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制造技术在本科机械专业教学中的应用

发布时间:2020/10/14 9:16:24   阅读:

[摘要]随着增材制造技术的快速发展,推动了机械专业教学工作的改革,增材制造技术在教学中的应用不仅可以增强学生的学习兴趣,而且提高了教学质量。本文结合应用型本科院校机械专业的人才培养目标,将增材制造技术融入机械专业的教学和研究工作中,分别从增材制造技术为机械专业课程提供教学支持,对学生实践教学改革和创新创业设计能力的培养,对专业课程体系建设的影响和对高校教师教学科研工作的促进等四个方面,阐述了增材制造技术在应用型本科院校机械专业教学中的应用,为下一步该技术对机械专业教学改革探索奠定基础。

[关键词]增材制造技术;机械专业;应用型本科

一、引言

增材制造技术又称为“3D打印”,是通过将三维模型分层后,逐层堆积成形的原理进行加工,可实现任意复杂形状零件的快速精密制造。与减材和成形工艺不同,其零件加工过程中不需要使用任何刀具、夹具或模具,一次成形省去很多辅助工艺过程,且增材制造零件成形过程中没有废料或其他辅助耗材的产生,整个生产过程环境影响小,属于绿色制造工艺。增材制造技术属于先进制造工艺,目前应用广泛,尤其在机械制造和医疗等领域。《中国制造2025》中指出要加快增材制造技术和装备的研发,同时,增材制造已入选中国《战略性新兴产业分类(2018)》。随着增材制造技术的快速发展,也推动了高校专业教学的改革。应用型本科院校以培养应用技术型人才为使命,应结合当前先进制造技术之一,将其融入至教学研究工作中,特别是机械类专业的教学工作。目前高校教学工作者已根据自身教学特色和需求,将增材制造技术逐渐融入至平时的教学工作中,以提高教学质量,促进教学改革工作。在机械类专业基础课机械制图类课程的教学中,通过增材制造技术将二维平面图形转化为三维立体实体模型,使得课堂教学更加生动直观,不仅提高了学生的认知能力,而且解决了传统制图类课程教学讲解复杂乏味的问题。在机械类专业工程实训教学中,增加对增材制造工艺技术的教学和实训,不仅可使学生紧跟先进制造技术的发展,培养出能够紧跟先进制造技术满足社会需求的工程技术者,而且为该类课程建设和改革提供了新思路。在机械创新实验教学过程中应用增材制造技术,快速验证一些机械零件的功能和原理,可提高学生的创新能力和学习积极性,推动实验教学的改革。将增材制造技术引入至机械类专业的人才培养中,对应用型和创新型机械专业的人才培养目标的实现起到促进作用。本文旨在结合宿州学院机械专业的培养目标,阐述增材制造技术在机械专业教学中的应用,并探索增材制造技术对我院机械专业本科教学改革的影响。

二、应用型本科机械专业培养目标与增材制造技术的关联性

宿州学院是一所应用型本科院校,在对机械专业人才培养过程中强调培养学生对机械相关基础理论课程和制造工艺的应用能力,同时在学习和工作中具有敏锐的能够紧跟先进制造技术的实践能力和创新思维方式。具体培养目标如下:(1)具备高尚的职业道德和较高的人文科学素养;(2)在从事专业实践工作中,具有较强的团队协作精神和良好的沟通交流能力;(3)具备创新思维和国际视野,具有选择运用相应技术、资源、现代工程和信息技术工具解决产品设计、制造、控制问题的能力;(4)能完成新产品的开发、测试研究,对复杂工程问题合理有效地提出解决方案,并能考虑社会、安全、法律、环境及可持续发展等相关因素;(5)具备终身学习能力,能够不断适应社会经济和技术发展的需要。增材制造技术属于新兴的先进制造技术,因其自身的诸多优势而广泛应用于各种领域和行业,根据应用型本科机械专业的培养目标,机械类专业人才应具有学习和掌握先进制造技术的能力,而且增材制造技术涉及学科和技术广泛,广义增材制造不仅包含以激光、电子束为热源的分层实体制造,而且涉及焊接、电化学沉积、热喷涂等复合制造工艺,其综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势。因此,在机械专业的日常教学和人才培养过程中,应将增材制造技术融入在人才培养过程中,并重视其在教育教学中的应用。

三、增材制造技术在机械专业教学中的应用

通过在机械类专业教学中应用增材制造技术,既能激发学生的学习兴趣,又能提高学生的创新实践能力,促进相关专业课程的发展和教学改革。同时,相关增材制造技术课程的开设,可以丰富当前机械专业的课程体系,促进专业教学改革,而且相关设备仪器的购买和使用,为专业教师提供教学科研平台,促进本学科的全面发展,为应用型本科院校机械专业的人才培养目标提供支持和保障。

