工程問題驅(qū)動的塑性成形專業(yè)畢業(yè)設(shè)計新模式

相 楠，郭俊卿，皇 濤

（河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471000）

引言

先進制造技術(shù)的快速革新對人才知識結(jié)構(gòu)與能力、創(chuàng)新意識和知識更新、工程教育界與產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同合作提出了新要求［1-2］。上述因素對包括塑性成形類高級技術(shù)人才在內(nèi)的裝備制造行業(yè)人才培養(yǎng)提出了更大的挑戰(zhàn)。如何培養(yǎng)適應(yīng)先進制造行業(yè)發(fā)展需求，融入企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的塑性成形工程高級技術(shù)人才是新形勢下高校塑性成形專業(yè)教學(xué)活動中面臨的主要課題。

通常，通過主干課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握部分知識點或者一類知識點，但是，依據(jù)每門課程成績無法判斷學(xué)生是否充分、熟練地掌握了相關(guān)知識，并能夠在復(fù)雜工程問題中合理運用。以“塑性成形數(shù)值模擬”課程為例，通過課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠使用Dynaform、Deform等有限元分析軟件對板料拉深、棒料鐓粗等簡單成形過程進行仿真分析，即“會用”［3-4］。但是，難以對于實際零件成形過程進行合理的仿真分析，其原因在于對板材材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、尺寸、界面摩擦、工序設(shè)計等多重因素的影響估計不足，即難以將仿真手段“用得好”“用得精”。

而畢業(yè)設(shè)計（論文）可以將各門課程的知識點串聯(lián)起來，通過畢業(yè)設(shè)計，可以判斷本科教育能否達到培養(yǎng)目標以及對于培養(yǎng)目標的達成程度［5-6］。鑒于國內(nèi)大多數(shù)高校塑性成形專業(yè)通過了工程教育專業(yè)認證，畢業(yè)設(shè)計（論文）更是踐行“產(chǎn)出導(dǎo)向教育”（Outcome-based Education,OBE）理念的核心環(huán)節(jié)［7-8］。

然而，由于傳統(tǒng)教學(xué)模式、評價體系和學(xué)生知識架構(gòu)的局限，現(xiàn)行的畢業(yè)設(shè)計（論文）模式嚴重背離工程教育專業(yè)認證的產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念［9-11］。受限于此，現(xiàn)行畢業(yè)設(shè)計（論文）模式難以滿足新時代下我國高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)要求，嚴重制約了本科學(xué)生綜合能力的提升，降低了本科學(xué)生在就業(yè)市場的競爭力。因此，以實際工程問題為載體，并以此驅(qū)動塑性成形專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）的模式創(chuàng)新，對于引導(dǎo)學(xué)生主動融入并適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需求，促進“產(chǎn)出導(dǎo)向教育”理論在塑性成形教育教學(xué)領(lǐng)域的推廣和拓展具有重要意義。

一、塑性成形專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）的常規(guī)組織形式及存在的問題

以河南科技大學(xué)塑性成形專業(yè)2018—2020屆的畢業(yè)設(shè)計（論文）為例。其中，成形工藝及模具設(shè)計類比例約占78%；學(xué)科前沿研究類比例約占13%；新方法、新工藝、變形過程控制類等比例約占6%；模擬與解析建模類比例約占3%。可見，成形工藝及模具設(shè)計是占據(jù)絕大多數(shù)的。但是，在對該類選題進一步分析后發(fā)現(xiàn)，該類選題主要存在以下幾個方面的問題：（1）設(shè)計內(nèi)容與工程實際脫鉤嚴重，學(xué)生與產(chǎn)品、企業(yè)、生產(chǎn)線不接觸，工藝設(shè)計和模具設(shè)計脫離設(shè)備、送料形式、坯料材質(zhì)、批量、環(huán)保要求和經(jīng)濟性等實際因素；（2）設(shè)計內(nèi)容缺乏遴選和系統(tǒng)設(shè)計，其深度、廣度和新穎性無法充分保障，存在深度過深或過淺、任務(wù)量不足等問題；（3）學(xué)生認為畢業(yè)設(shè)計（論文）對其工作或升學(xué)幫助不大，學(xué)習(xí)積極性低，投入精力不足。

顯然，脫離工程實際、忽視內(nèi)容導(dǎo)向性和學(xué)生參與度的塑性成形專業(yè)傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）體系無法達到工程教育產(chǎn)出導(dǎo)向理念要求的教學(xué)目標。

二、塑性成形專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）的模式優(yōu)化及革新

（一）構(gòu)建“以解決實際工程問題為導(dǎo)向，多口徑并行”的畢業(yè)設(shè)計（論文）柔性選題機制

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目應(yīng)是工程實踐中急需解決的問題或?qū)W術(shù)界關(guān)注的研究熱點，題目應(yīng)具有實用價值或理論意義，并與國家經(jīng)濟戰(zhàn)略的方向一致。具體改進措施如下。

