基于情境認知的航空制造生產實習模式探究

2024-05-29 22:52:46孟慶實趙昌葆王朔

高教學刊 2024年15期

孟慶實趙昌葆王朔

摘? 要：生產實習是工科實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。分析目前生產實習中存在的問題，以航空鈑金制造為例，提出基于情境認知的航空制造生產實習模式，包括完整反映航空制造過程的全景式真實情境，多層次、多角度的開放式實踐任務，面向問題的高效互動工作群體以及基于問題解決過程的成績評價四個部分。通過工程問題解決實現(xiàn)場景、任務、人員和過程緊密集成的生產實習模式，促進工程知識的轉化和遷移，提高工程實踐能力的培養(yǎng)水平，為制造工程類專業(yè)人才的培養(yǎng)提供參考模式和應用實踐。

關鍵詞：航空制造；生產實習；情境認知；鈑金制造；工程問題

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）15-0159-05

Abstract： Production practice is a key link in the cultivation of practical ability and innovative ability of engineering students. This paper analyzes the problems existing in the current production practice. Taking the aviation sheet metal manufacturing as an example， it puts forward the aviation manufacturing production practice mode based on situational cognition， including four parts： panoramic real situation that fully reflects the aviation manufacturing process， multi-level and multi-angle open practice tasks， efficient problem oriented interactive working groups， and performance evaluation based on the problem solving process. Through engineering problem solving， the production practice mode integrating scenes， tasks， personnel and processes is realized， which promotes the transformation and migration of engineering knowledge， improves the training level of engineering practice ability， and provides a reference mode and application practice for the training of manufacturing engineering professionals.

Keywords： aeronautical manufacturing; production practice; situational cognition; sheet metal manufacturing; engineering problems

提高工科教育水平、培養(yǎng)高素質的工程技術人才已經成為全社會的共識，也引起了國家的高度重視，不管是卓越工程師計劃，還是新工科建設，都突出體現(xiàn)了上述目標[1-2]。目前，高校工科教學中最接近工程實際的是生產實習，生產實習是進入生產單位，了解產品特點、研發(fā)現(xiàn)狀、制造環(huán)境、生產組織和車間運行等內容，從工程實際中發(fā)現(xiàn)問題并利用專業(yè)知識解決問題，提高觀察能力、分析能力、動手能力和解決問題能力的實踐學習過程[3-4]。生產實習不僅提供了一個專業(yè)知識綜合應用的實踐環(huán)境，也反映了共同愿景下任務分工、技術協(xié)調和團隊合作的真實情境。這些都是學校課堂教學和實踐教學無法再現(xiàn)的，充分利用生產實習機會，積極融入生產實踐，著力提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，是工科學生培養(yǎng)的一個關鍵環(huán)節(jié)。

一? 生產實習的現(xiàn)狀與對策

高校工科專業(yè)是培養(yǎng)高級工程技術人員的主力軍，承擔著為社會輸送高層次工程技術人員的責任。然而，從二十世紀九十年代開始一大批企業(yè)面向市場經營轉型，加之高校擴招后學生數(shù)量大幅增長，生產實習操作難度增大，企業(yè)出于安全與效率方面的考慮，在學生動手操作上更加謹慎。因此，很多時候學生只是在教師帶領下按照既定路線流水式參觀生產現(xiàn)場，或者在會議室翻看企業(yè)提供的技術資料。這樣的實習活動大部分學生興趣索然、漫不經心，極少主動探詢技術問題或請教技術人員。在企業(yè)不計成本提供生產實習環(huán)境的前提下，實習團隊無法給企業(yè)留下良好的印象，企業(yè)支持生產實習的熱情降低在所難免[5-6]。

為了改變上述局面，高校應主動改變思路，努力挖掘自身潛力，積極探索生產實習的創(chuàng)新模式。首先，要讓學生找到實踐學習的切入點，前提是將眾多單科的“零散”知識通過企業(yè)實踐聯(lián)系起來，構建全面反映產品整個研制生產過程的場景，使學生明白特定工程問題在產品開發(fā)中的“定位”，理解活動的邏輯和事件的因果，這樣學生才容易將理論和實踐結合起來，探索有實際價值的解決方案。其次，要使學生深度參與到生產實踐中，而不是停留在瀏覽式地觀察、膚淺地了解和簡單地操作，要獲得分析和解決實際工程問題的機會，并就明確的問題與企業(yè)技術人員進行深入交流和探討，而不是聆聽企業(yè)人員對生產過程的介紹。再次，要使學生獲得獨立思考的空間，通過對企業(yè)產品研制生產過程的了解，發(fā)現(xiàn)實踐中存在的問題，嘗試提出自己的解決方法。企業(yè)產品開發(fā)涉及到市場、設計、工藝、工裝、質量、供應和生產組織等各個方面，引導學生從不同的角度觀察和分析。因此，高校要積極主動、充分籌備，提前安排教師進廠調研，按照生產實際調整當年的實習內容，并與企業(yè)協(xié)調好場地和人員；教師要重視實踐、勤學不輟，平時下功夫拓寬知識面，多了解生產實踐和行業(yè)狀況，經常交流、互相學習，強化工程實踐能力[7-8]。

