基于OBE理念的塑性成形工藝及模具設計實踐教學環節改革

何敏 黃傳輝 王樹臣 石端虎 楊峰

[摘 要]課題組基于OBE理念培養能夠解決復雜工程問題的本科生，結合具有工程機械背景的材料成型及控制工程專業特點，以學生為中心，改革實踐教學環節。秉承“創新不是無水之源”的改革理念，課題組在實際應用和實踐基礎上培養學生的創新意識，鼓勵并引導團隊合作，改以往的“領跑”式教學模式為“助推”式教學模式，以開放式的實驗項目為引導，在實驗項目的內容安排上不再使用以往外購“黑匣子”式的成套實驗設備，而使用自制的開放內部結構和源代碼的教學儀器。課題組指出指導教師應詳細講解實驗原理和實驗儀器設計思路，利于培養學生的創造和研究的能力。課題組還指出配備具有“雙師資格”的師資力量作為實驗指導教師，利用專業課程的課堂實踐教學培養學生技術和非技術能力，可以使各畢業要求具有可衡量性和可操作性。

[關鍵詞]塑性成形工藝及模具設計;工程教育認證;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0065-04

工程教育專業認證是對工程類專業教育實施的專門性認證，是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1]，引導國內高校在人才培養、學科建設方面的標準化、規范化方向。我國自2006年全面啟動工程教育認證工作以來，經過十余年的發展[2]，已經形成了較為完善的體系，其核心目標是把學生培養成滿足社會需要的工程人才，強調產出導向，要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都“以學生為中心” [3]，圍繞學生畢業要求、培養目標達成這一核心任務展開，并強調建立專業持續改進機制以保證專業教育質量和專業教育活力。

在教學活動中，如何將課堂理論知識與生產實踐有機結合，培養學生的工程應用背景[4]，是新形勢下高校教學活動中面臨的主要課題。本文以材料成型及控制工程專業核心課塑性成形工藝及模具設計實踐教學改革為例，根據工程教育要求，結合培養方案和教學大綱，開展了系列的實踐教學環節改革活動。課題組秉承“創新不是無水之源”的改革理念，在實際應用和實踐基礎上培養學生的創新意識，鼓勵并引導團隊合作，探索改革途徑和效果，以畢業要求內涵引導課程實踐項目設置[5]，使畢業要求具有可衡量性和可操作性。

一、改革思路及實踐環節安排

（一）改革以往 “領跑”式教學模式為“助推”式教學模式

以往基于理論知識掌握為目標的專業課學習“以教學為中心”，教師教在前，學生學在后。由于專業課理論多，公式多，隨著學習進程的推進，學生參與度不夠，會出現部分學生掉隊跟不上，而教師仍然在“前面”“領跑”的現象。工程教育“以學生為中心”教學理念的倡導，促使教師在專業課的實踐教學中，以項目帶動學生，注意觀察掌握學生的學習節奏，在“后面”“助推”。

（二）采用開放式的實驗項目培養學生的創新能力

明確的學習目的會極大地提升學生的學習興趣、持久度和專注度，有利于對知識的掌握，將學生帶入實驗項目任務中。開放式的實驗項目為學生提供更多面向工程問題的實踐機會，使學生知道為什么學，學什么，增加學習過程的自主性并激發創造性，有利于學生理解含混晦澀的專業名詞和專業理論。我們不再使用以往外購“黑匣子”式的成套實驗設備，而使用自制的開放內部結構和源代碼的教學儀器。教學儀器的內部結構、工作原理一目了然，指導教師能夠詳細講解實驗原理和實驗儀器設計思路，利于幫助學生設計/開發解決方案，培養學生的創造和研究的能力，以往一臺設備做一個實驗，寫一個實驗報告，學生知其然不知其所以然的局面得以改變。

（三）采用基于項目的團隊協作方式

采用項目教學法，其使用零件簡單，過程完整且復雜。實驗和設計內容以解決一個實際問題為基礎，具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題，包括工藝和設計問題的全周期、全流程，有明確的實驗目的和任務，有確切的實驗提交方法和結果。6個學生為一個實驗小組，在7個實驗項目中選擇項目修滿16個學時，組內學生推選一名組長，負責就實驗內容、實驗耗材、實驗進度、實驗安排、疑問答疑與同組同學和指導教師交流溝通。實驗采用交叉分組的方式進行，充分利用實驗學時和儀器設備，培養了學生個人與團隊的能力。

