基于工程教育專業認證的金工實習教學改革研究*

伍文進 ，徐瑋瑋 ，徐中云

（徐州工程學院江蘇省大型工程設備裝備檢測與控制重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

“金工實習”是一門面向工科類專業本科學生開設的實踐性公共基礎課程。它既是機械類專業學生學習力學類、機械設計類和機械制造工藝與裝備類等課程的先修課程，又是各工科類學生學習機械工程知識，培養實踐動手能力、提高綜合工程能力，培養工程情感、態度和價值觀不可缺少的實踐環節[1]。2016年6月，我國正式加入工程教育本科專業認證的國際互認協議——《華盛頓協議》，此舉標志著我國邁向了按照國際標準培養工程技術人才的新征程[2]。徐州工程學院工訓中心從社會對創新型人才培養的實際要求和工程教育認證標準出發，提出了以產品為載體的金工實習教學模式，通過兩年的改革實踐，在該校“材料成型及控制工程”專業認證過程中，改革成果獲得了專家的一致好評。

1 傳統金工實習教學模式的弊端

1.1 教學理念傳統，課程內容陳舊

多年來，實踐課奉行“訓練就是練習操作，只要照葫蘆畫瓢，按圖紙加工出來，就完成目標”的傳統實踐教學理念[3]，金工實習課程內容，基本按照如表1所示的工種順序進行實習，教師提供既定圖紙，加工材料由教師指定，加工工藝完全由老師安排，學生只是按照老師的演示和指導依葫蘆畫瓢的方式做了一遍。這樣的實踐理念與教學內容使得各工種指導教師各自為戰，各工種訓練的工件之間也沒有任何關聯，僅僅培養了學生的勞動意識和基本的設備操作能力。

表1 金工實習項目一覽表

1.2 師生比偏低，安全意識淡薄

工程訓練中心師生比偏低，這是高校存在的普遍現象，特別是隸屬關系為二級學院的尤為嚴重，如此低的師生比，對安全實習是極大的挑戰。每個班級實習前只進行簡單的實習動員和安全教育，由于未對安全教育知識嚴格考核，安全知識沒有真正做到“入腦入心”，導致實習過程中，不文明實習及違規操作的現象常常出現。同時，微課、慕課、金課的出現，教務部門將部分理論課時大幅縮減，為了完成教學工作量，課內實驗課和認識實習、專業綜合訓練等實踐課程也由理論教師授課，而理論教師對實驗實訓設備的熟悉程度遠不及實踐教師，甚至有的現學現賣，學生對實驗實習過程中安全操作規范理解不透徹，導致損壞實驗設備甚至引發事故的現象頻頻出現。

1.3 教學考核機制落后

如圖1所示，實習教學過程通常先進行通識安全教育，然后直接進入到各工種的基礎實訓中，各工種指導教師根據學生在本工種中的實習表現和工件的加工質量評分，再結合實習報告得分（幾乎為抄寫），按比例進行匯總得出實習總成績。

圖1 傳統金工實習教學模式框圖

綜上所述，通過這樣的訓練，學生熟悉了各設備適合加工什么類型的工件，及部分機械設備的具體操作方法，而對工程項目的需求分析、開發設計、質量保證、環境保護等幾乎不了解，也不追究工件未能達到圖紙要求的原因，甚至實習結束后學生也不了解零件的技術要求、公差要求及零件的裝配工藝等，更不清楚各工種之間的聯系，這樣只是按照老師的演示與指導被動地模仿與吸收的實踐模式，實習效果自然可想而知[4]。另外，不同專業類的實習目標沒有按照專業特點來設定，機械類、近機類、非機類學生實習內容幾乎一樣，只是時間長短不一，無法體現學生的專業特長，很難激發學生的主動性、積極性與創新意識。因此，這樣的模式已經不能完全適應現代工程技術發展對人才培養的要求，更不能培養出能駕馭未來智能制造發展方向的卓越工程師[5]。

2 以產品為載體的金工教學模式改革與實施

2.1 制定新課程目標

按照工程教育專業認證要求的重視培養學生動手能力和對工業企業適應能力的指導思想，工程訓練中心以材料成型與控制工程專業認證為契機，制定了以工程教育認證指標體系為指導的課程目標，如表2所示。

表2 課程目標與畢業要求的關聯矩陣表

課程目標1：熟悉傳統加工設備、數控加工設備的類型、特點和技術指標；掌握設備的結構原理與安全操作規范，能夠用所學工程基礎知識設計并確定加工工藝方案，了解工藝參數對加工工件的影響規律，具備設計、制定加工工藝卡的初步能力。