(一)为机械专业课程教学提供支持。增材制造技术涉及机械专业基础课、核心课及实践课程的各个方面,一些专业基础课程的学习如力学课程、电工电子技术、自动化控制理论等相关课程,可为增材制造的发展提供基础技术支撑。利用增材制造快速成型的制造特征,其又可为部分机械专业课程的教学提供支持,如机械制图、液压与气压传动、工程材料及其成型技术等,在此类课程的教学过程中,利用增材制造技术可提高课堂教学的直观性和学生学习的积极性,进而提高教学质量。增材制造技术的掌握可促进专业实践和实训课程的改革和发展。在《机械制图》的教学中,通过增材制造快速加工教学模型和模具,讲二维平面图形转化为三维立体实体模型,将课本上抽象的图纸转化为零件实体,更加方便学生观察和学习。增材制造可加工复杂制造特征,基本不受物体外形的限制,进而弥补教学中出现的“缺乏教学模型”的问题。在《液压与气压传动》课程中,通过采用增材制造技术快速加工液压和气压元件,使得学生在上课过程中通过直接观察各元件的内部结构,进而理解和掌握其工作原理,为后续液压与气压传动回路的分析和讲解打下基础,进而提高该课程的教学质量。在《工程材料及其成型技术》课程的教学中,如常用的锻造和铸造成形加工,都需要讲解其成形过程中所需要的相关模具的制造,此时就可以应用增材制造技术,制造不同锻造和铸造成形所需模具,是学生深入理解和掌握各种模具的结构和设计制造过程,为后续课程设计和工程实践奠定基础。利用增材制造技术可以快速实物化的特点,可以便捷地对现有的较为陈旧的教学模型进行设计改进和快速制造,并对缺乏直观教学模具的课程,开发新型教学模具,以提高机械类课程课堂教学的直观性和生动性,便于学生理解和掌握抽象的理论内容,提高教学质量,促进课程改革。

(二)促进学生创新创业设计。增材制造在对大学生创新创业教育的促进作用中,突出表现为随着增材制造技术的发展,逐渐受到了各种学科竞赛的重视。各类各级机械类创新设计大赛、创新建模大赛、工程训练竞赛等逐渐重视增材制造技术在该类比赛中的应用。如全国三维数字化创新设计大赛和大学生3D打印设计大赛等都是面向增材制造的比赛,突出培养学生对先进制造工艺的实践应用能力。学生们在参加比赛的过程中,利用增材制造的工艺特点,快速实现自己的设计想法,大大地调动了学生们创新设计的积极性。我院为培养学生们的创新创业设计能力,鼓励学生积极参加各类设计大赛,利用增材制造技术快速成型所设计的产品零部件,基本能够满足机械结构所需的强度和刚度,而且在制造过程中,大大缩短了部分机械零件的制造时间。

(三)丰富专业课程体系。增材制造技术不仅在当前机械专业课堂教学中起着重要的作用,而且在机械实践教学中扮演了十分重要的角色。增材制造逐层堆积的加工方式,使其与传统的车削、铣削、数控加工等减材制造工艺,或者成型工艺如冲压成型、铸造成型技术等的加工方式和思路完全不同,因而其产品设计和功能结构也会有所差异。根据我院机械专业人才培养目标中要求培养学生具备创新思维,选择运用相应技术、资源、现代工程和信息技术工具解决产品设计、制造、控制问题的能力,这就要求应用型本科院校机械专业在教学过程中应该培养学生掌握增材制造相关方法和技术。根据已有的机械专业人才培养方案,已开设如《工程制图》《机械设计》《机械CAD/CAM》和《机械制造基础》等与增材制造技术相关的基础课程,,但未见与增材制造技术直接相关的《快速成型技术》等课程的开设,为满足当前人才培养目标,应增设增材制造技术相关课程,新课程的增加进一步丰富了专业课程体系。

(四)促进教师开展教学科研工作。增材技术的快速发展,无论在教学和科研工作的开展过程中都为广大高校教师提供了机遇和挑战。在教学研究工作方面,原有专业课程的改革探索和增材制造相关课程的开设,为高校教研工作的开展提供了新的思路和方向。高校教师可结合增材制造技术,将其融入至不同专业课程的理论与实践教学过程中,探索提高教学质量的新方法。而在科研工作中,高校教师和科研工作者可以紧跟增材制造技术的发展,把握其发展动态,结合互联网、大数据、智能制造等先进技术,进一步拓展该技术的应用领域。宿州学院机械与电子工程学院正在建设的“宿州学院3D打印应用创新中心”,该中心已拥有多台熔融沉积、光固化和激光选择性烧结增材制造设备,为本专业和全校师生提供了科研平台。与增材制造技术相关的研究成果,又可应用于专业课程的教学中,使得教师教学与科研工作相辅相成。

四、总结

任何时期的教育都应结合时代的发展和需求,而机械专业的教育教学工作更应该紧跟当前先进制造技术的发展和社会人才需求。在应用型本科机械专业的教学工作中融入增材制造技术,符合我院机械专业的人才培养目标。不仅为机械专业其他课程教学工作的开展提供了支持,提高了专业课程的教学质量,而且促进了实践教学和学生创新创业能力的发展。增材制造技术相关课程的开设,丰富了机械专业的课程体系,同时为广大高校教师的教学科研工作提供了平台支撑和技术支持,为应用型本科机械专业人才培养目标的实现提供了保障。

作者:马志林 高梦迪 王庆阳 刘燕 李明 单位:宿州学院机械与电子工程学院

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