基于項目制的焊接實踐教學模式探究

高黨尋，姚啟明，高炬，彭世廣，王龍兵，徐江波，周冰科

摘要：闡述以渦噴發動機燃燒室焊接制造為案例開展的工程實踐教學模式。在燃燒室設計、材料選擇、零件成形、焊接加工以及后處理的理論基礎上，通過動手實踐了解沖壓、焊接、切割、熱處理加工等基本的成形制造方法。實踐項目注重理論聯系實際，強調知識獲取過程、知識綜合運用和創新能力，加深學生對一般焊接產品制造工藝過程的系統認知。通過團隊協作式的勞動實踐，培養工程素養（含勞動素養）、工程實踐能力及創新精神。同時，通過讓學生親自動手制造噴氣發動機，激勵和引導學生產生投身航空事業的熱情，進而提升實踐教學效果。

關鍵詞：燃燒室;實踐教學;焊接加工;工程能力

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0104-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.20

0? ? 前言

自金工實習過渡至工程訓練后，其內涵發生巨大變化。在教學理念上已經將學習技術技能和轉變學生思想作風為主體的訓練模式轉變為融傳授知識與文化、加強學生實踐能力和培養創新能力為一體的新模式。在實踐過程中要營造突出綜合性、實踐性、設計性、研究性、創新性為特點的工程實踐[1]。

機械制造實習作為高等院校實踐教學的重要組成部分，對培養學生的工程實踐能力、提高學生的工程素質有著突出意義。近年來焊接實踐教學針對新的教學理念做了很多嘗試，尤其在突出創新性和實踐性方面開發了一系列的教學方案，并在本科生實踐教學中予以實施，成效顯著。為了更好地培養學生的工程素養（含勞動素養）、工程實踐能力及創新精神，加強教學內容的設計性、研究性和創新性，清華大學基礎工業訓練中心對焊接實踐教學內容和教學方式進一步開展改革嘗試。通過重新整合教學環節，精心設計教學內容，將焊接教學內容和環節與實際工程技術和工業實驗技術相結合，以微型渦噴發動機燃燒室的制造為項目開展實踐教學。改革實踐教學模式，積極開展研究式、討論式教學，充分調動學生學習的積極性，提高學生對知識的理解和應用能力，啟發學生的創新思維，從而加強學生工程素養、工程實踐能力及創新精神[2]。

1 焊接項目制教學的內容和實踐

渦噴發動機的燃燒室（見圖1a）是燃料或推進劑在其中燃燒生成高溫燃氣的裝置，是一種用耐高溫合金材料制作的燃燒設備。渦噴燃燒室是渦噴所有部件里最為核心的零件，直接影響到渦噴的工作性能。燃燒室的零件主要由三個部分組成：第一部分是前機加安裝邊;第二部分是后激光加工安裝邊; 第三部分是鈑金筒體。上述三個部分焊接成為一個整體組成構件，見圖 1b。

1.1 教學內容

在實踐教學中，學生嘗試以燃燒室作為焊接實踐項目的教學過程，從搞清產品功能所需，到設計選材、備料、零部件成型，直至焊接方法選取、工藝制定、成品效驗，能夠使學生了解到真實的焊接產品所需要的焊接工藝流程，同時也認識到焊接領域的先進制造方法。在此基礎上，還可嘗試采用電子束焊、微束等離子焊對基體材料進行相關的焊接工藝研究，不斷探索燃燒室的多種焊接制造工藝。實踐教學內容及流程設計如圖2所示。

根據焊接實習基地所具備的教學資源和燃燒室制造加工的特點，將其制造分成以下5個教學環節：

（1）確定設計。以理論的方式，交流探討燃燒室零部件在發動機運行中的作用，了解其功能、組成及制造工藝流程。要求學生應用所學的相關課程的理論和生產工藝知識，熟悉機械零部件的構造、應用以及在整機中起到的作用，通過一系列實際訓練，能夠提出自己對零件進行優化以及進行適當改進的獨特見解。最終確定燃燒室的原型設計。