課程目標2：能夠理解并遵守機械工程職業道德和機械行業規范，培養學生的事業心、使命感和務實精神，增強職業適應性，縮短自我追求和社會需要的差距。

課程目標 3：以小組為單位開展創新加工，明確分工，合理協調，通過資料收集、工藝設計、裝配分析、成果匯報等環節，提升團隊協作、人際交往和組織協調能力。

2.2 構建以產品為載體的教學改革體系

按照課程目標，中心建立了基于開源FDM 3D打印機設計制造的實訓機制，按照分層次、模塊化、綜合式、開放型的教學改革思路，構建以學生為主體的“四個層次”的金工實習教學體系，如圖2所示。分設了安全教育、基礎實訓、綜合實訓、拓展實訓等各個實訓環節。具體實施時以FDM 3D打印機產品為最終目標，學生先了解該產品的具體功能，再分析各零部件之間的相互關系和各零部件工藝要素，然后分組完成零部件的制作，最后完成對該產品的裝配。整個過程以教師為指導，以學生為中心，強調以學生的主動學習為主，鼓勵自主探究，激發和支持積極思維，同時鼓勵對學習內容和過程的反思[6]。

圖2 以產品為載體的金工實習教學體系框圖

選擇FDM 3D打印機作為教學載體，主要有以下幾個方面原因。1）FDM 3D打印機適用范圍較廣，在機械、食品、建筑、藝術、環境等方面應用尤為廣泛，多數學生早已耳聞，但對設備工作過程和原理了解較少，開展這樣的產品實習可激發學生的好奇心與學習興趣。2）由傳統的演示+訓練教學方式轉換為引導式教學方式，激發學生學習的主觀能動性，將所學到的理論知識更好地與實際產品生產進行結合、驗證、優化[7]。3）FDM 3D打印機零件種類繁多，涉及板材、型材、軸類等方面的加工，學生可分組討論、加工、反思，能夠大大增強學生的責任心，可有效鍛煉學生的團隊協作精神和組織管理溝通能力。4）隨著國外3D打印機技術的開源化，有興趣的學生可進行持續性學習與提高，并有可能在不久的將來成為高新技術創業者。

2.3 新教學體系的具體實施措施

2.3.1 安全教育階段

安全教育是高校金工實習課程的重要環節，安全意識既是完成實踐任務的基本保證，也是工程技術人員應具備的一項基本素質[8]。如圖3所示，安全教育內容涉及通識安全知識、機械加工車間安全知識、設備安全操作規程三個方面，采用線上自主學習、線下面授相結合的方式進行學習，內容學完后應在規定時間內登錄“實驗室安全管理系統”進行線上考核，考核合格者方能進入實訓場地。

圖3 安全教育階段

2.3.2 基礎實訓階段

該階段以培養學生初步工程能力和基本的工藝技能為主要目標，培養學生熟悉或掌握基礎工程制造技術的基本能力。教學內容上設置車、銑、刨、磨、鑄、焊、鉗等傳統工種及數控車、銑、加工中心、線切割、激光加工、快速成型等現代制造工種的基本理論和基本操作技能，如圖4所示。

圖4 基礎實訓階段

2.3.3 綜合實訓階段

該階段安排在基礎實訓之后，依據選定的開源3D打印機進行產品設計（改進）、工藝選擇、加工制作、機械裝配、電子裝配、調試檢測等，考慮到專業類別，其中部分內容僅適用于機械類和近機類，如圖5所示。

圖5 綜合實訓階段

1）產品設計階段。該階段主要適用機械和近機械類學生，學生依據現有的開源3D打印機產品，如圖6所示，和中心現有硬件設備資源，運用SolidWorks軟件進行零部件設計、虛擬裝配、干涉檢查，確保產品設計的合理性和正確性。最后生成3D渲染圖，如圖7所示，和各工種加工所需二維工程圖紙如圖8、圖9所示。

圖6 開源3D打印機外觀

圖7 改進后的3D打印機外觀

圖8 鋁合金散熱器二維圖（數控車）

圖9 熱床支撐板二維圖（激光）

2）工藝階段。該階段主要引導各專業學生對每個零部件進行具體工藝分析，選擇對應的加工設備和相關的工、夾、量具等，制定較為合理的加工工藝路線。在工藝選擇的過程中，將學生分為若干小組，小組內每位學生均須參與討論，制定出本小組認為最合理的加工工藝方案，如表3所示。教師在此過程中可提供技術性指導，并對學生討論過程中產生的分歧進行具體協調，鼓勵學生大膽進行創新。

表3 工藝劃分與設備選擇

3）加工制作階段。在加工制作階段，各小組根據工藝方案進行分別加工，從而提高加工效率，按時完成產品制造任務。在加工時，各小組成員一定要得到教師允許方可獨立操作，其間不得離崗，如遇特殊情況需離開，必須報告指導教師。對操作者要求較高的工種，實習指導教師須全程陪同直至操作完成。

