递进，形成全方位、立体化的五层次、分阶段、循序渐进的课内课外融合互补的大实践教学体系。搭建技能大赛和科技竞赛平台，构建大学生创新能力培养新模式，使技能大赛和科技竞赛成为高素质应用型人才培养的有效途径。