1.優(yōu)化畢業(yè)設(shè)計（論文）選題導(dǎo)向及課題結(jié)構(gòu)。題目要符合企業(yè)、工廠、社會工程實際，保障題目的真實性、創(chuàng)新性和先進性，并能夠提供充分的設(shè)計依據(jù)。

2.基于工程化導(dǎo)向，拓寬畢業(yè)設(shè)計（論文）選題口徑。通過引入企業(yè)的實際工程設(shè)計項目，派遣學(xué)生深入企業(yè)承擔部分設(shè)計任務(wù)，參與教師主持的工程類研究項目以及開放式選題、探索性選題等方式，實現(xiàn)多種選題模式并行。

3.建立畢業(yè)設(shè)計（論文）選題預(yù)先篩選制度，用“適合”的學(xué)生做“合適”的課題。針對不同類型的題目設(shè)置不同的選題要求，做到因材施教、量力選題。

（二）以產(chǎn)學(xué)研合作育人為抓手，建立“企業(yè)主導(dǎo)、教師協(xié)作”的畢業(yè)設(shè)計（論文）過程管控機制

指導(dǎo)教師要保證題目的深度、廣度可以達到畢業(yè)設(shè)計（論文）教學(xué)目標的要求，同時充分調(diào)動學(xué)生的積極性。具體措施如下。

1.將企業(yè)的工程需求合理匹配于畢業(yè)設(shè)計（論文）教學(xué)目標中。面對企業(yè)的工程設(shè)計或研究需求，需要首先對擬解決的問題進行分析和拆解，提煉出與塑性成形專業(yè)相關(guān)的設(shè)計或研究關(guān)鍵點。

2.通過企業(yè)與教師的協(xié)作，監(jiān)控畢業(yè)設(shè)計（論文）目標，并監(jiān)督學(xué)生獨立開展畢業(yè)設(shè)計（論文）。在開展畢業(yè)設(shè)計（論文）的過程中，企業(yè)工程技術(shù)人員負責對學(xué)生的設(shè)計或研究過程進行校核，教師負責對學(xué)生的設(shè)計或研究方向和規(guī)范性進行指導(dǎo)，學(xué)生應(yīng)當好企業(yè)工程技術(shù)人員的助手，通過獨立思考和分析開始實際工作，真正成為課題的主角。

（三）建立“面向工程實際，鼓勵開放式探索”的畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量評價機制

在畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量評價方法方面，需要將學(xué)生解決工程問題的能力單列考查，并提升其評分權(quán)重。重點考查學(xué)生在解決實際工程問題過程中，對于工藝、材料、模具、設(shè)備、技術(shù)經(jīng)濟性、過程管理等的處理策略。由企業(yè)技術(shù)人員和教師評價其設(shè)計的實用性、可行性、規(guī)范性、創(chuàng)新性和先進性，作為評分、推優(yōu)的主要評價指標。學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）成績應(yīng)由企業(yè)技術(shù)人員、指導(dǎo)教師和設(shè)計單位共同給出，畢業(yè)設(shè)計（論文）得分作為需求企業(yè)錄用學(xué)生的重要參考。

三、新模式下的畢業(yè)設(shè)計實施案例及成效評估

（一）教學(xué)設(shè)計

為了評價上述畢業(yè)設(shè)計（論文）模式的可行性及效果，開展了為期三屆（2020—2022屆）的教學(xué)試點工作，參與試點的學(xué)生來自河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院塑性成形專業(yè)，每屆選擇學(xué)生8～10人。試點時間為本科第四學(xué)年上學(xué)期第18～20周以及本科第四學(xué)年下學(xué)期第1～16周。其中，包含“雙向”選題2周、畢業(yè)設(shè)計（論文）16周。具體環(huán)節(jié)包括：確定題目、選題、下達任務(wù)書、開題、中期檢查、畢業(yè)答辯。

新型畢業(yè)設(shè)計（論文）模式開展過程中，教師主要從以下幾個方面提升課題的工程導(dǎo)向性以及保障教學(xué)質(zhì)量：（1）通過企業(yè)調(diào)研和研討，確定適合于塑性成形專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）的實際工程問題范圍、性質(zhì)及其與塑性成形專業(yè)關(guān)鍵知識點的結(jié)合性；（2）在主持的科研項目中選擇合適的應(yīng)用背景，為學(xué)生提供工程設(shè)計課題，實現(xiàn)教學(xué)、研究相輔相成；（3）在畢業(yè)設(shè)計（論文）選題階段，與學(xué)生座談，溝通課題主要內(nèi)容、知識基礎(chǔ)、能力要求、就業(yè)去向等問題，為不同學(xué)生匹配不同類型的課題；（4）定期組織畢業(yè)設(shè)計（論文）進展報告會，檢查學(xué)生工作進展，嚴格考核每個階段的課題進度，為學(xué)生指明解決問題的思路或途徑。

