基于復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)的焊接實踐教學(xué)

楊宗輝　王紅星　甄?！堁住±顣匀?/p>

摘要：復(fù)雜工程問題的解決能力是焊接專業(yè)本科畢業(yè)生應(yīng)具備的核心能力。以《焊接機電一體化課程設(shè)計》為例，闡述如何通過焊接實踐教學(xué)達到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。分析了《焊接機電一體化課程設(shè)計》非常適合于復(fù)雜工程問題解決能力培養(yǎng)的原因，重點從《焊接機電一體化課程設(shè)計》的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、課程組織實施以及課程達成評價等幾方面進行闡述，并介紹課程實施效果，以期為我國高校焊接專業(yè)在復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)方面提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問題;工程認(rèn)證;焊接機電一體化;課程設(shè)計

中圖分類號：TG4;G642.4 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）02-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.22

0 前言

2016年6月2日，中國成為“華盛頓協(xié)議”的第18個正式成員，這對我國工程教育工作提出了更高的要求，尤其是在解決復(fù)雜工程問題的核心要求上，更要按照與國際標(biāo)準(zhǔn)實質(zhì)等效的原則來培養(yǎng)學(xué)生[1-2]。

對于復(fù)雜工程問題的涵義，華盛頓協(xié)議明確了作為復(fù)雜工程問題必須具備下述特征中的（1），且同時具備特征（2）～（7）的部分或全部：（1）必須運用深入的工程原理經(jīng)過分析才能解決;（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互沖突;（3）需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法即可解決;（5）問題中涉及的因素可能未完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（6）問題相關(guān)的各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題[3]。

復(fù)雜工程問題的解決只有在一個相對真實完整的工程場景中實踐，才能將多方面因素相互作用而產(chǎn)生的矛盾沖突真實地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。實踐教學(xué)相對理論教學(xué)更能直接培養(yǎng)學(xué)生對于復(fù)雜工程問題的解決能力。研究表明，實踐教學(xué)對提高學(xué)生的專業(yè)知識與基礎(chǔ)理論的應(yīng)用能力、動手能力、創(chuàng)新能力和團隊合作能力是非常有成效[4-6]，而這些能力正是解決復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵因素。要想通過一門實踐課程較為完整地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，首先需要選擇合適的實踐課程，其次要對選定的實踐課程按照復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)要求進行針對性的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，并制定科學(xué)的課程組織實施方案和合理的課程達成評價方法。本文以《焊接機電一體化課程設(shè)計》為例，探討如何通過一門實踐教學(xué)課程來培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 課程性質(zhì)

《焊接機電一體化課程設(shè)計》是焊接技術(shù)與工程專業(yè)重要的專業(yè)實踐課程，它綜合了機械制圖、機械設(shè)計、傳感器與檢測技術(shù)、電動機控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、焊接方法與工藝、弧焊電源等多門課程的基本理論與知識，是一門綜合性較強的實踐課程。該課程有利于培養(yǎng)學(xué)生對抽象學(xué)科理論知識的理解和掌握以及對多學(xué)科知識的綜合運用與整合;還有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和跨界整合能力?！逗附訖C電一體化課程設(shè)計》選題針對來自生產(chǎn)實際中焊件的自動化專機設(shè)計，方便與企業(yè)實際項目完全一致。完成《焊接機電一體化課程設(shè)計》中一臺自動化專機的設(shè)計至少需要3個同學(xué)的通力協(xié)作才能在2周內(nèi)完成，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通能力及團隊協(xié)作能力。基于上述特征，再通過精心設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容，即可為較完整地培養(yǎng)焊接技術(shù)與工程專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問題的能力打下堅實的基礎(chǔ)。

2 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

以培養(yǎng)焊接專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問題的能力為核心目標(biāo)，對《焊接機電一體化課程設(shè)計》的課程教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計?！逗附訖C電一體化課程設(shè)計》課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計圖如圖1所示?；舅悸肥菍槠?周的《焊接機電一體化課程設(shè)計》的設(shè)計內(nèi)容項目化，要求學(xué)生2周內(nèi)完成一個完整的焊接自動化專機設(shè)計項目。通過特別設(shè)計，項目各階段的設(shè)計內(nèi)容與復(fù)雜工程問題特征點相對應(yīng)，使項目成為一個典型的復(fù)雜工程問題，學(xué)生在親自完成項目的過程中，能力得以培養(yǎng)。圖1中還清晰表明了課程設(shè)計內(nèi)容與工程認(rèn)證中12個畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系。