（2）通過與指導老師在材料知識與具體工藝方面的知識交流，對燃燒室進行開發實踐。確定其零件采用的材料、選用的成形工藝、如何測量等，以實現各零件的功能。

（3）制定制造工藝流程。在設計和開發的基礎上，學生制定零件加工、裝配、焊接、后處理的工藝流程，詳細梳理其制作工藝。前后壁、內外筒體采用激光切割（展開）;內置噴管采用線切割;內外筒采用桌面及三輥滾圓機卷圓，卷圓成形后焊接的筒體須再用滾圓機矯正曲率;各部位接頭采用不同的焊接方法，以確保焊接變形最小及減少焊接缺陷出現的風險。

此外，采用階梯式分階段課程的形式可將燃燒室的設計、制造、裝配等全過程納入到成形制造實驗室的數字化平臺，如圖3所示，從而進行全生命周期管理，整合并充分利用相關的軟硬件資源，形成燃燒室設計制造一體化的課程內容，培養學生的系統性思維與全局觀。圍繞產品所涉及的各個環節，為學生展示當前先進的產品研制模式和制造方法，使其能夠在未來科研過程或實際工作中，不局限于自身的研究方向或工作內容，而是從產品價值鏈或企業產品研發制造的角度，系統性地理解專業內容。

（4）現場實際加工。以前期內容制定為指導，現場指導人員為助手，完成指定路線的加工過程。

（5）安裝及質量檢測。

1.2 實踐方案

渦噴發動機燃燒室制作采用理論與實踐、研究與創新、學生團隊與教師隊伍相結合。在實踐過程中，采用以學生為主體的主動式實踐教學，學生根據教學基本要求進行實際操作，結合分組討論的形式，側重工藝研究和動手實踐，讓學生在訓練中發現問題，并找出解決問題的方法，最大程度地發揮學生的主動性和創造性。教師在整個過程中充當助手角色。

例如，在焊接過程易出現兩方面問題：一個是燃燒室結構變形;另一個是焊縫出現燒穿缺陷。針對上述問題分析原因，幫助學生歸納應對解決方案如下：（1）合理設計接頭形式，為保障焊接質量，各結構基本采取對接接頭;（2）制定合理的焊裝順序，以降低產品的焊接變形，見圖4b;（3）采用適當的裝夾工具，部分區域采用自制夾具，通過剛性固定，降低變形;（4）特定焊接接頭采用適當的焊接方法。

通過上述分析問題、解決問題的過程，基本能夠解決加工中的實際問題，從而在教學過程中培養學生發現問題、分析問題進而解決問題的能力，同時也調動了學生的實踐積極性和創造性。

2 結論

項目制的焊接實踐教學模式探究旨在通過各環節設置，從激發學生實踐志趣、燃燒室設計開發，到制造加工，再到發動機裝配及測試，利用閉環式教學讓學生產生系統的制造意識。學生在課程中可以親自動手制造噴氣發動機，激勵和引導學生產生投身航空事業的熱情，為我國航空事業輸送高水平人才。課程中做到工程與工藝相結合，實踐與理論相結合，有利于培養懂工藝、知前沿、有抱負的工程師乃至科學家。通過團隊協作式的勞動實踐，培養學生的工程素養（含勞動素養）、工程實踐能力及創新精神。

以微型渦噴發動機燃燒室零部件制造為例開展焊接項目制教學，其內容和模式仍有待進一步完善和改進，教學觀念轉變是推進教學開發和改革的有力抓手。我們相信，只要堅持轉變教學觀念，并腳踏實地的去實踐，新的實踐教學模式將展現出更好的前景。

參考文獻：

[1]高黨尋，姚啟明，王龍兵，等，弧焊機器人實踐教學設計[J].電焊機，2015，45（12）：155-157.

[2]高炬，高黨尋，培養學生的探索精神與創新意識——談工程訓練的教學方法[A].現代教學理論與實踐指導全書[C]. 中國文聯出版社，2010.

[3]王斌耀，徐鑒.全局觀在培養學生思維方式中的重要作 用[J ].力學與實踐，2006（3）：74-75.

[4]高黨尋，姚啟明，楊建新，等.弧焊機器人實踐教學平臺的建設與規劃[J].焊接技術，2020，49（8）：79-82

[5]喬佳，高黨尋，姚啟明，等.探究式學習在弧焊機器人實踐教學中的應用[J].電焊機，2018，48（11）：112-116.