以提高學生解決復雜工程問題能力為導向的機械專業實踐創新教學模式研究

吳新麗，婁海峰，馬善紅，夏旭東，謝劍云，楊金林

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州)

一 引言

適應經濟全球化快速發展的趨勢，各國高等教育部高度重視人才培養質量，為了檢驗人才培養質量，需要建立對人才質量進行評估和認證的標準，專業認證就是在此基礎上產生并已經成為全球性人才資源互認的重要基礎[1]。但是，很多學校往往只對通過專業認證工作很重視，卻忽略了認證中最重要的指向：學生解決復雜工程問題的學習訓練和能力。《華盛頓協議》和《工程教育認證標準》對工程教育專業認證標準中畢業要求項目明確指出[2]，畢業要求應完全覆蓋以下內容：

1.設計/開發解決方案：能夠設計針對復雜工程問題的解決方案；

2.研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到有效的結論。

該標準中所提到的“復雜工程問題”必須具備以下特征：

1.必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決方案；

2.涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；

3.具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

近年來，國內諸多高校在工程實踐教育方面都做了有益的改革和探索，一是教學體制的改革：工科類院校和工科類專業基于成果為導向，提出的“基于創新能力”、“雙向導師制”等教學培養目標已逐漸成為教學體制改革的核心，目前本科畢業生進入社會工作，此舉旨在縮短學生步入社會工作之后的調整期，由于在校期間學習的知識普遍都理論化，無法與實際工程問題相對接，因此都需要一定的適應調整期[3]。二是課程體系的設置：一些工科類院校和工科類專業也同時以培養學生解決復雜工程問題能力為導向，開展了精細化的教學改革：在課程體系設置和學分認定方面，《工程教育認證標準》中明確規定了課程體系中的數學與自然科學類課程、工程基礎類課程和專業基礎類課程、工程實踐和畢業設計環節、人文社會科學類通識教育課程必須占學生完成本科學業總學分的比例要求。為此，全國工科類專業以達成工程教育認證標準要求為目標，需要不斷修改和完善課程教學體系以及學分的認定標準[4]。三是教學模式改革方面：實施以學生為中心、教師引導的“多向”模式，逐步取締以教師為主導的課堂授課和學生課后練習的傳統教學模式，培養學生自發、自主的學習習慣，擁有獨立、創新的思考意識，進而培養學生具備解決復雜工程問題的能力。雖然很多高校都取得了一系列的改革成果，但從培養的工程人才來看，目前普遍高校的實踐教學質量不高，學生普遍實踐動手能力和創新能力不足[5]。

我校機械制造及其自動化專業是省重點建設專業，國家級特色專業，“十二五、十三五”優勢專業，2016年通過中國工程教育專業認證，在進行專業認證的過程中，專家反饋回來的意見中第一條就指出針對學生復雜工程問題的解決能力培養是如何開展實施的？針對這一問題，目前國內學者普遍都提出了自己的見解，一是認為在畢業設計環節，教師應注重檢查學生的專業學習成果，把此過程作為評定學生解決復雜問題能力的重要依據[6]；二是認為在教學結構過程中，教師必須對學生畢業時所要達到的能力要求有足夠清晰的認識，然后尋求合適的教學方法來達到預期目標，而不是純粹教科書式的教學，這也是提高學生解決復雜工程問題能力的一種有效途徑[7]；三是通過項目實踐教學途徑，應較多地開展實踐教學活動，包括實踐教學的改革、與企業結合等方式，實踐過程中能切實掌握學生是否真正理解以及掌握課程所要求的知識和技能，并且在實踐中還能培養創新精神，從而真正培養他們分析和解決復雜工程問題的能力[8]。

