成形制造實踐教學平臺規劃與建設研究

高黨尋，姚啟明，楊建新，彭世廣

清華大學 基礎工業訓練中心，北京 100084

0 前言

成形制造是先進制造技術的重要組成部分，對一個國家的安全和經濟繁榮極其重要，是衡量一個國家制造技術水平和能力的重要標志，在我國許多關鍵制造業中發揮著不可替代的作用[1]。近10年來，我國制造業已形成一定的產業規模，成為名副其實的制造大國，但還不是制造強國。必須加快先進制造技術的發展，提升制造業核心技術和高端制造水平的競爭力，培養大批適應新制造領域要求的高素質創新型、應用型人才。作為高等工程教育重要承載之一的基礎工業訓練中心，實踐教學平臺對學生更好地掌握成形制造技術具有不可替代的作用[2]。建設教學體系完善、實踐項目豐富、實踐設備先進、具有多層次的高素質教學隊伍和科學信息化管理的成形制造實踐教學平臺，是符合國家人才培養政策的重要舉措[3]。

1 成形制造實踐教學平臺功能定位和建設原則

1.1 平臺功能定位

成形制造實踐教學平臺依托中心成形制造實驗室，是中心工程實踐教育基地和雙創教育基地的重要組成部分，平臺功能如圖1所示，針對成形制造技術開展本科學生工程訓練實踐教學和創新創業教育，研究成形制造過程中的科學和技術問題，并服務于開放院系的科研加工以及各項學生科技大賽活動。成形制造實踐教學平臺應突出系統性和先進性，能夠在行業內起到示范引領作用。

圖1 成形制造實踐教學平臺功能定位Fig.1 Function orientation of practice teaching platform for forming manufacturing

1.2 平臺建設原則

在中心遠景發展規劃的指引和領導下，努力建設一個先進、開放、高效的成形制造實踐教學平臺勢在必行。實踐教學平臺建設必須與高校的人才培養目標、學科發展戰略以及當前社會發展形勢相適應。其建設過程應遵循以下原則：

①以中心“十四五”規劃為基調，建設以基礎訓練及面向“中國制造2025”的系統化工程實踐教學平臺。

②以課程教學為核心，開發系統化、可操作、體驗度好、靈活性強的實踐教學內容[4]，搭建以多工藝、多工程、多案例及思政課堂為主的實踐教學平臺，課程內容除服務于本中心，同時也應服務于校內其他院系，形成高度融合格局。

③以學生為主體，能夠滿足不同學科背景、不同層次學生的實踐教學要求。

④平臺建設要涉及主要成形制造方法，從軟硬件設施、運營機制、科學研究、環境等多個維度開展。

⑤將成形制造的系統建設融入雙創教育及校級機電科研服務平臺中，建設開放的教學體系和服務平臺。

⑥能夠緊跟企業生產實際，實現工業級水準，打造校企融合的發展路子。

2 成形制造實踐教學平臺資源建設

2.1 平臺資源構成

成形制造實踐教學平臺現有面積約1380 m2，儀器設備240臺（套），其中單件30萬元以上的大型儀器設備12臺（套），固定設備資產總值（原值）1900多萬元。成形制造實踐教學平臺下設鑄造、鍛壓、焊接、弧焊機器人、熱處理、碳立方6個主題實驗室，如圖2所示。

圖2 成形制造實踐平臺資源構成Fig.2 Resources constitute of practice teaching platform for forming manufacturing

上述6大主題實驗室是成形制造實踐教學平臺的重要組成部分，是構成實踐教學平臺的有機單元，其面向特定的成形制造方法，具有各自的功能和特征，實驗室之間相互融合，共同組成成形制造實踐教學平臺。目前的軟硬件配置、教學課程、雙創項目等教學資源基本實現了優化配置。此外，平臺與中國鑄造協會，BREUCK 3D公司共建了藝術鑄造工作坊及全三維智能制造聯合研究，致力于在藝術鑄造、鈦合金及記憶合金方向共同研究，其研究平臺及成果應用于實踐教學、創新教學及平臺對外服務。

2.2 平臺硬件建設

建設與教學目標、課程體系和教學內容相適應的實踐教學平臺硬件設備是實現實踐教學平臺功能定位，提高工程實踐教學質量的基礎和有力保障[5]。

以弧焊機器人實驗室為例。實驗室主要針對先進焊接技術開展工程訓練實踐類教學，可以使學生了解現代制造業中先進的機器人焊接應用技術。實驗室擁有3個弧焊機器人工作站，6臺機器人，簡稱“6機3站”，包括1個雙機器人協同工作站（可完成卡車后驅車橋的模擬焊接）、1個單機器人工作站和1個多機器人弧焊工作站，如圖3所示。這樣的硬件建設主要是給學生一個更加真實的工程背景。弧焊機器人實訓室每年完成將近1 700名本科生的實踐教學，主要承擔低年級本科生金工實習、高年級專業基礎實驗課，以及相關選修課的實踐教學環節。實踐類課程的學生主要在實驗室進行基礎編程和弧焊應用等方面的訓練，基礎編程主要完成系標外輪廓在線示教自動運行，弧焊應用要完成1個典型構件的焊接，總之通過環節設置要拓寬學生對焊接技術在機械化、自動化發展方面的了解以及對數字化制造的認知。

