新工科背景下综合性实践训练环节改革与探索

来源:用户上传      作者:初红艳　刘志峰　程强　张彩霞

　　摘要：新工科背景下，适应制造业新形势的传统机械工程专业的改革与创新，一个重要方面就是课程体系重构与课程建设，其中制造与信息技术相融合的实践环节在培养学生综合实践能力方面具有重要作用。论文以面向本校全体机械工程专业本科生的一门综合性实践训练课程——机械制造训练为例，从融合多门课程知识的训练内容，“线上与线下”相结合、“虚拟与实际”相结合、全流程管理的训练方式，以及两个层次的训练结果考核和基于量规的训练效果评价等方面，探讨面向新工科的实践环节建设改革与创新。
　　关键词：新工科;课程建设;综合训练;虚拟仿真
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0220-04
　　 新工科建设，一方面要设置和发展一批新兴工科专业，另一方面要推动现有工科专业的改革创新，探索符合工程教育规律和时代特色的新培养模式[1]。近年来，围绕新工科建设，国内各高校、企业都在开展深入的研究与探索。汕头大学建立了由课程教育体系、去“非工程化”实践教育体系、支撑体系、评价体系、统筹发展体系等构成的融合创新体系模型[2];重庆大学在面向新工科人才培养方面进行了实践与初步探索，以跨专业联合毕业设计为抓手，推进本科生跨界培养[3];河北农业大学从课程目标、课程结构、课程组织方式、考核评价几个方面进行了新工科背景下机械类基础课程体系的构建[4];大唐电信杨毅刚则指出新工科要培养能解决“跨界”“复杂工程问题”的人才[5]。
　　机械工程是传统的工科专业，在国民经济社会发展中发挥着重要的作用。当前新经济与新技术的发展，尤其是“德国工业4.0”以及以智能制造为核心的“中国制造2025”的提出，对机械行业从业人员提出了新的要求。论文围绕北京工业大学机械工程专业面向新工科建设的实践类课程改革与探索，以机械制造训练为例，从训练内容、训练方式、训练结果的考核与评价等方面，探讨了如何通过综合性实践训练环节培养学生的工程师素养及解决复杂工程问题的能力。
　　一、新工科建设对综合性实践训练环节的需求
　　现行的各高校课程体系中，实践环节主要包括课程实验、单独设置的实验课、课程设计、毕业设计以及实习等。其中的课程实验、实验课、课程设计等主要是围绕某一门课程，以加深课程知识的理解和掌握为目的，锻炼运用课程所学知识解决实际工程问题的能力，其存在的主要问题是课程割裂，实践教学内容仅按课程要求进行设计，没有考虑前后课程之间的有机集成，知识点的应用只限于某一门课程，缺少课程之间或学科之间的交叉融合，很难将系统的概念输送给学生，导致学生综合运用基础课程和专业课程所学知识和技能解决实际问题的能力较弱，能解决“跨界”“复杂工程问题”的人才不足，本科人才培养与经济社会发展要求不相适应。
　　由上述分析可知，构建融合多门课程知识，注重学生知识、能力、素养的综合培养，实现对“跨界”“复杂工程问题”能力培养的综合性实践训练环节，在新工科背景下的工科专业课程体系建设中具有重要的作用。
　　以北京工业大学为例，其机械工程专业具有健全的实践教学体系，既包括理论力学、材料力学等课内实验，也有机械原理、机械设计等单独设置的实验课，还包括工程图学、机械原理、机械设计、电工电子技术、传感与测试等课程设计。这些实践环节，在加深和巩固对课程知识的理解，综合运用课程知识解决工程实际问题等方面起到很大作用。但是这些实践环节存在的一个重要问题是，实践的内容都是围绕一门课程开展，内容相对独立，学生在实践过程中无法串联起各门课程的知识，专业知识在学生头脑里形成不了完整的体系，不利于新工科背景下学生工程与创新能力的培养。而综合性实践训练环节——机械制造训练，则很好地承担起了这个任务，它打通了课程之间的界限，通过一门综合性实践课程，串联起若干门理论与实践课程，达到知识、能力与素养的综合培养，在课程体系中具有重要的作用。
　　二、机械制造训练的内容与目的
　　（一）机械制造训练的目的
　　狭义的制造是指生产车间内与物流有关的加工和装配过程，而广义的制造则包括市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理等整个产品生命周期内一系列相互联系的生产活动。
　　机械制造训练是以广义的制造为背景，通过典型机械产品的结构设计、工艺设计、生产准备、加工制造、检测与装配以及生产过程管理、原材料与标准件采购等环节，使学生掌握产品的开发流程，培养解决复杂机械工程问题的能力。
　　（二）机械制造训练的内容