目前我校機制專業的實踐教學環節基本上都是按照課程類別開設一些驗證性實驗以及一些綜合性實驗項目，有些實驗項目工程化復雜化還不夠，有些項目簡單、枯燥，學生按步驟、照圖接線、測試, 甚至連數據記錄表格都設計好，既談不上實驗的創新，更談不上對學生創新意識的培養，要滿足專業認證標準中要求，以往的實踐教學模式，已遠遠不能滿足。而該問題也是目前所有包含機械類專業高校所面臨的共性問題，如能較好解決，將起到一定的示范及輻射作用。因此，本文結合工程教育專業認證的標準和認證方法，針對高校本科生復雜工程問題的解決能力培養模式進行分析與探討，提出以提高學生解決復雜工程問題能力為導向—機械專業實踐教學改革模式。首先，將原先機械基礎實驗的一些實驗項目改造或有機整合成綜合度更高并具有復雜工程問題特征的若干實驗項目；其次，提出以學生自主研究——教師按需輔導的實驗教學實施模式，結合理論教學課程貫穿于一整個學期，替代原有固定項目固定時間統一實驗的教學方法。

二 構建“三層次，三方向”的實踐教學模式

我校機械設計及其自動化專業致力于培養機械工程及其相關領域從事產品的設計與制造、應用研究和科技開發、運行管理等工作，能解決復雜工程問題的工程技術人才。專業結合浙江省產業集群發展的需要和本校人才培養的定位，旨在培養學生具有分析問題、解決問題、組織管理、合作交流和自主學習的能力，為此，本專業提供了“模具技術、現代設計、數字制造”三個培養方向。

為了提高學生解決復雜工程問題的能力，我校機械設計制造及其自動化專業在專業認證標準的基礎上，以工程素質培養為核心，以提高學生解決復雜工程能力為主線，從簡單到復雜，從基礎到提高，從單一到綜合，使學生逐步掌握解決復雜工程問題的能力，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”以及模具技術、現代設計、數字制造“三個方向”，分層遞階地對學生解決復雜工程問題能力進行培養，構建了圖1 所示“三層次，三方向” 的實踐教學模式。

本文提出的“三層次、三方向”的實踐教學培養模式。其中專業方向平臺包括3個專業方向為：數字制造方向、模具技術方向和現代設計方向，按照實踐教學培養模式的3個專業方向將實踐教學劃分為：基本技能層、綜合應用能力層、工程實踐與創新能力培養層。

“基本技能層”：包括公共通識課程的實驗，本學科的學科基礎課程實驗，包括材料力學、工程力學等實驗；金工實習，電工與電子實習以及專業認知實習，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。“綜合應用能力層”：包括機械原理、液壓傳動、數控技術等專業課程的實驗，機械原理、機械設計等課程的課程設計；為期一周的專業綜合實驗；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、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，提供解決復雜工程問題的能力。“三層次，三方向”的實踐教學模式，涵蓋從簡單的工程問題到復雜工程問題的實踐教學，使學生對工程問題的解決能力培養分層遞進，即：解決簡單工程問題→解決較復雜工程問題→創新意識與工程實踐能力。“三層次，三方向”的實踐教學模式，形成了分模塊、分層次、由淺入深的工程實踐教學體系。

三 實踐教學模式改革思路

截止目前，我校機械類專業的綜合實驗教學項目基本上都是按照課程類別，且大部分都屬于驗證性綜合性實驗項目，如表1所示（見下一頁），雖有綜合性實驗，但都是針對理論課程內容簡單地將原先的實驗項目進行單一地整合，并沒有從實際解決復雜工程問題的主線出發，因此，有必要跨課程、跨階段地進行整合。

1）改進原有實驗項目，使其達到更高更綜合化程度的實驗項目

原有的一些綜合性實驗項目，可以圍繞復雜工程問題主線進行改造。如：原機械基礎實驗1中的機組運轉及飛輪調節實驗動平衡項目，其主要目的是讓學生掌握速度波動的概念以及飛輪轉動慣量與速度波動的關系，是一個綜合性實驗項目。但是從復雜工程問題的角度出發，其包含很多深層次的工程問題：例如機器設計時實際電動機是如何選型的，實際轉速是如何確定的，為什么設計希望電動機在額定值附近工作而實際速度卻一般控制在75%左右，速度波動和振動之間的關系，等等，這些實際工程中的問題都可以將原先的實驗項目進行擴展，提高實驗的綜合度，接近實際工程設計的復雜程度，培養學生解決復雜工程問題的能力。