由圖1可知，《焊接機電一體化課程設(shè)計》課程設(shè)計內(nèi)容（項目）分為三個階段：選題、方案設(shè)計及技術(shù)設(shè)計。

在選題階段，確定焊件上某具體焊縫是否合適采用專機自動焊及采用何種自動焊接方法時，需要學(xué)生考慮多方面因素，包括技術(shù)可行性方面因素和經(jīng)濟性方面因素。而焊接工藝則需要學(xué)生運用深入的焊接基本理論，經(jīng)過多方面分析才能合理制定。該設(shè)計階段具備復(fù)雜工程問題的特征（1）和（2）。

在方案設(shè)計階段，專機整體方案設(shè)計要考慮專機整體結(jié)構(gòu)、焊接自動化程度、是否需要采用焊接機器人等多方面因素，反映了復(fù)雜工程問題的特征（2）。執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計時，需要深入運用機械原理并經(jīng)過分析才能解決，分析執(zhí)行機構(gòu)運動時，則需要創(chuàng)造性地運用高等數(shù)學(xué)建立合適的抽象模型才能解決，焊縫越復(fù)雜，模型也越復(fù)雜，越不能靠常用方法解決，這很好地反映了復(fù)雜工程問題的特征（1）、（3）和（4）。

在技術(shù)設(shè)計階段，無論是焊接工裝夾具設(shè)計、電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，還是專機運行程序設(shè)計，均要深入運用機械、控制基本理論并經(jīng)過分析才能解決問題，并且專機各系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，具有很高的綜合性，體現(xiàn)了復(fù)雜工程問題的特征（1）和（7）。焊接夾具要求實現(xiàn)焊件快速便捷定位與夾緊的同時，還要具備控制焊件焊接變形的能力，且為了適應(yīng)不同的焊件形狀及自動化焊接方案，大部分焊接夾具只能是非標(biāo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計時所遇到的問題很多未完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，需要進行創(chuàng)造性設(shè)計，體現(xiàn)了復(fù)雜工程問題的特征（4）和（5）。

綜上，經(jīng)過特別設(shè)計的《焊接機電一體化課程設(shè)計》的課程內(nèi)容具備了復(fù)雜工程問題所對應(yīng)7個特征中的6個，且以項目形式呈現(xiàn)，學(xué)生完成《焊接機電一體化課程設(shè)計》的過程即是自己動手解決復(fù)雜工程問題的過程。當(dāng)然，為了切實提升學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力，還需要科學(xué)的課程組織實施方案及合理的課程達成評價方法。

3 課程組織實施

3.1 選題

課程設(shè)計中采用學(xué)生自主選題的模式。班級學(xué)生首先分組，每3～4個學(xué)生一組。每組學(xué)生自主上網(wǎng)查找文獻資料和視頻資料，然后分析匯總資料，集體討論，并結(jié)合資料和設(shè)計任務(wù)進行綜合考量，最終確定選題。自主選題培養(yǎng)了學(xué)生文獻檢索能力、分析綜合能力，讓學(xué)生們了解很多工程實際中焊接機電一體化技術(shù)的應(yīng)用情況和應(yīng)用實例。

自主選題包含兩方面的工作：一是選定被焊工件及被焊工件上具體的擬自動焊焊縫;二是制定選定焊縫的焊接工藝。不同的焊接工藝所對應(yīng)的焊接專機可能存在很大不同，鼓勵學(xué)生敢于突破傳統(tǒng)焊接方法與工藝，積極采用合理的新型焊接方法與工藝。

