葛正辉， 朱永伟， 宋爱平， 龚俊杰
（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）
科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。当前，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑，培养具有创新实践能力的高素质复合型人才对于推动社会经济发展、提升国家核心竞争力、支撑我国的世界强国地位具有重要意义［1-2］。
大学教育是培养具有高尚人格和较强创新能力人才的主要渠道和重要手段，肩负着为国家选拔和培养高素质创新实践人才的重要使命［3-4］。高校实验室是培养学生创新精神、实践能力和科学思维方式的重要平台，重视实践教学，提升实验教学质量，是培养学生实践能力、创新能力和工程素养的重要途径［5-6］。然而，目前大学生创新实践能力培养与社会需求脱节，实验室在创新实践教育中作用发挥不够。自制实验教学设备是高校在市场上没有或现有设备质量、性能不能满足实验教学需求的情况下，依据本校教学现状和培养目标，自主研制的实验教学装置，具有显著的适用性、时效性和创新性等特点，是培养当代大学生创新能力和实践能力的有效途径［7］。调研发现，以美国为代表的发达国家，非常重视自制实验设备的研制工作，并在实践教学中取得有效成效。在国内，越来越多的高校也相继开始重视实验装置的自主研制工作［8-9］。
我校是江苏省和教育部共建高校，是全国首批博士、硕士学位授予单位。近年来，学校非常重视学生创新能力和实践能力的培养工作，大力支持教师自主研制实验教学设备［10］。本文以机械类专业特种加工、先进制造技术等课程的实验教学为例，自主研制电化学实验教学设备，并在此基础上进一步创新教学方法和教学手段，促进学生创新能力和实践能力的提升，为培养服务地方经济发展的高素质复合人才创造条件。
电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是一种基于阳极工件的电化学溶解作用去除材料的非接触式的先进制造方法，在国防、航空、航天、能源、医疗、生物等领域的高科技装备中具有广泛的应用［11-12］。电解加工是特种加工、先进制造技术等制造类相关课的重要组成部分。然而，电解加工设备价高且维护成本大，一般高校难以具备相应的实践教学资源。老师仅依靠课堂理论教学开展电解加工相关内容的教学活动，学生无法真正理解电解加工原理及其工艺特性，难以达成提升创新能力和实践能力的培养目标。
学校特种加工技术研究团队长期承担特种加工、先进制造技术等课程的教学和研究工作，深耕电解加工及其复合加工技术研究。近10 余年来主持国家自然科学基金、国防预研基金、江苏省自然科学基金等省部级以上科研项目20 余项，获得国防科学技术进步二等奖、中国高校技术发明二等奖等省部级以上科研奖励5 项，在电解加工技术领域积累了丰富的研究经验［13-15］，为自制电解加工实验教学平台的研制提供丰富的理论基础和研究经验。
1.1 自研实验设备的目标和思路
实验教学是培养学生创新思维和实践动手能力的重要环节，自制实验教学设备不仅缓解了学生人数多、实验设备台套数不足的困境，而且可以解决市场上现有教学设备功能不足、教学内容陈旧等实际问题。我校特种加工技术团队在常年教学实践和科研探索的基础上，紧扣大学生实践创新能力提升的培养目标，从实验前的准备、实验过程中的操作和观测、实验结束后的试样检测与数据分析及实验报告撰写等环节全面提升学生创新实践能力。因此，拟自制集知识性、综合性、工程性、研究性为一体的实验教学设备的目标如下：
（1）契合度高、操作性好。围绕大学生创新实践能力培养目标，结合专业培养大纲需求和电解加工实验特点，突破示范性、验证性行的实践教学模式，设计构建契合大学生创新实践能力培养需求的，具有功能性强、操作性能好、实用性能高、经济成本低的电解加工实践教学平台。
（2）实验功能多、集成度高。实验参数对实验结果有着必然的影响，自研设备需增加各个实验参数调节和检测装置，开拓实验功能的多样性，丰富实验环节的集成度。实践教学中，可通过试验设计环节，开展不同实验目的的实验教学环节，改善现有程序化的示范性和验证性的实验教学模式，满足创新实践能力培养中多层次实验教学的需求。
（3）具有良好的实验体验性和实验观赏性。实验过程对实验结果有着重要影响，自研设备需巧妙设计实验关键装置，使得实验过程具有更好的体验性和观赏性。实验过程中，同学们可清楚地观察参数变化对实验产生的影响，帮助学生进一步深入理解课程基本知识及其原理。其次，学生可参与实验设备组装、调试等实践过程，强化学生动手能力和创新思维。
