基于復雜工程問題的機械產品設計制造綜合實踐研究

關躍奇　魏克湘　彭浩舸

摘 要 解決復雜工程問題是工程教育認證要求學生畢業所具備的一種能力，機械產品設計制造綜合實踐是我校機械設計制造及其自動化專業學生校內的一個重要的實踐教學環節，需解決機械類產品的三維裝配設計，零、部件的工程圖設計、工藝設計和加工制造的四個過程，培養了學生的創新意識、工程素質、人際交往能力及在團隊中發揮作用的能力和解決復雜工程問題的能力，是現代機械類人才培養過程中非常重要的環節。

關鍵詞 工程教育認證 綜合實踐 復雜工程問題

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.023

工程教育認證是我國目前開展高等教育教學評估的一項重點工作，表明我國工程教育的質量得到了國際社會的認可，標志著我國工程教育質量有很大提高。隨著我國高等工程教育認證的逐步推進，新形勢下經濟發展對工程應用型人才工程素養與能力提出了新的要求，迫切需要工程應用型大學抓住工程教育專業認證體系構建這一機遇，重構工程應用型人才的培養模式，改革探索我國應用型大學工程教育專業認證體系構建的之路，扎實推進高校工程教學改革工作，提升高校工程類專業建設水平和人才培養質量。

工程教育認證實施的目的是促進工程教育創新與改革，提高我國工程教育人才培養的質量，重新構建我國高等工程教育體系，以期促進我國工程教育強國邁進。湖南工程學院作為一所應用型中部地方高校，有著深厚機電行業背景，推進工程教育改革并積極參與工程教育認證，探索工程人才培養新模式。我校機械設計制造及其自動化專業（簡稱機械設計專業）2010年獲批教育部首批實施“卓越計劃”試點專業、2012年獲批湖南省專業綜合改革試點專業，2015年被教育部工程教育認證中心受理了認證申請。為適應新形勢的需求，本專業以學生為中心，基于成果導向教育理念，以培養具有創新意識和解決復雜工程問題的能力人才為目標，在教學體系重構、專業行業特色、工程實踐教學、創新意識培養等環節展開積極的探索和改革，得到同行的高度認可，取得了良好的效果。

2015版工程教育認證畢業要求通用標準12條中，有8條提及“復雜工程問題”；所謂“復雜工程問題”是指必須運用深入的工程原理，并經過分析才可能得到解決的問題，且須同時具備下列6個特征中的部分或全部：它涉及多個工程、技術及其它方面的因素，各因素間可能會有一些沖突；需通過建立適當合理的并能體現出一定的創造性抽象模型才能將沖突問題予以解決；問題中涉及的部分因素沒能完全包含在本專業工程實踐的標準或規范中；不是僅靠一般的方法就能夠將問題完全解決的；問題相關各方利益不完全一致；包含多個相互關聯的子問題并有一定的綜合性。同時要求在課程作業、課程設計、綜合練習、綜合實驗、企業生產實習、畢業設計、科技訓練等教學環節中，應主動將工程問題的復雜性融入到教學內容中。

機械產品設計制造綜合實踐是我校培養大學生實踐技能、創新意識和解決復雜工程問題的大型綜合實踐環節。對我校機械設計專業的學生而言，機械產品設計制造綜合實踐，是本專業多門專業課程的綜合應用環節，對培養學生工程實踐技能、創新意識和解決復雜工程問題能力具有獨特的優勢。對豐富學生生產實踐知識，鞏固和加深所學理論知識。熟悉現代加工制造全過程，培養科學、認真、細致的工作作風有著非常重要的作用。

1 基于解決復雜工程問題能力的培養，構建“三層次”實踐教學模式

我校機械設計專業的工程教育認證體系是基于工程應用型機械類人才培養定位、培養規格和畢業能力通用標準的要求而開展的，它遵循了機械類工程師培養的基本原則和學生的對知識的認知規律，目的在于建立一個與機械類工程師的基本素質訓練內容相互銜接、循序漸進的實踐教育體系。為此，我校機械設計制造及其自動化專業按照基本技能層、綜合應用能力與初步設計能力層、工程實踐與創新能力層“三層次”，分層遞進對學生的解決復雜工程問題與實際工程能力進行培養，構建了圖1所示“三層次”實踐教學模式。