圖3 弧焊機器人實驗室規劃Fig.3 Planning graph of arc welding robot laboratory

此外，通過不斷優化實踐教學體系，依托焊接實驗室的實踐教學，提升先進焊接技術的融入比，與原有的傳統焊接形成手工、機械化、自動化、智能化的成體系的教學平臺及方案布局。以工業機器人為載體，在此基礎上搭建焊接質量管理系統、免示教智能焊接系統，以及開發離線編程和虛擬仿真技術，進而構建先進焊接技術平臺，通過教學開發探索數字化、智能化的焊接實踐教學內容及成體系化的焊接實踐教學模式。最終豐富實踐教學的內容和模式，更好地為人才培養服務。

其他實驗室均是以上述原則進行硬件建設，緊密圍繞課程及教學要求，體現先進性、引領性和科學性。如鑄造實驗室在傳統的砂型鑄造實踐平臺基礎上，融入消失模鑄造及精密鑄造，既有手工實踐中的出力流汗、磨煉意志，也有消失模鑄造中的機械化制造和精密鑄造中的先進鑄造方法和工藝。同時，平臺在規劃過程中將精密鑄造與3D打印、虛擬仿真、逆向掃描和數控精雕以及木工進行了有機融合，如此，教學平臺能夠打破專業限制，不僅增強了課程綜合性和設計性，也是推進創新實踐教學改革的一個重要嘗試。

2.3 教學隊伍建設

成形制造實踐教學平臺之所以取得一系列成果，得益于長期重視師資隊伍建設。近年來，平臺創建了一支身兼教師、工程師和技師的三師型師資隊伍，實現了教學、科研、開放服務相結合的可持續發展機制。各實驗室組織考察交流，鼓勵一線教職工積極參加工程實踐和研究，舉辦教學和學術交流，制定科學有效的激勵政策，創造有利于一線職工成長的晉升環境和教研氛圍，同時也增強教學隊伍的工程意識和工程教育能力。此外，通過強化上崗培訓，舉辦教學技能比賽，提升崗位能力。目前，成形制造實踐教學平臺教師總人數14人，其中，副教授1名、高級工程師1名、高級技師1名、工程師2名、技師2名、其他技術人員7名。

2.4 平臺管理機制建設

成形制造實踐教學平臺將依托在建的中心信息化管理平臺及校內設備開放平臺，對實踐教學安排、過程、安全及平臺硬件設備預約與使用等各個環節進行科學有序地管理。此外，平臺內部也形成了自身應對實際問題的一系列管理舉措，如各實驗室行為細則公約、實驗室材料采購及科研服務流程試行方案、實驗室用氣瓶的安全管理、實驗室科研加工收費標準及明細等，最終形成與成形制造實踐教學平臺相適應的、能夠應對眾多管理問題的平臺管理機制。

3 成形制造實踐教學平臺教學建設

成形制造實踐教學平臺以優質實踐教學資源為基礎，創建了集工程訓練、工程文化素質訓練、跨院系專業課實驗、基礎課選修為一體，以模塊化訓練、項目導引案例實踐為基本特征，服務各教學單元及院系的實踐教學課程體系，并且訓練中心探索將創新創業教育融入工程實踐教育，創建了“面上普及、重點提高和綜合創新”的分層次創新實踐教學體系。

成形制造實踐教學平臺在國內高校率先探索，使工程實踐成為理工與人文社會學科交叉與融合的重要結合點。面向全校多個院系，開設近10門實驗、實習課程，其中3門國家級精品課程，如圖4所示。平臺通過系列實踐課程，服務校內、北京市和全國的各類創新賽事和創新實踐活動，成為清華大學培養拔尖創新人才的不可或缺的重要平臺。

圖4 成形制造實踐教學平臺支撐課程Fig.4 Courses of practice teaching platform for forming manufacturing

在教學內容方面，平臺從理念先進性、技術領先性、系統完備性、模式靈活性、知識融入性、思維啟發性、實踐落地性等多個維度，全方位打造基礎訓練與面向“中國制造2025”的系統化實踐平臺，形成以項目制、產品導引和任務驅動為特征的教學內容。實現對學生系統化工程思維、綜合工程實踐能力，以及工程素質的全面培養。近年來，清華大學著力推進德智體美勞五育并舉，在勞動教育方面充分利用課程教學這一育人的主渠道進行推動。訓練中心作為全校最大的工程訓練實踐基地，在勞育方面具有先天的屬性優勢。成形制造實踐教學平臺依托項目內容，通過借助工程案例、人物故事、當前社會熱點和教師自身素養傳達思政觀點。廣泛尋找制造工程與思政元素的“植入”點，增強課堂渲染力，潛移默化中影響學生的思維和行為，引導學生樹立正確的勞動意識，從而將思政元素的育人功能與學生實踐教學進行有機結合，最終由點帶面、“潤物細無聲”地達到價值塑造的目的。

4 結論

成形制造實踐教學平臺是清華大學基礎工業訓練中心教學平臺的重要組成部分，對人才培養、科學研究及開放服務具有重要現實意義。本文從平臺功能定位和建設原則、平臺資源建設、平臺隊伍及管理機制、教學建設4個主要方面進行了規劃和總結。立足于科學的構建，成形制造實踐教學平臺將全面把握“十四五”時期發展的新任務新要求，堅定不移地貫徹中心的發展理念，構建平臺新發展格局，不斷物化新舉措，積極開展平臺建設、管理及開放融合工作，努力推進資源共享和優化力量配置，服務院系，不斷提升隊伍能力，推動平臺各項工作的高質量、可持續發展。