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

指導(dǎo)老師首先集中講授焊接自動化專機的設(shè)計方法與流程，每組學(xué)生再查找相關(guān)文獻并團隊協(xié)作確定初步方案，最后每組學(xué)生和指導(dǎo)老師討論確定最終專機系統(tǒng)方案。專機方案要求學(xué)生以實現(xiàn)項目的功能要求為目標(biāo)，以機械總體設(shè)計為出發(fā)點，特別考慮焊件的準(zhǔn)確快速定位與夾緊，采用系統(tǒng)分析的方法，擬定專機的自動焊接流程及機械系統(tǒng)傳動方案，完成各執(zhí)行機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。要求每組學(xué)生提出2～3種焊件裝夾方案，從功能、技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面進行綜合分析和比較，決策出最優(yōu)方案，繪制出專機整體結(jié)構(gòu)圖，并對主執(zhí)行機構(gòu)進行尺度綜合和運動分析。

3.3 技術(shù)設(shè)計

系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計階段采用了個人與團隊相結(jié)合的模式，學(xué)生們根據(jù)所選課題的設(shè)計任務(wù)和各自關(guān)注點與長處進行合理分工，分別負(fù)責(zé)機械系統(tǒng)設(shè)計、電動機及調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、傳感器設(shè)計、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計等，技術(shù)設(shè)計期間同學(xué)間要不斷進行討論，避免專機各子系統(tǒng)之間相互沖突。要求設(shè)計焊件夾具的結(jié)構(gòu)，進行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算，并考慮零件的結(jié)構(gòu)工藝性和安裝的合理性及安全性，確定電動機功率、型號、調(diào)速系統(tǒng)，確定電焊機的型號、給出主要性能指標(biāo)，確定傳感器具體型號、尺寸、數(shù)量、安裝位置等，確定PLC 的選型、PLC 硬件接線圖、I/O 表、PLC 程序以及控制說明等。

4 課程達成評價

考核方式由平時考核、課程設(shè)計答辯考核和設(shè)計說明書質(zhì)量評價三部分組成。

每個學(xué)生的成績由個人得分與團隊表現(xiàn)綜合評定，計算方法為：個人課程設(shè)計評分=（個人得分/2）× 團隊完成情況系數(shù)。個人得分由平時成績（20%）、答辯成績（40%）和設(shè)計說明書（40%）三部分組成。平時成績包括考勤成績（40%）和設(shè)計主動性成績（60%）兩部分;答辯成績包含講述成績（50%）和回答問題成績（50%），設(shè)計說明書成績依據(jù)設(shè)計說明書的完成質(zhì)量評定。

團隊完成情況系數(shù)由各組學(xué)生的個人得分平均情況及適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)常數(shù)確定。

5 課程實施情況

南京工程學(xué)院焊接技術(shù)與工程專業(yè)已有兩屆學(xué)生完成了《焊接機電一體化課程設(shè)計》，學(xué)生反響很好，課程設(shè)計質(zhì)量良好，以小組為單位上交的設(shè)計說明書達到35～50頁，答辯時大部分學(xué)生均能流利清晰地講述設(shè)計過程與設(shè)計要點。為期2周的《焊接機電一體化課程設(shè)計》達到了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)目的。

同時，通過《焊接機電一體化課程設(shè)計》的完整設(shè)計過程，學(xué)生進一步加深了對《焊接機電一體化》《焊接方法與設(shè)備》《焊接工藝評定》《機械制圖》《機械設(shè)計》等重要專業(yè)課程的理解與掌握，也學(xué)會或進一步熟練了UG、Visio、AUTOCAD、PPT等軟件的使用。更為重要的是，學(xué)生在自主設(shè)計過程中，結(jié)合工程實際培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和創(chuàng)新方法。特別是對于焊件夾具的設(shè)計，學(xué)生中涌現(xiàn)出很多創(chuàng)新想法，有些創(chuàng)新的焊件夾具設(shè)計幾乎達到可以申請實用新型專利的水平。

致謝：《焊接機電一體化課程設(shè)計》實施過程中參考了天津大學(xué)材料學(xué)院《材料加工自動化》課程設(shè)計的相關(guān)教學(xué)資料，并得到天津大學(xué)胡繩蓀教授的指導(dǎo)，在此特別致以誠摯的謝意！

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