三個層次內容為：“基本技能層”：包括大學化學、大學物理等公共通識課程的實驗，本學科的學科基礎課程實驗，工程制圖零部件測繪課程設計，金工實習，電工與電子實習，專業認知實習；其目的是進行工程類基本技能訓練，解決相對簡單的工程問題。“綜合應用能力與初步設計能力層”：包括機械原理、液壓傳動等專業課程的實驗，機械原理、機械設計課程設計，液壓傳動與控制技術課程設計，企業生產實習；目的是單科知識綜合應用和初步設計能力的訓練，解決較復雜工程問題。“工程實踐與創新能力層”：包含工程項目訓練、機械產品設計與制造、課外科技活動、畢業設計等，目的是進行創新意識與工程實踐能力的訓練，解決復雜工程問題。

“三層次”的實踐教學體系，包含了由相互獨立到科學融合，由相對簡單的工程問題到復雜工程問題的實踐教學體系，使學生對工程問題的解決能力培養分層遞進，即：基本技能訓練、解決簡單工程問題→較復雜應用能力、初步設計能力培養，解決較復雜工程問題→創新意識與工程實踐能力，解決復雜工程問題。“三層次”的實踐教學體系，分模塊、分層次、由淺入深的進行工程實踐教學訓練，形成了“理論到實踐-再理論到再實踐”漸近式推進的實踐教學新模式。

2 適應社會需求，探索基于產品設計制造的綜合實踐內容與模式

地方工程應用型大學培養的人才是直接為企業、行業服務的一線應用型人才。按照以素質能力為核心的理念培養人才。通過制定一整套科學合理的、具有可操作性的、系統化的人才培養標準來規范整個培養過程。我校機械設計專業的人才培養目標是：堅持以學生為中心，強調知識、能力、素質協調發展的教學理念和努力做到與企業用人要求“無縫對接”。因此，針對本專業設立以“機械CAD/CAM”和“工藝裝備”為特色的專業教學項目，以培養解決復雜工程問題能力為教學重點。在綜合實踐教學環節中，探索機械產品設計制造的課程的新模式（即綜合實踐）非常必要，且能夠滿足工程教育認證學生畢業能力的現實要求。

“機械產品設計與制造”課程設計是我校機械設計制造及其自動化專業學生畢業前在學校進行的一項極具綜合性的實踐項目，在校內所有理論課程學習完成后，要求學生綜合運用所學的知識完成具備一定功能、用途的產品總體設計、零件設計、工藝設計、加工制造、檢驗、裝配，并對加工、裝配進行質量分析，并撰寫設計說明書。我校2009年在2006級機械設計專業開始實施“綜合實踐”課程實踐教學環節，近六年來，我們對綜合實踐內容及模式不斷進行的改革和探索，形成了一套行之有效的實踐方案。根據2010-2015屆畢業學生跟蹤調查可知，我校開設的綜合實踐項目是成功的。現將我校開設機械產品設計制造綜合實踐教學中的基本思路和具體做法作一簡單介紹。

綜合實踐作為訓練平臺的目的是培養創新意識、人際交往能力及在團隊中發揮作用的能力，積累工程經驗，培養分析、解決復雜工程問題的能力；結合我校機械工程學院的現狀，只有改革與創新大型實踐環節的教學內容，才能達到本環節預定的教學目標。在此所講的改革與創新教學內容有兩方面的意思：一是實訓項目選擇上的改革與創新，結合機械設計專業的工程實際情況進行實訓項目的精心篩選；我們選擇一些技術難度恰當的機械產品、裝置作為實訓項目如：傳統保留項目有各類一級減（升）速器、齒輪泵、液壓工作缸、機床夾具、冷沖模夾具，另外機械創新設計的競賽項目如無碳小車、指導老師科研子項目都是我們實訓項目的選擇對象；所選項目要保證利用機械工程學院的現有設備資源即可制造出來。若選擇汽車發動機作為實訓選項雖具有大的工程實際意義，但其技術難度太大、學院設備資源尚不具備這樣的加工能力，它不能有效達成實訓的教學目標；若采用單個的機械零件作為實訓選項，其設計及裝配調試訓練達不到機械產品、裝置所具有的實訓效果。二是教學要求的改革與創新，本環節完全模擬工廠生產實際的標準進行工程化的綜合訓練。綜合實踐以專業班級為單位，每8～14位學生為一項目團隊選擇一種機械產品、裝置作為實訓項目，按項目組成合作團隊，實行項目組長負責制，團隊成員分工合作；以機械產品研制的過程劃分成四個模塊：即產品設計模塊（含產品三維造型、工程圖設計）、工藝設計模塊、加工制造模塊、裝配調試及設計說明書撰寫模塊。在綜合實訓的四個模塊段，不同模塊段有不同的任務和不同的教學訓練重點，但四個模塊段為一個有機的整體。整個實訓環節完成后，各團隊成員共同協作完成指定項目的設計制造及整體裝配，每個學生均獨立完成任務并需撰寫一份課程設計說明書。

