基于無碳小車模型的機械制造實訓改革與探索*

陳大林

(東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189)

0 引 言

創新型、實踐型人才的培養是“中國制造2025”對高校人才培養目標的新目標，機械制造實習及綜合工程訓練是機械專業人才培養的重要組成部分，在綜合型、實踐型人才培養方面發揮著十分重要的作用。當前，傳統的機械制造實習課程對于培養當代大學生的工程綜合能力方面已經明顯不足，“手把手教學、師徒式教學”等傳統實踐實習教學體系亟需改變[1]。為了培養學生的創新能力和動手實踐能力，建設基于人才培養為目標的實習課程內容，以學生為中心，面向產品設計與制作，探索以無碳小車模型設計制作引導實習的教學課程，實踐項目驅動實習課程改革，是實習課程教學改革的一個行之有效的方法。

1 無碳小車模型簡介

無碳小車模型來源于全國大學生工程訓練綜合能力競賽賽題[2-3]。無碳小車是一個勢能小車，除重物勢能外不允許使用任何其他形式的能量。要求設計相應結構，保證行走的過程中完成所有動作的能量均由給定的重力勢能轉換而得，符合當代環保無碳的概念。無碳小車該的重力勢能是一個質量為1kg、總高89±1mm的標準砝碼(φ50×65 mm, 碳鋼制作)來獲得，砝碼的可下降高度為 400±2 mm，并且任何時候，砝碼都不允許從無碳小車上掉落。無碳小車的結構示意簡圖如圖 1所示。

圖1 無碳小車模型示意圖

無碳小車要求設計為三輪結構，其中一輪為轉向輪(最大外徑不小于φ30 mm)，另外兩輪為驅動輪(允許兩輪中的一個為從動輪)。無碳小車必須有可調節的轉向機構，以適應放有不同間距障礙樁的競賽場地。無碳小車的賽道分為“S”環形型和“8”字形兩種，可以自行選擇相關賽道，并設計相應的結構模型。

無碳小車模型集合了機械原理、機械設計、工程材料、機械制造技術等多課程交叉的知識內容，能充分體現現代制造業的發展趨勢。模型結構設計方面能充分實踐學生學習過的機械設計和機械原理理論知識，模型制作與裝配能夠充分體現機械制造技術的理論知識點，同時，制造過程涉及到了車、鉗、磨、數控加工，3D打印、激光加工等傳統與先進制造技術。但無碳小車的工作原理其實并不復雜，設計方案有一定的彈性，且項目具有一定的延展性，學生為了提高無碳小車的運行成績，在課程結束后會有動力繼續提升優化機構的設計方案與制作裝配，達到“做中學”的目標。因此，在機械制造實習課程中，將無碳小車模型作為實習教學的一個項目載體，讓學生完成模型設計、加工、裝配、調試、答辯等一個完整的制作過程，改變原先機械制造實習傳統的單一工種操作訓練模式，讓學生參與到制造環節的產品開發全流程，同時，無碳小車模型作為一個勢能驅動小車，在設計、制造裝配的一體化訓練中，能讓學生更深刻理解零件設計的技術要求、公差、裝配要求，從而使得學生能從系統功能的角度，對各個子部件的功能和技術要求有了更準確和更深入的認識。

2 傳統機械制造實習課程存在的問題

機械制造實習一直是機械專業的重要實踐實習類課程，實習設備與實習件均來源于生產實際，有利于培養學生的基本職業技能、綜合工程能力和創新能力，提升學生的工程意識和創新意識[4]。但目前的機械制造實習教學過程，存在著一些典型問題，不利于培養學生綜合創新實踐能力。

(1) 教學方法陳舊、教學內容單一 目前課程實習教學的模式很多是以示教型、驗證型為主[1]，教學內容多年來以階梯軸、小榔頭等零件為主，創造性不足，忽視了學生的學習的趣味性、主動性與積極性，不利于提升教學效果與能力培養，導致學生實踐制造能力差強人意。

(2) 實習件缺乏關聯性 機械制造實習課程中學生需要在多個設備工種完成實習件制作。但是實習工件存在“斷流”現象。比如：在普車工種實習中，簡單階梯軸是多年來一直使用的實習件；而簡單階梯軸在后續工種中都沒有使用，而在銑床、刨床實習所需要的實習工件，又需要重新完成，這既是實習材料的浪費，也不利于充分調動學生的學習興趣與學習主動性，缺乏對學生的綜合工程訓練能力的系統培養。

(3) 實踐教學重視度不足 盡管實踐動手能力是理工科學生必不可少的能力之一，部分師生為實習課程無關緊要，僅把實習教學看成是理論教學的補充。多年來的教案、實習件都是一模一樣。

(4) 實踐教學的教學評價體系不成熟 傳統實踐教學的教學評價標準主要參照學生理論學習的教學評價標準，以成績的高低進行評價，由此，無論是教師的教學能力還是學生的實踐課成績都沒有被公正而科學的評定。

當前依據“中國制造2025” 計劃，國家與社會對創新型、實踐型人才的都提出了新要求，機械制造實習課程的改革顯得迫在眉睫。我們考慮引入基于無碳小車的機械制造實習課程改革，提升實習項目趣味性和知識性，提升學生學習的主動性。