（四）實踐環節安排

塑性成形工藝及模具設計是材料成型及控制工程專業一門重要的專業課程，主要講述金屬體積、板料成形工藝，模具結構，模具設計流程及方法，培養學生結合零件特征合理選擇塑性成形工藝、設計，以及分析、協作、就專業問題交流的能力。課程任務是使學生完成工藝選擇、模具設計，并且能夠正確選配標準件，安裝維護好模具，完成基于零件特征的模具的全周期、全流程設計。

為提高學生在結構設計、安裝、使用與維護方面的能力，更快融入工程實踐活動，課程內的實驗教學活動應面向全體學生。因此，在實驗課內容和開展形式上應充分考慮實驗分組能讓組內所有學生都動手，實驗內容能讓組內所有學生都動腦，實驗效果能讓實驗所有學生都了解實驗和設計全流程、全周期，并保持合理進程和秩序。

實踐課的選擇采用開放式，學生從所列的26個學時的實驗中選擇16學時的實驗。課程實驗依托于國家級工程實踐教育中心、江蘇省實驗教學示范中心、江蘇省重點實驗室、江蘇省工程實驗室、江蘇省工程技術研究中心，有足夠的實驗場地和實驗儀器。

與課程任務對應設立3個課程目標：

課程目標1：理解典型體積金屬開式鍛造、閉式鍛造、精密模鍛、擠壓和板料金屬沖裁、彎曲、拉深、覆蓋件等成形工藝，掌握體積金屬和板料金屬相關成形制造工藝過程。掌握典型的模具結構和設計計算方法，能夠設計典型的金屬體積成形和板料成形模具。

課程目標2：掌握模具材料的選擇、模具的制造技術;掌握與材料成形設備的連接方式、模具的安裝、拆卸及維修技能。以個人和團隊的形式考慮制造、連接、安裝、拆卸、維修等因素，優選模具設計方案以解決實際工程問題。

課程目標3：根據所學內容，在對復雜材料成形工程問題開展測試、實驗等研究工作時，能夠設計復雜的實驗模具。了解材料加工領域相關的技術標準，能夠分析材料加工領域中新技術、新工藝的開發和應用對社會、健康、環境、安全、法律及文化的影響，并做出合理評價，理解應承擔的責任。

二、綜合型實驗項目內容開發

（一）實驗內容的設計體現項目性和協作性

1.板料成形性實驗部分內容

實驗目的：掌握薄板FLC成形極限圖實驗及繪制方法。

（1）完成一組實驗數據需要10張板料，試樣的厚度為1mm，長度為180mm，寬度分別為20mm、40mm、60mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、160mm和180mm。板料的切割準備由實驗指導教師完成，按組領取材料。試樣放在熱處理爐中加熱至340℃，保溫1小時，然后讓試樣在熱處理爐里進行冷卻（板料已被預處理，時間不計入實驗學時）。

（2）采用電化學腐蝕法印制網格：網格大小采用Φ2的圓形網格，在板料全區域印制網格。印制網格如圖1所示。

（3）實驗所用模具：基于Nakazima凸模脹形的模具安裝在10噸電子萬能試驗機上完成脹形件的壓制，方便操作。

（4）用于脹形的Nakazima模具及完成脹形壓制后單組實驗結果如圖2所示。

（5）實驗數據的測量及成形極限圖的繪制

采用網格應變分析法測定試樣上的極限應變，先測量出頸縮部位或破裂部位的臨界網格圓的直徑變化，再計算出相應的應變，臨界網格圓是用于測量和計算極限應變的網格圓。一個板料上選取3個臨界網格圓進行測量，選取的網格圓應該盡量相鄰或靠近，并且屬于同一種臨界網格圓。

臨界網格圓選好以后，將試樣平放在桌上，用游標卡尺測量臨界網格圓的長軸和短軸的長度d1、d2，測量時游標卡尺的刻度線要與橢圓相切，并且與橢圓的長短軸保持垂直，讀數時視線要垂直于橢圓的長軸，以便減小測量誤差。按照下列公式計算塑性失穩極限應變：