2）從解決復雜工程問題的角度出發，將現有實驗項目進行跨課程、跨階段地整合

改革的思路是：全程貫穿作品構思、設計到樣機制作和運行整個周期，以機械設計制造及其自動化的四個方向的專業綜合實踐教學課程為平臺，實現作品的“創新構思—設計—加工—裝配—調試”五位一體的專業綜合實踐教學新模式，包括機械系統的設計、工程材料的選擇與測試、系統的搭建與運行參數的測定、控制系統編程與控制等內容。

在專業綜合實踐課的整個過程中，使學生將課程設計與實踐課緊密結合起來，從作品設計、材料購買、零件加工制作、整機裝配，到最后的機電作品調試，從頭到尾讓學生自己親自動手，真正做到“學以致用”。

四 實踐教學模式改革具體措施

我校機制專業學生在大學三年級第一學期需要進行為期一周的專業方向綜合實踐課程。本文主要以專業綜合實踐課程為載體進行本次實踐教學模式的改革，以提高學生解決復雜工程問題能力為目的，我們按照三個專業方向分別設計了三個獨立的大型綜合性實驗項目。由學生自主選擇專業方向來完成一周的實踐課程內容，具體如下所示。

（一） CAD/CAM綜合實驗

CAD/CAM綜合型實驗是機制專業數字制造方向的重要培養內容，本實驗運用機制專業開設的數控加工技術、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）及計算機輔助分析（ANSYS）等課程。以齒輪為研究對象，引導學生完成上述一系列實驗內容的綜合性實驗。使學生了解和掌握基本的產品設計、制造、檢測一體化過程，讓學生在自主性、綜合性、創新性及結合工程實踐等方面都得到較好的鍛煉。圖2（P17)為CAD/CAM綜合型實驗的設計思路。

1.實驗教學設計與組織實施——齒輪的設計

a）運用機械設計知識、制造技術基礎和工程圖學等知識；

b)采用反求工程方法，將掃描得到的齒輪點云原始數據文件導入后處理軟件，通過數據處理重建樣品的三維造型；

c)齒輪傳動承載能力計算和結構設計；

d)齒輪三維實體造型創新設計，利用AutoCAD、Solidworks和CATIA等軟件；

e)齒輪的精度設計。

2.實驗教學設計與組織實施——齒輪的制造

a)將齒輪的三維模型導入Mastercam X9軟件，設置加工刀具參數和刀具路徑，生成數控加工G代碼；

b)利用個人便攜式數控機床（PPCNC）載入加工G代碼加工齒輪。

2.實驗教學設計與組織實施——齒輪的檢測

a)根據齒輪的檢測指標，選擇儀器，了解儀器的結構，測量原理；

b)動手測量，數據處理，判斷齒輪是否合格；

c)若不合格，分析產生的原因。

表1 現有實驗項目列表

（二） 動平衡設計實驗

本實驗是一個動力學綜合性的實驗，同時融入動平衡設計計算和實際動平衡機試驗的實踐性環節，使教學內容和方法手段體現工程化特色，實現了將理論教學融入了工程實驗中的理念[9]，符合機制專業現代設計這一專業方向，可以提高學生對實驗的興趣，充分體會理論計算和工程實踐之間的差別。

1.實驗教學設計與組織實施——零件的動平衡設計

①動平衡設計原理

在轉子的設計階段，尤其是設計高速及精密轉子結構時，必須進行平衡計算，以檢查慣性力和慣性力矩是否平衡。若不平衡，則需要在結構上采取措施以消除不平衡慣性力的影響，這一過程即是轉子的平衡設計[10]。

②動平衡設計對象

本實驗采用一種自制的組合式剛性轉子，轉子軸安裝有四個已知偏心角度和偏心距的圓盤，各偏心圓盤通過鍵與軸連接，由于偏心質量不在轉子軸線上，故轉子產生已知可計算的動不平衡，所以需要對其進行動平衡計算。