3 無碳小車模型制作在實習課程中的應用

傳統機械制造實習工種單一重復、繁雜[5]，不利于培養學生綜合工程訓練能力與創新思維能力。因此，選擇合適的機械制造實習課程的項目案例設計是一個綜合性的挑戰，需要考慮技術知識覆蓋的特點，既能通過訓練學生的加工制作技能，又可以鞏固機械基礎知識，同時增加學生主動學習的樂趣[6]。

無碳小車的模型結構設計需要學生機械設計和機械原理理論知識的儲備，將理論與實踐相結合，采用虛擬設計、仿真、優化，完善模型的結構設計與優化。模型制作與裝配需要學生綜合運用機械制造技術的理論及實踐知識點，綜合多工種、多工序：車、鉗、磨、數控加工，3D打印、激光加工等傳統與先進制造技術。讓學生實現“做中學”的目標[7]。

因此，在機械制造實習課程中，將無碳小車模型作為實習教學的一個項目載體，以無碳小車設計制作帶動學生完成全過程的工程實踐，學生分組分層次完成模型的結構功能設計、工藝設計、加工制作、裝配調試、答辯，改變原先機械制造實習傳統的單一工種操作訓練模式，讓學生參與到制造環節的產品開發全流程。并且可以使學生能從系統功能的角度，對各個子部件的功能和技術要求有了更準確和更深入的認識。教學任務框圖如圖2所示。

圖2 無碳小車模型項目教學任務框圖

無碳小車模型設計制作的任務如圖3所示。課程結合理論教學知識，采用查找資料、虛擬設計、小組討論、設計方案修改、零件制作、答辯等多種教學方法，通過技術探究讓學生和指導教師緊密結合在一起，學生自主探究式學習以融合理論與實踐的知識，根據設計任務，不同的零件，不同的材料，分解圖紙與技術要求，依據機械制造所學習的知識確定各零部件的加工工藝與加工方式，并選擇合適的設備：車、銑、刨、磨、鍛造、焊接、數控、線切割等，完成零部件的制造與裝配。在整個教學過程中，師生互動，教學相長，學生以團隊合作的形式完成無碳小車模型的制作[1]。

圖3 無碳小車模型設計制作任務框圖

在實習過程中，根據學生能力、專業知識差異，安排學生進行分組教學。項目小組任務分工主要由組長負責統籌，小組成員發揮其各自的特長，協作完成資料搜集、設計、繪圖、建模、測量、加工制造等任務，成功裝配后，通過調換角色，學生互助的方法再重新完成項目一次或若干次，以達到綜合訓練項目的目的。

部分小組同學，完成無碳小車“S路線”行走機構設計與制作后，按照全國大學生工程訓練競賽的要求，在賽道上比賽，總結經驗，不斷優化設計，直至取得最好成績距離；部分小組同學，要求完成無碳小車“S路線”賽道運行距離不少于1m的要求；部分小組同學，挑戰“8字形”賽道的無碳小車機構設計與優化，挑戰繞“8字形”賽道10圈的成績。對學生考核，以完成既定任務，學習到機械制造實踐知識為目標。

學生通過這種面向產品的設計制作實踐，能切身體會到如何綜合運用學到的機械制造工程知識，尋求解決實際工程問題的辦法[8]。無碳小車模型設計制作相比傳統的金工項目，更有利于調動學生的積極性，發揮學生的主觀能動性，讓學生能主動地參與到學習與探索中。

4 無碳小車模型制作項目的實踐與拓展

將無碳小車模型設計制作項目引入到機械學院機械制造實習課程，取得了很好的效果。經過學生反饋，能獨立思考，提升CAD工程圖紙繪制、三維建模及裝配、工藝分析及基礎金工實習中，鑄造、車削、銑削、鉗工等加工制作等基礎能力。比如：車床與數控車床分別加工飛輪、軸、軸套等零件，銑床加工底板，鉗工鉆孔、攻螺紋裝配等。在模型的設計與制作過程中，學生通過分工協作，能切實體會到工程知識如何運用到實際生產中，碰到問題，能從多方面途徑尋求解決實際工程問題，培養了學生的知識整合能力、創新實踐能力與合作交流的能力。

無碳小車模型項目教學調動了學生的積極性、學習主觀能動性。在東南大學的校級工程訓練競賽中，無碳小車項目的比賽獲獎選手均是參加過課程實習的同學，實踐證明，基于無碳小車模型的機械制造實習課程，增強了機械類學生的綜合工程訓練能力，通過“做中學，學中做”，使學生真正成為了工程實踐的主體，為培養創新型人才打下了良好基礎。

5 總結與展望

基于無碳小車項目的教學改革與實踐，改變了傳統的機械制造實習中單個零件加工的操作技能訓練模式，將“學徒式”的設備操作技能訓練變為學生自主探究性的學習。采用無碳小車模型創新教學融入到各實習教學模塊，增加了機械制造實習課程學習樂趣，培養了學生的綜合工程訓練能力，有效促進了實踐教學課內與課外結合，促進實驗室創新實驗平臺的建設與開放。

任何項目都存在著其一定的局限性與時效性，并且新的實踐教學方式對師資的綜合能力及理論水平提出了更高的要求，對實驗中心實驗室的開放與管理也提出了更高的要求。希望通過多方不懈的努力，使得基于無碳小車模型的教學方法進一步擴大應用范圍，更好的提升學習的興趣與動力，取得更好的教學效果，為學生的學習以及職業成長給出指引，達到培養創新型人才的目的。