　　机械制造训练面向机械工程专业本科生，在第6学期开设，学生在校内机械工程训练中心，辅以适当的外协加工，以小组为单位完成一个自行设计的典型机械产品的加工、装配、檢验。先修课程包括工程图学、机械原理、机械设计、互换性与公差配合、机械制造技术基础、工程材料与成形技术基础等机械专业主干课程。训练内容包括如下4个方面。
　　1.零部件结构工艺性及加工工艺流程训练。以典型机械产品中关键零件的工艺设计为训练内容，了解零件结构工艺性对其生产及使用、质量及成本的重要影响，掌握结构工艺性的分析方法以及改进原则;掌握各种加工设备所能达到的经济精度，了解材料、加工方法、机床、刀具、夹具等对零件结构工艺性的基本要求;制定零件的加工工艺卡片，安排相应的热处理工序以获得所需的产品性能。
　　2.毛坯的材料选择及成形工艺流程训练。以典型机械产品中铸造毛坯的材料选择及成形工艺设计为训练内容，了解生产批量对成形方法选择的影响，分析产品的性能要求，选择正确的材料及绘制毛坯的铸造工艺图，并制定铸造产品的加工工艺流程。
　　3.加工技能训练。以普通加工、数控加工、特种加工等为训练内容，掌握普通加工设备的安全操作规程、加工参数的确定及使用，掌握数控加工、特种加工等现代加工技术的原理、设备、主要参数、适用范围;掌握相关软件使用方法、编程技术及设备的一般维护方法。 　　4.产品制造及生产流程管理训练。根据制定的工艺卡片进行关键零件的加工制造，掌握零部件公差配合内涵及产品的装配工艺性对产品的生产及使用、质量及成本的重要影响;掌握各种检验及测量设备的使用，对加工完成的零件进行检验并装配成产品;了解人员、材料、设备的使用与管理对产品成本及性能的影响，了解合理的外协、外购及自主加工生产对产品成本及生产周期的影响。
　　三、机械制造训练的实施方式
　　（一）线上与线下相结合
　　机械制造训练既包括为零件制定恰当的加工工艺路线和工序，又包括通过实际操作验证所制定的工艺路线和工序的可行性。采用“线上学习”与“线下实训”相结合的方式，一方面可以培养学生的自主学习能力，并弥补课内学时不足的问题，将更多的课内学时用于实操训练，另一方面，通过在线资源的提供，可以服务更多有需要的人员。
　　1.线上学习。线上学习既包括典型机械产品零件的工艺制定，又包括线下实训所需用到的设备资源相关文件，同时也包括线上学习的练习与考核等。
　　所有线上学习资源，包括工艺制定、加工设备等，都是课程组教师围绕典型机械产品中的箱体类、轴类、盘套类零件的工艺制定与实际加工，结合校内现有设备资源，精心制作，兼具了通用性与针对性。其中典型零件冷/热加工工艺制定学习资源是以PPT形式放在网上，而加工设备学习资源则是以视频文件形式放在网上。教师根据训练的进度安排，定期发布学习任务，要求学生在指定时间内学习，学习结束后教师发布练习与考核内容，考核合格的学生可以进行相应的线下实训。
　　2.线下实训。学生在线上学习并考核合格后，可以进入线下的实际训练环节。利用校内现有的设备资源，亲自操作机床进行实际零件的加工与检测，并辅以适当的外协加工及标准件采购，最终完成产品装配。在两个面向、两种角色以及两级考核的“2+2+2”模式下开展实践训练。其中两个面向是指实践过程即面向实际机械产品，更面向实际加工设备;两种角色是指学生既是机械工程师，又是项目管理人员;而两级考核则既考核产品的完成质量，又注重项目的实施过程。通过一个完整的产品开发过程，提高了学生解决复杂工程问题的能力，而机械训练现场的实训则使学生对工程和工程师的素养有了更深刻的理解，小组分工合作的方式锻炼了学生独立动手和思考、分工与合作解决复杂工程问题的能力，实训过程中的进度控制、人员安排、原材料与标准件的采购等则使学生体会了经济管理与成本控制，最终实现了对学生知识、能力与素养等的综合培养。
　　（二）虚拟与实际相结合
　　机械产品的开发制造过程中，既有切削加工等冷加工，又有铸、锻、焊、热处理等热加工。相对于冷加工，热加工存在一定的危险性，并且存在环境治理等问题，因此目前很多高校并不具备热加工的条件，而热加工在整个产品开发过程中，又是获得毛坯、获得所需质量的重要手段，是学生训练的重要内容。因此可采用虚拟与实际相结合的方式，开发虚拟仿真实验教学项目，热加工进行虚拟仿真，而冷加工则进行实际操作。
