面向工程能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

栗茂林 武通海 張彥鵬 李黨超 邵敏

摘? 要：面對新工科工程能力培養(yǎng)的需求，結(jié)合工程訓(xùn)練和學(xué)生能力培養(yǎng)的短板問題，以“設(shè)計(jì)-制造-測量-優(yōu)化”的完整產(chǎn)品開發(fā)鏈為導(dǎo)向，將3D建模設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造和三維測量技術(shù)相融合，提出全工程能力閉環(huán)培養(yǎng)訓(xùn)練的思路，構(gòu)建包含設(shè)計(jì)模塊、制造模塊、測量模塊以及反饋優(yōu)化模塊的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)?；谠撈脚_(tái)開展模塊化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生三維設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、質(zhì)量評價(jià)和改進(jìn)優(yōu)化的系統(tǒng)思維，從而做到支撐系統(tǒng)級新工科人才培養(yǎng)的工程訓(xùn)練教學(xué)，最終實(shí)現(xiàn)將實(shí)踐條件平臺(tái)化、課程內(nèi)容模塊化和教學(xué)方式個(gè)性化的目的。

關(guān)鍵詞：工程能力培養(yǎng);工程訓(xùn)練;創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）19-0029-04

Abstract： In order to meet the requirements of engineering capability training of new engineering， a closed-loop training method for the whole engineering capability was proposed by integrating 3D modeling design， advanced manufacturing and 3D measurement technology， guided by the complete product development chain of "design-manufacturing-measure-optimization".Thus， an innovative practice teaching platform including design module， manufacturing module， measurement module and feedback optimization module is constructed. Through the modular teaching of the platform， students' systematic thinking of 3D design， advanced manufacturing， quality evaluation and optimization is cultivated， so as to support the engineering training of talent cultivation. Finally， the goal of platform practice， modular courses and personalized teaching methods is realized.

Keywords： cultivation of engineering ability; engineering training; innovation practice platform

2017年，教育部開始全面推進(jìn)新工科建設(shè)，為高校工程教育改革指明了新方向。新工科要求人才培養(yǎng)站在引領(lǐng)國際工程教育改革發(fā)展的高位，培養(yǎng)具有國際視野的系統(tǒng)級工程技術(shù)人才，其核心是面向產(chǎn)品或工程的全方位素養(yǎng)、多學(xué)科交叉、工程鏈思維的意識(shí)打造與能力提升，要求學(xué)生通過工程化訓(xùn)練，了解產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)、制造、性能以及工程與社會(huì)的關(guān)系等[1-2]。作為高等教育中工程能力教育的重要支撐，如何從工程訓(xùn)練中體現(xiàn)新工科系統(tǒng)級工程人才的培養(yǎng)成為高校工程教育改革的焦點(diǎn)[3-4]。從工程訓(xùn)練的現(xiàn)狀來看，傳統(tǒng)的“榔頭”實(shí)習(xí)飽受詬病，各高校均圍繞新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)制定工程訓(xùn)練新體系，重點(diǎn)從新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)角度進(jìn)行實(shí)訓(xùn)改革，通過傳統(tǒng)到先進(jìn)、局部到全面的形式，增加諸如3D打印[5]、高精加工[6]、創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)踐[7]等實(shí)踐教學(xué)體系。打造與人才培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的開放性、創(chuàng)新型、現(xiàn)代化的工程訓(xùn)練培養(yǎng)基地，建設(shè)一流的實(shí)踐教學(xué)支撐平臺(tái)是現(xiàn)在工程訓(xùn)練改革的當(dāng)務(wù)之急[8-9]。

一、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

根據(jù)雙一流建設(shè)的需求，以構(gòu)建工程能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)為目標(biāo)，著力從更新實(shí)踐內(nèi)容、改革實(shí)踐方法和升級實(shí)踐設(shè)施等三方面入手，構(gòu)建從基礎(chǔ)認(rèn)知、基本技能、綜合設(shè)計(jì)到創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的層級式實(shí)踐環(huán)節(jié)，打造集實(shí)踐訓(xùn)練和創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)于一體的面向新工科的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，讓交大學(xué)子能夠享受到優(yōu)質(zhì)教育資源，在早實(shí)踐、多實(shí)踐、反復(fù)實(shí)踐的體驗(yàn)式環(huán)境下，成長為明天的建設(shè)者和接班人。