（4）深度融合科研与教学。自研设备在满足验证性和示范性的基础实践教学需求的同时，进一步提升实验平台的功能性和实验过程参数调控的精准性，满足青年教师和研究生的科研实践要求。继而将科研成果反馈给实验教学，进一步丰富实践教学内容，改善现有实践教学内容陈旧的现状，激发同学们开展科研探索的兴趣和热情，实现教学促进科研、科研反哺教学的良性互补。
（5）打造特性鲜明的实践教学体系。依靠自制实践教学设备良好的功能性和实用性，开展实践教学改革，不断丰富实践教学内容、创新实践教学方式，激发学生主动参与、自主设计的实验热情，促使学生从被动吸收到主动探究的转变，建立理论教学、实践教学与科研实践的深度互动模式，形成具有鲜明特色的大学生创新实践能力培养体系。
1.2 自研电解加工实验平台简介
我校特种加工技术团队以培养学生创新能力和实践能力为目标，结合实际教学需求，自主研制多功能电解加工综合实验教学平台，主要由实验介绍与分析装置、电解加工试验夹具装置、电解液调温系统、电解液循环与过滤系统、供电回路与电参数检测系统5 部分组成，如图1 所示。
图1 自主研制电解加工实验教学平台的组成示意
各部分组成及功能如下：
（1）实验介绍与分析装置。由存储显示屏、加工数据采集卡、各种传感器组成。存储显示屏演示电解加工中阳极材料去除过程和实验操作过程规范，同时利用高精传感器采集加工中的电流、电压等加工参数［16］。加工结束后，对加工试样进行检测，并结合加工过程中采集的试验数据，分析不同加工参数对加工结果的影响规律，培养学生在实践过程中的思考能力与创新意识。
（2）电解加工试验夹具装置。由上压板、下底座、阴极工具、阴极夹持块、阳极工件、阳极夹持块等部分组成。使用过程中，阴极工具安装在上压板上，阳极工件安装在下底座上，上压板和下底座通过拉扣压紧，并通过上下引电装置分别将阴极工具与电源负极相连、阳极工件与电源正极相连。实验过程中，可通过更换阴极工具，可完成多种结构形式的阳极型面加工。
（3）电解液调温系统。由加热器、循环泵和温度检测器组成，其中加热器负责给电解液加热，循环泵促使电解液流动，确保整个槽内电解液加热均匀，温度检测器监控电解液温度，当槽内电解液温度达到预定数值时，即关闭加热器和循环泵。
（4）电解液循环与过滤系统。由离心泵、调压阀、溢流阀、压力表、过滤板框、清液槽和浊液槽等部分组成，其中多级离心泵将清液槽中电解液泵入加工区域，调压阀用来调节电解液压力使之满足电解加工需求，溢流阀将过多的电解液流回送到清液槽，流经加工区域后的电解液流入浊液槽。离心泵将浊液槽中电解液泵入过滤板框，过滤板框滤出电解加工产物，并将过滤后的电解液输送到清液槽，实现电解液循环使用。
（5）供电回路与电参数检测系统。由大功率电源、加工参数采集装置等部分组成，其中大功率电源向加工装置中的阳极工件和阴极工具提供较小的电势差和较大的电流，达到电化学加工的需要。加工参数采集装置对加工过程的电压信号和电流信号进行监控和采集，并将采集到的数据输送给计算机。
自主研制多功能电解加工综合实验教学平台实物如图2 所示，通过巧妙构思和设计，在简单的工装夹具和实验系统上，即可完成复杂电解加工技术的实践和演示过程。同时，该平台深度融合信息技术和传统实验教学需求，通过高精传感器技术实现加工参数的在线检测和监控，可直观地表达不同加工参数对加工结果的影响规律，有利于激发同学们的学习热情和思考意识，达到培养学生敢于实践、智于创新的能力和教学目的。
图2 自主研制多功能电解加工综合实验教学平台
以提升学生创新能力和实践能力为培养目标，满足经济社会高速发展对高素质创新型人才的迫切需求，依靠自主研制多功能电解加工综合实验教学平台，针对电解加工技术特点及实践教学培养目标，开展实践教学改革，构建如图3 所示的六维度创新实践教学模式。
图3 培养目标与创新实践教学模式
（1）坚持以学生为中心的教学理念。为了更好地达到提升学生创新能力和实践能力的教学目的，实验过程中始终坚持以学生为中心的教学理念，帮助和引导学生成为实验的主人，激发学生的学习热情和动力。实验过程不再是简单的操作和演示，要让学生参与其中，就要引导学生做好足够的前期基础知识检索和整理，让学生带着问题来开展实验，并在实验中解决问题。同时，丰富实验内容、开展研究型实验教学，将实验过程的参数检测与调控和实验结果结合起来，克服传统实践教学中教师示范教学演示、学生机械化模仿的缺陷，通过多重实验手段和现代化的信息科学技术，激励同学们利用所学的基础科学文化知识，探索先进的制造技术之谜。
（2）改进考核方法。此外，改变传统主要以实验报告内容评定学生实验成绩的单一考核方法，构建多维度考评体系，关注学生实践学习过程中的主动性、科学思考能力和解决问题能力，通过考查学生实验操作技能、实验设计表现、加工过程调控、加工结果分析及实验报告5 部分的内容综合评定学生成绩，让学生在实践课程中获得实践能力和科学探索能力的综合提升。