　　课程组教师开发的典型机械产品铸造成型虚拟仿真实验教学项目以箱体、端盖类零件等为对象，内容包括基于零件图的铸造工艺图设计、真实铸造车间场景内的铸型制作及液态金属浇注、液态金属填充凝固和冷却的仿真过程观察及工艺和产品性能分析，如图1所示。仿真实验解决了现实教学环境所无法解决的高温、危险性大、无法肉眼观察等问题，传统砂型铸造与现代消失模铸造这两种铸造方法的选择，符合经济社会发展对人才培养的需求，对于提高学生的工程实践能力，提高其解决问题、分析问题的能力具有重要作用。多媒体与三维建模等技术，以及先进的铸造模拟仿真软件所实现的填充与冷却凝固过程仿真，实现了对现代信息技术的应用，提高了教学项目的吸引力和教学有效度。该项目已获批国家虚拟仿真实验教学项目。
　　训练过程中，学生通过虚拟仿真实验教学项目完成各自所负责零件的铸造工艺设计及成形仿真，然后基于虚拟仿真结果进行消失模铸造的泡沫模型手工粘制，并送去外协厂进行铸造成形。通过“虚拟仿真”与“实际加工”相结合的方式，一方面解决了校内不具备实操条件、无法实际铸造并观察的问题，另一方面，基于仿真结果的铸造工艺设计保证了一次铸造成型的成功率，而这也是现代企业普遍采用的方式。
　　（三）全流程管理
　　机械制造训练课程组教师开发了课程管理系统，模拟实际企业车间的全流程管理方式，使学生了解现代制造企业的运作与管理模式。
　　1.人员管理。模拟实际企业车间全流程管理的课程管理系统中，人员组织架构如图2所示。其中课程责任教师作为车间的主管，而各班级任课教师则是各班组负责人。班组长（任课教师）将班组划分成若干小组，并指定小组长，而小组长则负责对组员进行任務分工。
　　2.任务管理。车间主管（课程责任教师）将生产任务（训练各环节内容）通过课程管理系统下达给各班组，班组长（任课教师）将任务下达给各小组，并制定任务的完成期限。各小组领到任务后，进行组员任务分工，按规定要求在规定时间内完成任务，并将任务完成情况通过管理系统上传给任课教师，任课教师再上传给课程责任教师，以便责任教师制定下一步的生产安排（训练内容），包括外协安排。
　　3.资源管理。在完成典型零件加工过程中，存在设备资源紧缺、各小组争夺加工设备的情况，这时就需要由各班组长根据本班组的任务完成情况，实时进行设备的重新分配，也即资源调度，以保证本班组的各小组均能按期完成任务;而课程责任教师则需根据具体情况进行资源的统一调度，也即统一协调各班级的上课时间。
　　4.物料管理。训练过程中涉及的物料包括毛坯、标准件等。课程责任教师会安排一位物管员（通常由助教担任）负责课程所需物料的管理、采购和下发。各小组领到任务后，需及时上报需求信息，物管员则根据当前库存以及需求信息进行采购并下发。各班组乃至各小组物料信息的需求与使用情况将作为成本核算的依据。 　　四、机械制造训练的考核与评价
　　基于华盛顿协议的工程教育专业认证的基本理念是成果导向、以学生为中心以及持续改进。而持续改进是基于学习效果评价基础上进行的，因此课程结束的考核及学习效果评价非常重要。
　　其中考核采用既考核产品的完成质量，又注重项目的实施过程的两级考核方式。通过最终完成的产品质量检验知识的掌握与解决复杂工程问题的能力，通过上交的图纸、工艺文档以及PPT汇报等考查其与业界同行进行沟通与交流并陈述发言的能力;通过自我陈述、任课教师掌握的情况以及课程管理系统的相应记录，考核其“个人与团队”“项目管理”等能力。
　　学习效果则采用量规进行评价。制定含有二级指标的评价量规，确定各指标的相应权重。其中一级指标是根据课程能够实现对工程教育专业认证毕业要求达成的支撑来确定，二级指标是对一级指标的细分，有4个等级标准A、B、C、D，各标准都有详细的描述和对应的分数。课程责任教师在课程管理系统中录入各指标，如图3所示。课程结束后，由任课教师对每名同学进行评价，各同学也进行自评，根据评价结果绘制如图4、5所示雷达图。
　　在圖4一级指标评价中，可明显看出，“设计/开发解决方案”方面，各同学差异较大，第10、11位同学远远高于第18、19、20位同学;而在“个人和团队”方面，也表现了明显的差异，第17位同学最高，而第20位同学最低。通过图5则能明显看到各同学在各细分指标点方面的差异。
　　由此可根据雷达图分析学生在各能力方面的达成情况，为教师改进教学环节提供有益的指导，并可对每个学生有针对性地指出其优势与不足，指明其改进与努力的方向。
　　五、结束语
　　在“工业4.0”“中国制造2025”的背景下，以智能制造为核心的中国制造业正在不断崛起，高等教育必须不断融入新的内容，既符合经济社会的发展，又符合科学技术的进步，同时又要适应新时代学生的特点。
　　综合性实践训练是学生在学习完相关知识后，综合运用所学知识解决实际工程问题，在其工程能力培养中具有重要的作用。而多种方式的综合运用，包括“线上学习”与“线下实训”相结合，“虚拟仿真”与“实际加工”相结合，模拟实际企业车间的全流程管理，以及基于工程教育专业认证毕业要求达成的学习效果评价与改进，则可显著提高综合实践训练的效果。