（二）教學(xué)實例

以2022屆某本科畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計為例，介紹一下實施細節(jié)。該生畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容為盒形端蓋零件的沖壓工藝及模具設(shè)計，所設(shè)計的目標零件為薄壁殼形零件，該零件在盒形拉深結(jié)構(gòu)上帶有筒形凸起，形成了復(fù)雜的階梯形幾何特征，成形工藝具有一定復(fù)雜性，課題來源于洛陽市某耐火材料生產(chǎn)企業(yè)。

在分析了盒形端蓋零件的使用要求、生產(chǎn)要求、材料特性、批量、設(shè)備噸位和形式等實際因素后，確定了“落沖—拉深—反拉深—局部校形—二次拉深—二次校形—切邊”的生產(chǎn)工序；對毛坯尺寸、拉深次數(shù)、壓力中心、成形工藝力、凸凹刃口尺寸和公差、成本效益等進行了詳細計算；采用落料沖孔復(fù)合模、拉深反拉深復(fù)合模、二次拉深模、切邊模以及兩套整形沖頭完成零件生產(chǎn)；使用板料成形有限元分析軟件ETA/Dynaform輔助計算毛坯尺寸，并模擬分析了各工序的成形過程，基于模擬結(jié)果優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)和工藝方案；采用Solidworks、UG等計算機輔助設(shè)計軟件繪制了二維和三維模具零件圖及裝配圖，并撰寫了設(shè)計說明書。依據(jù)設(shè)計結(jié)果，與工廠配合加工了成形模具，并試制了樣件，成形試件滿足了設(shè)計和使用要求。

（三）成效評估

由于該畢業(yè)設(shè)計課題來源于企業(yè)的實際工程問題，設(shè)計方案是否可行以及設(shè)計方案的優(yōu)劣直接決定了能否低成本、高效率地實現(xiàn)零件生產(chǎn)，這是企業(yè)盈利的關(guān)鍵。因此，要優(yōu)先保證工藝的可靠性，并盡可能降低模具成本，提高產(chǎn)品精度。因此，學(xué)生應(yīng)充分考慮生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的影響因素和實際工況，增強他們對于企業(yè)生產(chǎn)過程的整體理解，這是傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）模式難以實現(xiàn)的。同時，為了保證工藝和模具的可行性，要求學(xué)生必須開展工藝仿真分析，不能僅憑工藝計算來確定工藝方案和模具形式，這就避免了傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）結(jié)果不能反映實際工藝過程、無法實現(xiàn)生產(chǎn)的問題，使得學(xué)生真正可以解決復(fù)雜工程問題。此外，為了保證圖紙的規(guī)范性和準確性，要求學(xué)生使用三維計算機輔助設(shè)計軟件繪制立體模型，然后轉(zhuǎn)為二維圖紙，過程更加直觀，避免了直接繪制二維圖紙可能出現(xiàn)的錯誤，提升了學(xué)生使用設(shè)計和造型工具的能力。

概括起來，采用新型畢業(yè)設(shè)計（論文）模式后，學(xué)生直接面向?qū)嶋H工程問題和科技前沿開展畢業(yè)設(shè)計（論文）工作，其工程思維能力大幅提升，對計算機輔助設(shè)計、計算機仿真分析軟件等工程工具的掌握更加扎實，設(shè)計結(jié)果真實可靠，能夠直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，使學(xué)生具備了解決較為復(fù)雜的工程問題的能力，效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）模式。

結(jié)語

以企業(yè)實際工程問題為驅(qū)動，在選題、過程管理、質(zhì)量評價三個方面對塑性成形專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）的模式進行優(yōu)化，能夠有效解決傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）脫離生產(chǎn)實際、學(xué)生積極性低、難以達成“產(chǎn)出導(dǎo)向教育”目標的問題。在試點過程中，學(xué)生的工程視野大幅拓寬，采用工程思維考慮問題的能力有了較大提升，對于工程工具的掌握程度由單純的“會用”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆炀毷褂谩保瑥亩軌蛴稳杏杏嗟貞?yīng)對工程問題中的設(shè)計難點。與傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計（論文）模式相比，新型畢業(yè)設(shè)計（論文）模式使得學(xué)生敢于面對復(fù)雜工程問題，具備了從整體上對工程問題進行分析和判斷的能力，能夠使用計算機軟件對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行輔助設(shè)計或分析，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力有了大幅提升。