工程應變

[e1=d1-d0d0×100%]? ? ? ? 式（1）

[e2=d2-d0d0×100%]? ? ? ? 式（2）

換算為真應變：

[ε1=lnd1d0=ln（1+e1）]? ? ? ? ?式（3）

[ε2=lnd2d0=ln（1+e2）]? ? ? ? 式（4）

測量、計算出所有的數值以后，繪制成試驗數據表，之后繪制成形極限圖（FLC），如圖3所示。

2.成形零件應力測試實驗

實驗目的：掌握應力-應變測試系統及成形零件殘余應力測量方法。

（1）實驗原理基于小孔釋放法，實驗耗材按組領取：測量試樣（帶有殘余應力的塑性變形試樣）、砂紙、應變計、靜態應力-應變測試儀、電子萬用表、手持焊接電烙鐵、焊錫絲、導線若干、502膠水、膠帶、酒精棉球、鑷子、筆、直尺。

（2）測點定位：為了方便鉆孔和貼片，在需要測量殘余應力位置處用筆和直尺畫一個十字線，貼片時使應變片的中心十字花與在試樣表面畫的十字線中心位置相重合，確保測量位置的準確性，也為鉆孔時提供參考點。

（3）貼應變計及連接導線。

（4）測試硬件及數據處理軟件：采用帶磁力座可即時開合地進行鉆孔。鉆孔裝置、數據采集及處理軟件如圖4、圖5所示。

（二）師資配備

實驗指導配備雙師型教師，指導并檢驗實驗效果。實踐指導教師應具有足夠的工程背景和實踐經驗，應具備解決現場實際工程問題的能力。

雙師型教師指具有教師和工程師雙重資格的老師。雙師型教師必須經過校人事處師資科認定并頒發證書，他們必須具有講師及以上高校教師職稱證書，并具有如下條件之一：

（1）具有其他行業中級及以上專業技術職稱（含行業特殊的資格）證書;

（2）具有中級及以上執業資格、專業資格、專業技能考評員資格等證書;

（3）具有在企業第一線從事本專業實際工作的經歷（兩年以上）;

（4）應用技術研究成果被企業應用。

三、評價體系

（一）成績評定

本課程成績評價由平時考核和期末考試兩部分組成，實踐環節占40%，其評價標準如表1所示。

（二）學習效果分析

將改革后的綜合性實驗項目應用于2015 級材料成型及控制工程專業，與未實施教學改革的2014級學生成績相比。2014級分數區間為50～87 分，平均成績72 分，其中： 60 分以下（不及格）占16%;60～69 分（及格）占27%，70～79 分（中等）占56%，80～89分（良好）占20%， 90 分以上（優秀）無。2015級分數區間為40～93 分，平均成績78 分，其中： 60 分以下（不及格）占1%; 60～69 分（及格）占29%，70～79 分（中等）占53%，80～89分（良好） 占15%，90 分以上（優秀）占2%。從以上2年的試卷統計分析可以看出， 2015級學生期末考試成績及反映出來的課程目標達成度比2014級全面提高，說明了該課程在工程教育認證體系下以學生為中心、持續改進的教學效果顯著。另外，平時在課堂上與老師互動，問問題的學生明顯多了，證明學生通過實踐教學改革開始自己思考問題了，并想要去解決問題了。

四、結語

工程教育認證以“學生為中心”“產出為導向”，形成“持續改進”機制。課堂教學環節是完成課程目標，達成畢業要求的重要基礎單元，以畢業要求內涵引導課程設置，課程目標需支撐學生達成畢業要求，利用技術類課程的課堂教學培養學生各項技術能力。

認證不是目的而是手段。通過工程教育認證可以推進我國工程教育改革，提高高校工程教育質量，有針對性地培養企業、社會發展需要的有國際競爭力的畢業生，還可以結合學校背景進行探索和實踐，將課堂理論知識與生產實踐有機結合，培養學生的工程應用能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 中華人民共和國教育部.第一份《中國工程教育質量報告》“問世”[EB/OL].[2014-11-14]（2020-02-10）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s7600/201411/t20141114_1782

47.html.

[2] 彭莉峻，韓行.工程教育專業認證下電工電子技術綜合性實驗項目改革[J].實驗室研究與探索，2018（7）：178-181+290.

[3] 陳濤，邵云飛. 理念與現實：我國高等工程教育加入《華盛頓協議》后的發展趨向探析[J].高校教育管理，2018（1）：54-60.

[4] 陳世海，王軍，代偉，等.工程項目應用于本科實驗教學的研究與探索[J].實驗技術與管理，2018（8）：178-181.

[5] 王保建， 陳花玲， 楊立娟，等.工程教育認證標準下的課程教學設置[J].實驗室研究與探索，2018（8）：162-166+298.

[責任編輯：鐘 嵐]