③動平衡設計實驗組織

本實驗共有8組由偏心圓盤組成的不同的組合方案，相應的有平衡的配重塊若干，各有不同質量，可在轉子兩端面安裝。學生分成不同的實驗小組，隨機抽取實驗方案編號，然后根據已知條件和數據，確定平衡基面，列動平衡方程式，求解兩個配重的質量和相位。

2.實驗教學設計與組織實施——零件的動平衡實驗

經過上述平衡設計的剛性回轉件在理論上是完全平衡的。但是由于計算、制造和裝配上的誤差以及材料質量不均勻等原因，實際的回轉件往往達不到原設計的要求。因此，在工程上均需用試驗的方法加以平衡[11]，這種實驗是在硬支撐動平衡機上完成的。

前述已分組的學生根據已計算好的在兩個校正平面上的配重質量與相位，選取相近質量的標準配重安裝在轉子上，在把轉子安裝在動平衡機的支架上，裝好傳動皮帶與光電系統開始測量，若電測箱顯示有不平衡質量，則使用天平秤重橡皮泥平衡，如此重復操作直至合格。

（三） 模具設計綜合實驗

根據機械類人才培養中模具設計這一方向所需要的完整知識鏈及我校的特點，“為打造材料成型裝備先進制造業，培養具有創新思維、高科技內涵材料成型裝備專業人才”，模具設計綜合實驗按課堂教學、實體實驗教學、虛擬仿真實驗教學3個模塊、8個實驗設計，如表2所示（見下一頁）。實現從產品概念設計、產品反求變型設計、模具設計與制造、以及產品模具成型加工乃至快速成型蠟模精鑄一個完整的產品開發設計過程，其中虛擬仿真實驗按照“機械機構——控制分析——性能測試”進行建設，形成了“開放式教學、專業實體實驗和虛擬仿真實驗”的層次實驗教學內容，分別培養學生的學科專業基本素質、工程實踐能力和科研創新能力，形成了自主式、啟發式和研究式的教學模式，實現了校企培訓、合作、服務社會和國際合作交流。

五 實施效果

2016年第二學期末至2018年第一學期初，新的教學模式在我校機械設計制造及其自動化專業得到了廣泛應用，并收到了明顯的教學效果。改革以后的專業綜合實踐教學新模式更加受到本科生歡迎，學生參與的積極性和主動性提高，自主學習和主觀能動性得到加強，解決復雜工程問題的能力得到鍛煉。圖3（P19）為學生實際參與實驗的過程以及部分學生作品。其中，利用模具設計綜合實驗這個平臺，兩年內共有8名同學完成了模具方面課題的本科論文工作，并在畢業之后也選擇從事模具行業。

本次專業綜合實踐課按照三個方向，通過三個大型綜合性實驗，由學生親自構思、設計、制作和成功調試了10 余件創新作品，圖3（P19）為實際制作過程的圖片和部分作品圖片。依托該實踐課程，組織學生創作的優秀作品參加課外科技競賽，其中一件作品獲得第七屆全國大學生機械創新設計大賽全國一等獎，同時申請5項國家發明和實用新型專利，通過該實踐課程，學生解決復雜工程問題的能力也得到充分鍛煉，同時也較大地提高了綜合創新能力。

表2 模具設計綜合實驗列表

六 結束語

本文基于工程教育認證標準，分析了國內工科院校的教育教學現狀，提出以提高學生解決復雜工程問題能力為導向的機械類專業“三層次、三方向”的實踐教學新模式，同時基于新模式提出了實踐教學改革的思路和具體措施，最后，以機械制造及其自動化專業綜合實踐課程為實踐教改實施的載體，設計了三個專業方向的大型綜合性實驗，在實踐教學過程中強調學生自主創新設計、主動參與，獨立自主完成零件的加工、裝配和調試。本文提出的實踐教學新模式，對我校機械設計制造及其自動化專業在工程素質教育認證通過后的持續改進起到非常大的推動作用，對相同或相似類型的本科專業實踐教學建設具有示范作用和借鑒意義，為新形勢下高等工科本科生實踐能力培養探索出一條新路。