基于復雜工程問題解決能力培養的焊接實踐教學

楊宗輝　王紅星　甄睿　張炎　李曉泉

摘要：復雜工程問題的解決能力是焊接專業本科畢業生應具備的核心能力。以《焊接機電一體化課程設計》為例，闡述如何通過焊接實踐教學達到培養學生解決復雜工程問題的能力。分析了《焊接機電一體化課程設計》非常適合于復雜工程問題解決能力培養的原因，重點從《焊接機電一體化課程設計》的課程教學內容設計、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在復雜工程問題解決能力的培養方面提供參考與借鑒。

關鍵詞：復雜工程問題;工程認證;焊接機電一體化;課程設計

中圖分類號：TG4;G642.4 文獻標志碼：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，尤其是在解決復雜工程問題的核心要求上，更要按照與國際標準實質等效的原則來培養學生[1-2]。

對于復雜工程問題的涵義，華盛頓協議明確了作為復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過分析才能解決;（2）需求涉及多方面的技術、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出創造性;（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標準和規范中;（6）問題相關的各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題[3]。

復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生的矛盾沖突真實地呈現在學生面前，從而鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。實踐教學相對理論教學更能直接培養學生對于復雜工程問題的解決能力。研究表明，實踐教學對提高學生的專業知識與基礎理論的應用能力、動手能力、創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雜工程問題的關鍵因素。要想通過一門實踐課程較為完整地培養學生解決復雜工程問題的能力，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雜工程問題解決能力的培養要求進行針對性的課程教學內容設計，并制定科學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計》為例，探討如何通過一門實踐教學課程來培養學生解決復雜工程問題的能力。

1 課程性質

《焊接機電一體化課程設計》是焊接技術與工程專業重要的專業實踐課程，它綜合了機械制圖、機械設計、傳感器與檢測技術、電動機控制技術、PLC控制技術、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。該課程有利于培養學生對抽象學科理論知識的理解和掌握以及對多學科知識的綜合運用與整合;還有利于培養學生的綜合實踐能力和跨界整合能力。《焊接機電一體化課程設計》選題針對來自生產實際中焊件的自動化專機設計，方便與企業實際項目完全一致。完成《焊接機電一體化課程設計》中一臺自動化專機的設計至少需要3個同學的通力協作才能在2周內完成，可以有效培養學生的交流溝通能力及團隊協作能力。基于上述特征，再通過精心設計課程教學內容，即可為較完整地培養焊接技術與工程專業本科生解決復雜工程問題的能力打下堅實的基礎。

2 課程教學內容設計

以培養焊接專業本科生解決復雜工程問題的能力為核心目標，對《焊接機電一體化課程設計》的課程教學內容進行設計。《焊接機電一體化課程設計》課程教學內容設計圖如圖1所示。基本思路是將為期2周的《焊接機電一體化課程設計》的設計內容項目化，要求學生2周內完成一個完整的焊接自動化專機設計項目。通過特別設計，項目各階段的設計內容與復雜工程問題特征點相對應，使項目成為一個典型的復雜工程問題，學生在親自完成項目的過程中，能力得以培養。圖1中還清晰表明了課程設計內容與工程認證中12個畢業要求的對應關系。

由圖1可知，《焊接機電一體化課程設計》課程設計內容（項目）分為三個階段：選題、方案設計及技術設計。

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，需要學生考慮多方面因素，包括技術可行性方面因素和經濟性方面因素。而焊接工藝則需要學生運用深入的焊接基本理論，經過多方面分析才能合理制定。該設計階段具備復雜工程問題的特征（1）和（2）。

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

在技術設計階段，無論是焊接工裝夾具設計、電動機調速系統設計，還是專機運行程序設計，均要深入運用機械、控制基本理論并經過分析才能解決問題，并且專機各系統之間相互關聯，具有很高的綜合性，體現了復雜工程問題的特征（1）和（7）。焊接夾具要求實現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結構，設計時所遇到的問題很多未完全包含在專業標準和規范中，需要進行創造性設計，體現了復雜工程問題的特征（4）和（5）。

綜上，經過特別設計的《焊接機電一體化課程設計》的課程內容具備了復雜工程問題所對應7個特征中的6個，且以項目形式呈現，學生完成《焊接機電一體化課程設計》的過程即是自己動手解決復雜工程問題的過程。當然，為了切實提升學生解決復雜工程的能力，還需要科學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

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

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的焊接專機可能存在很大不同，鼓勵學生敢于突破傳統焊接方法與工藝，積極采用合理的新型焊接方法與工藝。

3.2 系統方案設計

指導老師首先集中講授焊接自動化專機的設計方法與流程，每組學生再查找相關文獻并團隊協作確定初步方案，最后每組學生和指導老師討論確定最終專機系統方案。專機方案要求學生以實現項目的功能要求為目標，以機械總體設計為出發點，特別考慮焊件的準確快速定位與夾緊，采用系統分析的方法，擬定專機的自動焊接流程及機械系統傳動方案，完成各執行機構的創新設計。要求每組學生提出2～3種焊件裝夾方案，從功能、技術、經濟、安全等方面進行綜合分析和比較，決策出最優方案，繪制出專機整體結構圖，并對主執行機構進行尺度綜合和運動分析。

3.3 技術設計

系統的技術設計階段采用了個人與團隊相結合的模式，學生們根據所選課題的設計任務和各自關注點與長處進行合理分工，分別負責機械系統設計、電動機及調速系統設計、傳感器設計、PLC 控制系統設計等，技術設計期間同學間要不斷進行討論，避免專機各子系統之間相互沖突。要求設計焊件夾具的結構，進行關鍵零部件的結構設計和工作能力計算，并考慮零件的結構工藝性和安裝的合理性及安全性，確定電動機功率、型號、調速系統，確定電焊機的型號、給出主要性能指標，確定傳感器具體型號、尺寸、數量、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、課程設計答辯考核和設計說明書質量評價三部分組成。

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

團隊完成情況系數由各組學生的個人得分平均情況及適當的調節常數確定。

5 課程實施情況

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

同時，通過《焊接機電一體化課程設計》的完整設計過程，學生進一步加深了對《焊接機電一體化》《焊接方法與設備》《焊接工藝評定》《機械制圖》《機械設計》等重要專業課程的理解與掌握，也學會或進一步熟練了UG、Visio、AUTOCAD、PPT等軟件的使用。更為重要的是，學生在自主設計過程中，結合工程實際培養了創新意識和創新方法。特別是對于焊件夾具的設計，學生中涌現出很多創新想法，有些創新的焊件夾具設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計》實施過程中參考了天津大學材料學院《材料加工自動化》課程設計的相關教學資料，并得到天津大學胡繩蓀教授的指導，在此特別致以誠摯的謝意！

參考文獻：

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[3] 陳永琴，朱敏波，段清娟，等. 機械專業復雜工程問題教學案例剖析—《機械綜合實踐項目》的開展[J]. 教育教學論壇，2017（18）：151-153.

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