四個模塊段的具體任務分別是：第一個模塊機械產品、裝置的設計，主要任務是按給定的項目（指導老師給定功能及技術要求），學生運用所學知識及掌握的設計工具設計出給定產品三維圖及零件工程圖設計并給出相對完整技術要求；教學重點是培養創新意識、工程設計能力及解決設計中的復雜問題的能力。每個團隊按給定功能及技術參數設計出兩個以上不同方案，并從中選擇一個方案作為團隊后續三模塊段的實施方案。第二個模塊零、部件的工藝設計，主要任務是按零、部件工程圖的要求，結合機械工程學院現有設備的加工能力及精度，設計零、部件的工藝文件；教學重點是培養工程制造能力及解決制造中的復雜問題的能力；按單個零件作分工作小組，各工作小組應完成相應零件的加工工藝過程卡及工序卡的編制，其中每位學生至少完成一道以上工序文件（工序文件參照工程格式進行，裝夾定位、切削用量等工藝要素必須齊全）的編制。第三個模塊是零件加工制造，主要任務是操作機床加工零件，并進行加工質量檢驗，同時進行加工質量分析；教學重點是訓練獨立操作機床的動手能力和解決工程制造過程中問題的能力。以零件分工作小組，按零件各工序文件以工序為單元操作機床完成制造，以此驗證所編工藝的合理性，即對各工作小組的零件進行加工制造，對加工制造中出現的問題進行分析處理。第四個模塊為裝配調試及設計說明撰寫，主要任務是對實訓產品裝配調試同時撰寫課程設計說明書，重點是產品裝配調試的動手能力和解決工程裝配干涉能力的培養；以項目團隊為單位，完成機械產品、裝置加工制造后的裝配調試工作，最后撰寫課程設計說明書。

3 加強過程管理，創新考核評價標準

綜合實踐環節有很強的專業性，尤其采用“工程化”的模式，為此，必須加強過程指導，確保本環節的有效性。綜合實踐不單只看實訓產品的最終研制結果，更要注重本環節的實施過程中學生基本技能的掌握及分析、解決工程實際問題的能力。綜合實踐應更好地模擬工程環境，從工程實際出發，使學生感受工程實際的氛圍，積累工程經驗，提高工程素質。對本環節中出現的各種工程問題，指導老師應及時引導學生深入運用所學的專業知識來分析、解決，更好地培養學生解決復雜工程問題的能力。

本環節時間跨度大，實訓內容多。引導學生積極參與，成績評定采用自評、互評相結合，注重相互間的人際交流及在團隊中發揮作用，更是其考核評價建設的關鍵。只有加強過程管理，創新考核評價標準才能達到綜合實訓的最終目標。我們采用可量化的評價指標，突出能力的培養，注重實施過程，建立了分模塊的評價制度。即考核評價也分四個模塊進行，每模塊均采用五級評分制，在四個模塊實訓中以個人最擅長，能力最強的模塊評價成績作為本環節的總成績。將實訓過程中的能力培養和素質提高與考核評價相結合，在本環節中即使出現了工程技術問題的同樣可以評為優，只要學生能夠運用所學的知識解決或部分解決所出現的工程技術問題，并在說明書中能對其處理過程進行詳細分析即可。從而使參加本環節的每位同學得到客觀、公正的評價。

4 結束語

通過六年的探索實施，我們初步摸索出基于解決復雜工程問題能力的機械產品設計制造大型綜合實踐的教學模式，收到了良好的教學效果，使每位學生掌握了機械產品的研制基本流程，學會了如何運用所掌握的知識來解決復雜工程問題，積累了工程經驗，提高了工程實踐能力，培養了學生科學、認真、細致的工作作風，增強了學生畢業后的求職能力；一部分學生就是憑著綜合實踐環節的訓練從而通過了用人單位的能力測試。因此，這些年我校機械設計專業的畢業生就業率都在90%以上，就業率一直位居我校各專業的前三名，這也從一個側面表明我們的教學改革方向是正確的，培養的學生與企業用人要求實現“無縫對接”。但某些方面需進一步完善，如課題能夠與企業的產品開發或技改相結合將更具價值和工程實際意義，部分課題工程復雜難度略顯不足等。

總之，機械產品設計與制造綜合實踐，實現了產品設計、零件設計、加工制造和裝配的全過程。提高了大型綜合實踐的適應性和綜合水準，加強了學生實際動手能力、解決復雜工程問題能力和創新意識的培養。我們相信，一定能培養出滿足企業要求具有創新意識和具備解決復雜工程問題能力的新型機械類人才。

；湖南省教育廳普通高校實踐教學建設項目（湘教通[2015] 274號）

參考文獻

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