打造面向工程能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，需要構(gòu)建設(shè)計(jì)模塊、智能生產(chǎn)模塊、特種制造模塊和測量檢測模塊，構(gòu)造完整的產(chǎn)品開發(fā)鏈涉及的一系列模塊。其中，設(shè)計(jì)與制造都是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，工程意識(shí)的培養(yǎng)不僅在制造端，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)端的培養(yǎng)。縱觀近年來的工程訓(xùn)練改革，工程設(shè)計(jì)能力的缺位使開發(fā)能力不完善，進(jìn)一步導(dǎo)致工程能力系統(tǒng)不完整，尤其是高端產(chǎn)品領(lǐng)域的設(shè)計(jì)能力短板（高端裝備、芯片設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等），因此，高端工程設(shè)計(jì)人才必然是國家重大工程和未來產(chǎn)業(yè)的急需，也符合C9高校人才培養(yǎng)的定位與內(nèi)涵。工程設(shè)計(jì)人才的能力培養(yǎng)不但要解決設(shè)計(jì)理論的運(yùn)用水平，更要強(qiáng)調(diào)對制造技術(shù)，尤其是先進(jìn)制造技術(shù)的工程認(rèn)知水平，因此，設(shè)計(jì)、制造、優(yōu)化是工程設(shè)計(jì)能力的必要構(gòu)成環(huán)節(jié)。

西安交通大學(xué)實(shí)踐教學(xué)中心作為學(xué)校主要的工程實(shí)踐教育平臺(tái)，通過改革和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課程體系，形成了系統(tǒng)化的機(jī)械制造實(shí)習(xí)創(chuàng)新模式，從傳統(tǒng)加工制造技術(shù)逐步拓展為數(shù)控加工、3D打印等現(xiàn)代加工制造技術(shù)，提升學(xué)生對現(xiàn)代加工技術(shù)的理解，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)成學(xué)生工程知識(shí)鏈的閉環(huán)。通過項(xiàng)目建立起“工程教育”與“實(shí)際工程”之間的緊密聯(lián)系，面向“設(shè)計(jì)-制造-測量-優(yōu)化”的完整產(chǎn)品開發(fā)鏈，提出全工程閉環(huán)訓(xùn)練的思路，以系統(tǒng)級工程意識(shí)訓(xùn)練為目標(biāo)，依托典型零件產(chǎn)品的“設(shè)計(jì)-制造-測量-優(yōu)化”全過程，將3D建模設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、三維測量技術(shù)融合，打造一個(gè)閉環(huán)的工程訓(xùn)練鏈條。通過構(gòu)建包含設(shè)計(jì)模塊、3D打印及數(shù)銑、加工中心制造模塊以及三維表面測量模塊的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生三維設(shè)計(jì)，先進(jìn)制造、質(zhì)量評價(jià)、改進(jìn)優(yōu)化的系統(tǒng)思路，從而真正做到支撐系統(tǒng)級新工科人才培養(yǎng)的工程訓(xùn)練教學(xué)。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998

創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建框架如圖1所示。以新工科建設(shè)為契機(jī)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、優(yōu)化等全過程的需求出發(fā)，革新培養(yǎng)理念、創(chuàng)新培養(yǎng)模式、加強(qiáng)專業(yè)認(rèn)證，系統(tǒng)地培養(yǎng)提升學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的能力，以期培養(yǎng)的工程科技人才能夠支持新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新技術(shù)的發(fā)展，將為傳統(tǒng)的“榔頭”實(shí)習(xí)破局，為新工科系統(tǒng)級人才的工程設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)提供新的思路和探索。

二、課程模塊設(shè)計(jì)

（一）閉環(huán)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)搭建

面對新工科系統(tǒng)級工程能力人才培養(yǎng)的需求，針對研究型大學(xué)工程訓(xùn)練和學(xué)生能力培養(yǎng)的短板問題，以“設(shè)計(jì)-制造（增材/減材）-測量-優(yōu)化”的完整產(chǎn)品開發(fā)鏈為導(dǎo)向，將3D建模設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造和三維測量技術(shù)融合，構(gòu)建了如圖2所示的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，包含設(shè)計(jì)、3D打印、數(shù)銑制造及三維表面測量，形成了“設(shè)計(jì)-制造-測量”的閉環(huán)實(shí)訓(xùn)體系。

圖1 面向工程能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

圖2 搭建完成的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

（二）課程模塊設(shè)計(jì)

通過計(jì)算機(jī)硬件與配套建模軟件的配置，形成單個(gè)具有曲面形狀（小尺寸）的零件設(shè)計(jì)能力。購置SolidWorks三維造型軟件、MasterCAM和CAXA等軟件，配合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，搭建三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。可開設(shè)SolidWorks基礎(chǔ)使用培訓(xùn)、SolidWorks進(jìn)階使用培訓(xùn)、CAXA軟件使用培訓(xùn)、MasterCAM后處理使用培訓(xùn)以及三維造型設(shè)計(jì)等課程。

建設(shè)以3D打印系統(tǒng)和數(shù)控銑床為主的加工平臺(tái)，形成與設(shè)計(jì)零件尺度匹配的現(xiàn)代加工能力，通過多種加工方式的對比分析，尤其強(qiáng)調(diào)學(xué)生對不同加工方式對產(chǎn)品的工程性和社會(huì)與經(jīng)濟(jì)性的理解?？砷_設(shè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與3D打印制作、基于3D打印與逆向工程技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐、陶瓷產(chǎn)品3D打印、加工中心安全培訓(xùn)以及基于數(shù)控加工中心的創(chuàng)新性綜合實(shí)訓(xùn)等課程。