（3）建立三层次创新实践教学体系。在充分尊重教学规律的前提下，建立三层次创新实践教学体系，如图4 所示。整个实验过程被分为3 个阶段完成，第1阶段主要是锻炼学生的基础实践能力，该阶段实验内容简单、实验目的单一，主要是通过教师示范操作和验证性实验，让学生了解实验系统基本组成及电化学加工基本原理，夯实课堂理论知识。第2 阶段主要是帮助学生养成科学的创新思维能力，该阶段实验内容丰富、实验目的较为复杂，需要学生自主参与实验方案设计，通过开展研究型实验，探讨多因素对加工过程和加工结果的影响规律，帮助学生构建立体化的知识体系，培养学生科学的创新思维方式。第3 阶段主要是培养学生的创新实践能力，该阶段要求学生初步具备解决复杂工程问题的能力，要求学生能够根据实验过程中遇到的实际问题，提出有效的解决方案，并能设计合理的实验过程、选择优化的加工参数，获得理想的加工效果，完成学生创新能力和实践能力的培养。
图4 三层次创新实践教学体系
（4）构建大学生创新实践能力提升的实践教学体系。基于自制的实践教学设备，构建如图5 所示的大学生创新实践能力提升的实践教学体系，包括实验准备、一阶实验、二阶实验、三阶实验及实验报告提交等环节。实验准备阶段主要让学生明确实验目的和实验意义，熟悉课本基础理论和开展必要的文献调研，为接下来3 个阶段实验过程中创新思维能力和创新实践能力的提升打下坚实基础。在此过程，为进一步增强趣味性，提升同学们开展实验的兴趣和热情，实验指导教师团队自主拍摄了视频短片帮助同学们复习基础理论，明确实验内容、实验要求和实验目的。一阶实验主要培养学生基础实践能力，实验教师首先向同学们介绍基本的实验操作规范，保障实验过程的安全性，继而进行实验系统介绍，帮助同学们了解实验设备的基本构成。开展示范性教学实验，让同学熟悉实验操作基本流程和规范，进而由学生自主进行验证实验，深化对本实验涉及的基础理论的理解。二阶实验主要培养学生创新思维能力，在了解实验内容和实验目的基础上，要求同学分组商讨实验方案设计，进行不同参数下的实验研究，并依据基础理论和实验结果获得优化的实验参数，最终较好地实现加工试样成形。三阶实验主要培养学生创新实践能力，通过观察实验现象及加工参数信号变化，分析实验过程的平稳性，并预测实验试样的加工效果。实验结束后，对加工试样进行表面粗糙度、加工效率等重要参数检测，并结合实验过程中检测到的加工参数进行分析，探索实验参数的耦合关系对加工效率及表面质量的影响等工程问题。最后，通过分析实验参数和撰写实验报告提升学生对实验结果的处理与分析能力、写作与表达能力。
图5 基于自制实验教学平台的创新实践能力培养体系
本自制设备运行以来已完成机械设计制造及其自动化、智能制造工程等多个专业相关课程的实践教学活动，合计受益的本科生和研究生超过300 人次，取得较好的教学效果。如表1 所示，学生学习积极性和主动性得到显著提高，具体表现在出勤率大幅提高，除了完成基础教学课时任务外，学生能够主动了解实验设备和实验原理，实验准备工作更为周全。其次，实验过程的表现也得到显著改善，改革前个别学生操作，“众人围观”的现象现已得到显著改变，小组成员能够积极参与实验过程，仔细观察实验现象，认真总结加工规律。尤其是在二、三阶段研究性实验过程中，同学们踊跃发言，参与讨论，试图找到解决问题的办法。
表1 自制电解加工综合实验平台使用前后教学情况对比
教学效果得到有效改善，学生创新实践能力获得显著提升，具体表现在学生评教满意度提升，且留言好评增大，从改革前22.6%上升到67.4%。其次，学生自主开展实践探索和科学研究的人数提升，更多学生参与到学科竞赛，获得省部级以上竞赛奖的比例从改革前12.6%上升到改革后38.8%。学生撰写专利人数比例从改革前3.6%上升到改革后的23.4%。升学意愿从改革前48.2%上升到改革后的67.6%。更有许多学生因为参与自制实验教学设备的实践活动和科研探索对先进制造技术产生浓厚兴趣，在继续深造的过程中继续从事先进制造技术方面的相关研究。
高校自主研制的实验教学设备能够紧密贴合学校实践教学现状和实践教学需求，具有显著的适用性、时效性和创新性，是提升当代大学生创新能力和实践能力的有效途径。本研究以特种加工、先进制造技术等课程的电解加工实践教学为例，自主研制多功能电解加工综合实验教学平台，极大地丰富了实践教学内容，并在此基础上进一步创新教学方法和教学手段，提出以学生为主体的三层次实践教学体系，促进了学生创新能力和实践能力的提升，取得了显著的教学效果。为本科实践教学起到了积极的示范作用，具有较好的推广应用价值。
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