　　参考文献：
　　[1]吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017，（1）：1-9.
　　[2]吴涛，吴福培，包能胜，牛小东.新工科内涵式发展理念的本质溯源[J].高等工程教育研究，2018，（6）：16-22+54.
　　[3]李正良，廖瑞金，董凌燕.新工科专业建设：内涵、路径与培养模式[J].高等工程教育研究，2018，（2）：20-24+51.
　　[4]李浩，张秀花，王会强，孙铂.面向新工科的机械类基础课程体系构建——以河北农业大学机电工程学院为例[J].河北农业大学学报（农林教育版），2018，20（5）：58-62.
　　[5]杨毅刚，唐浩，宋庆，等.企业视角下新工科建设与工程教育改革[J].高等工程教育研究，2018，（3）：18-23+28.
　　Reformation and Exploration of Comprehensive Practical Training under the Background of Emerging Engineering
　　CHU Hong-yan，LIU Zhi-feng，CHENG Qiang，ZHANG Cai-xia
　　（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
　　Abstract：Under the background of emerging engineering，the most important content of reformation and innovation of traditional mechanical engineering major is reconstruction of  curriculum system and course construction，and the practical training which includes both the manufacturing and information technology has important role on the student training of comprehensive practice ability.In this paper，use the example of a comprehensive practical training course – mechanical manufacturing training，which is oriented to all the undergraduate students whose major is mechanical engineering，from the aspect of training content which includes much courses knowledge，training method which combines "online learning" and "offline training"，"virtual simulation" and "actual manufacturing"，and whole process management，and two-level assessment and rubric evaluation of training，the reformation and innovation of practice towards emerging engineering is discussed.
　　Key words：emerging engineering;course construction;comprehensive practical training;mechanical manufacturing
　　收稿日期：2019-06-17
　　基金项目：北京工业大学教育教学研究重点课题，项目编号：ER2018B020202;北京工业大学本科重点建设课程，项目编号：KC2018MT005
　　作者简介：初红艳，北京工业大学机电学院副教授，系主任，硕士生导师;刘志峰，北京工业大学机电学院副院长，教授，博士生导师;程强，北京工业大学机电学院教授，博士生导师;张彩霞，北京工业大学机电学院副教授，硕士生导师。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15198329.htm