建設(shè)以三維掃描儀為核心的小尺寸加工零件測量系統(tǒng)，形成對已加工曲面零件的三維測量能力。可開設(shè)現(xiàn)代測量技術(shù)及三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)踐等課程。

設(shè)計(jì)、加工和測量各個(gè)模塊可以開展獨(dú)立教學(xué)，學(xué)生開展實(shí)踐活動(dòng)的場景圖如圖3所示。

各個(gè)模塊也可以系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)踐教學(xué)體系，以具有曲面形狀的目標(biāo)零件作為對象，開展包含設(shè)計(jì)-制造-測量-優(yōu)化等系列環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)過程，并通過過程性評價(jià)及最終產(chǎn)品評價(jià)，形成過程性教學(xué)效果考核方式。

三、個(gè)性化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前，機(jī)械制造金工實(shí)習(xí)主要以多個(gè)工種的操作技能訓(xùn)練為主，所學(xué)知識(shí)與技能存在相對孤立，沒有聯(lián)系的缺點(diǎn)，而且學(xué)生在實(shí)習(xí)中被動(dòng)學(xué)習(xí)?！懊嫦蚬こ淘O(shè)計(jì)能力閉環(huán)培養(yǎng)的實(shí)踐”教學(xué)模式，既要注重技能學(xué)習(xí)，更要注重“設(shè)計(jì)-制造-測量-優(yōu)化”工程全鏈的工程意識(shí)的建立。通過產(chǎn)品開發(fā)工程鏈閉環(huán)培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用能力，培養(yǎng)具有系統(tǒng)級工程能力的新工科人才。

針對目前金工實(shí)習(xí)單一簡單工程技能訓(xùn)練的問題，增加3D打印、數(shù)控加工等先進(jìn)制造手段，培養(yǎng)學(xué)生對先進(jìn)制造技術(shù)的理解和實(shí)際的工程應(yīng)用能力，通過對不同加工方法的對比分析，加深理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工方法之間的關(guān)聯(lián)。增加測量和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，引入先進(jìn)測量設(shè)備及相應(yīng)的測量反求軟件，從測量中反饋回去優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓學(xué)生了解加工工藝的區(qū)別，以及從設(shè)計(jì)階段如何考慮制造的影響，進(jìn)而建立質(zhì)量概念。培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力的同時(shí)，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為學(xué)生后續(xù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。

如圖4所示，以具有曲面特征的葉片為對象設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，貫通三維設(shè)計(jì)、數(shù)銑加工、3D打印和三維測量的全過程，讓各個(gè)模塊不再孤立存在，而是圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)全鏈的一個(gè)整體。

在實(shí)踐過程中，可以讓學(xué)生根據(jù)參加科技競賽、CDIO或者課程設(shè)計(jì)的情況，調(diào)整生產(chǎn)對象，并完成設(shè)計(jì)、加工、測量到反饋優(yōu)化的全流程。

四、結(jié)束語

金工實(shí)習(xí)課程作為對學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)工程教育的必修課，長期以來的教學(xué)內(nèi)容都是以加工技能和設(shè)備操作訓(xùn)練為主。面向工程能力培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建，以全工程閉環(huán)訓(xùn)練思路，培養(yǎng)學(xué)生面向產(chǎn)品開發(fā)過程的工程全鏈意識(shí)及系統(tǒng)分析能力。

在實(shí)踐應(yīng)用過程中，采用教師指導(dǎo)、學(xué)生分組進(jìn)行，完成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、3D打印加工、加工中心加工、三維表面檢測、成果展示等實(shí)踐環(huán)節(jié)，體驗(yàn)了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到加工再到測量優(yōu)化的全流程。培養(yǎng)了學(xué)生針對復(fù)雜機(jī)械工程問題，將現(xiàn)代工程工具及信息技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行中的能力。項(xiàng)目在實(shí)施過程中得到學(xué)生的普遍歡迎，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、興趣和主動(dòng)性高漲，教學(xué)效果顯著，不僅在工程設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)理論方面能力明顯提高，也培養(yǎng)了學(xué)生對先進(jìn)制造技術(shù)的理解和實(shí)際的工程應(yīng)用能力;通過對不同加工方法的對比分析，加深理解了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工方法之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為學(xué)生金工實(shí)習(xí)改革探索了一條新途徑。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，搭建了多個(gè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并針對各個(gè)平臺(tái)制定了教學(xué)大綱、教學(xué)課件、制作實(shí)例圖紙、各類教學(xué)表格等教學(xué)資源，同時(shí)也積累了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為今后的教學(xué)改革探索奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)踐過程中，要求學(xué)生理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責(zé)任，不僅培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為后續(xù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡介：栗茂林（1978-），女，漢族，山西晉中人，博士，高級工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用與研究、實(shí)踐教學(xué)。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998