4）機械裝配階段。零件加工完畢后即可進行裝配，在此過程中，出現的諸如干涉、孔偏等原因導致的裝配問題，要分析原因所在，必要時向教師請求幫助，小問題通過鉗工工藝修正，修正不了的重新加工，直至最終完成裝配任務。

5）電子裝配階段。該階段僅適用于機械類和近機類，是將電源、控制板、電機、風扇、溫度傳感器、顯示屏等電子器件進行連線，通電前一定要通過萬用表等儀器進行線路檢測，尤其是電源部分的檢測，防止燒毀電子器件，造成不必要的損失。

6）產品調試階段。該階段可分為功能性測試和精度測試兩個過程，功能性測試主要檢驗產品是否牢固、運動方向是否正確、擠出頭與熱床加熱是否正常等；精度測試主要對尺寸誤差和形狀誤差進行檢測，當功能與精度符合預期的情況下視為完成產品實習任務。

2.3.4 拓展實訓

針對不同專業類興趣濃厚的學生，可在綜合訓練后設置一些拓展實訓環節。如圖10所示，藝術類專業可設置3D打印機外觀改進設計實踐；管理類專業可設置3D打印機營銷管理推廣實踐；電子類專業可設置3D打印機PCB板的優化、改進實踐等。

圖10 拓展實訓

3 教學模式改革成效

3.1 使學生受到系統的工程實踐訓練

實訓前，通過三級安全教育，簽訂安全承諾書和安全知識的考核，使學生的安全意識增強。在實訓過程中，有計劃、分層次、分階段、能力遞進進行培養。通過一個完整產品的設計、零部件加工、裝配等將各工種串接，使學生清楚了解各零部件之間的公差關系、精度要求、裝配關系，從而使訓練更加切合工程實際，提高了學生的現場應用能力。通過產品實訓過程中的分工合作、進度控制、問題解決等一系列事件處理，培養了學生嚴謹的工作態度和團隊協作精神。

3.2 使學生得到可持續的培養和提高

拓展實訓環節屬于個性化教育，針對不同專業類興趣濃厚的學生而設置，教師錄制的高質量微課，可輔助學生學習和創新。不同專業類的學生，可根據自己擅長或興趣方向，選擇某一拓展項目延伸學習，同時可參與老師科研項目或自由組合申報創新創業實踐項目。通過這樣有深度的訓練，不同專業類的學生能夠把學到的專業理論知識和金工實習時學習的獨立的、離散的工程實踐單元相結合，從而將它們有機串接和高度糅合，真正做到有利于綜合能力的培養和創新思維的訓練[9]。對個人能力較強的學生，可參與到產品的底層開發，并可申請發明專利，同時原創產品可參加校級、市級、省級、國家級各類競賽，從而使學生在大學整個階段持續不斷地將工程實踐與專業理論相結合，使學生的自主學習能力、實踐能力、創新能力與工程應用能力得到持續性的培養和提高。

3.3 明顯提升了學生學習的積極性

實習開始前，教師通過展示曾參加儀器設備展上留存的各類3D打印機設備圖片或打印過程視頻資料，把學生帶入問題情境、應用情境、直觀情境、虛擬情境、創作情境，以激發學生的研究興趣和潛能[10]。分組討論與加工合作，使學生學習的主觀能動性得到充分調動，學生對自己所學專業方向有了更加清晰的認識，為了解決在實訓過程中發現的問題，學生會主動查閱資料，然后再實踐，直至問題解決為止，大大調動了自身學習的積極性。

3.4 極大地提高了教師理論與實踐水平

實習過程中，教師全程參與學生討論，跟蹤學生設計制作中出現的問題并進行指導。在一個產品為載體的成功案例基礎上，教師可開發出更多的適合校情的教學載體，如寫字機、激光微雕機、雕銑機等，不同專業班級可選擇自己感興趣的項目，甚至可以根據教師的研究方向選擇指導老師，進行個性化實習教育，提高實習效果。在這樣的良性循環下，有利于教師理論與實踐水平的提高。

4 結語

在工程教育認證背景下，以產品為教學載體，按照“安全教育、基礎實訓、綜合實訓、拓展實訓”四個層次進行教學計劃的制定和實施。使不同專業類的學生作為學習的主體真實地參與整個制造過程，并把專業理論知識和金工實習中獨立的、離散的工程實踐單元相結合，將它們有機串接、高度融合，貫穿于整個大學階段的工程實踐教育過程。實踐證明，基于產品的工程實訓教學模式提高了學生的學習興趣、自主學習能力、實踐能力、創新能力與工程應用能力，教師在不斷開發新的教學載體的過程中也提高了理論與實踐教學水平，推動了金工實習課程健康、穩步、良性發展。