二? 工程實踐與情境認知

工程問題的解決離不開具體的工程環(huán)境，以制造工程為例，工程環(huán)境包括產品對象、研制設施、生產條件、人員組成、技術水平、組織機構和管理體系等，任何產品開發(fā)和生產制造等活動，都是在上述諸多因素作用下完成的[9]。在特定的工程環(huán)境下，技術人員以某種身份承擔團隊分派的任務，通過與團隊成員的交流和合作，借助各種資源解決具體的工程問題，在實踐中不斷學習和成長，隨著能力的提升，以更重要的角色參與更具挑戰(zhàn)性的工作。上述場景反映了在真實情境中的認知和學習的過程，即在真實情境中通過相互協(xié)作完成實際任務，同時提高解決問題的能力[10]。

生產實習提供了通過現(xiàn)場實踐認知工程現(xiàn)象和學習專業(yè)知識的環(huán)境，與情境認知與學習的過程完全契合，將情境認知的理念用于生產實習，構建基于情境認知的生產實習模式，可以最大限度地利用生產實習單位的資源和環(huán)境，調動學生學習的積極性，強化學生解決工程問題的能力[11]。鈑金制造是航空航天產品制造重要內容，也是飛行器制造專業(yè)生產實習的主要項目。本文以飛機主機制造企業(yè)的鈑金分廠為例，闡述了飛行器制造專業(yè)基于情境認知的鈑金制造生產實習模式。

三? 基于情境認知的生產實習

基于情境認知的生產實習模式包括情境構建、任務規(guī)劃、群體互動以及反饋評價四個方面。學生在真實的實習情境中，與企業(yè)人員形成一個群體，在企業(yè)支持下完成真實任務，教師和企業(yè)對實習成績進行評定，如圖1所示。

（一）? 全景式的實習情境

飛機產品具有結構復雜、零部件數(shù)量眾多、制造方法各異和對協(xié)調配合要求高等特點，鈑金零件作為飛機結構的重要組成部分，其制造過程影響到氣動性能、結構效率、使用壽命和生產成本等多個方面[12]。飛機鈑金制造質量要求高、協(xié)調因素多、準備周期長且工作量大，再現(xiàn)飛機鈑金制造的真實情境，必須從產品對象、制造方法、生產方式等方面進行考察，只有全面反映鈑金制造的真實情境，才能確切理解具體生產環(huán)境下的制造活動、生產決策和管理方法。

以手打成形為例，大部分航空主機制造企業(yè)保留手打成形作業(yè)，原因在于飛機除了蒙皮、框、肋等大鈑金，還有用于支撐、連接、協(xié)調的小鈑金，使用橡皮錘、橡皮條和簡易型胎手打制作操作簡便、生產靈活；此外，手打成形人員也是鈑金零件修整的主要力量。學生理解了這一背景，就不會產生認識偏差。可以通過觀察手打成形操作過程直觀地認識塑性變形的完整路徑，分析變形路徑對成形質量的影響，體驗操作人員對材料收放的精準控制，感受融合了知識、經驗和技能的新時代工匠精神。

鈑金制造的真實情境是理解所有研制生產活動的依據(jù)，也是鈑金制造生產實習中現(xiàn)場學習的出發(fā)點。理解鈑金制造生產實習情境的角度、內容及范圍見表1，由表1可知，全景式的鈑金制造生產實習情境以鈑金零件研制生產為主線將各種相關要素聯(lián)系在一起，將具有意識、能動性和學習能力的人和各種事物、活動、技術、群體及文化結合在一起。

（二）? 開放式的實習任務

全景式的鈑金制造生產實習情境提供了廣闊的觀察視界和學習空間，教師可以因勢利導，尊重學生的開放性選擇，規(guī)劃不同的實習任務。與學校的課程實驗及工程實訓不同，進駐企業(yè)的生產實習，關鍵目標不是現(xiàn)場操作和技能訓練，而是全面、完整地了解制造過程，發(fā)現(xiàn)存在的工程問題，嘗試運用專業(yè)知識解決工程問題，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力[13]。

鈑金制造全景式的真實情境中包含的內容非常豐富，教師在特定的場景下要有所側重，比如在車間現(xiàn)場主要觀察制件的塑性變形，以及模具和設備的作用方式；在工藝段主要了解工藝方案的制定依據(jù)，以及工藝參數(shù)的確定方法；在工裝段主要了解工裝的結構形式，以及工裝對成形過程的影響。同時，鼓勵學生現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)工程實際中的各種問題，尤其是學校教學中未出現(xiàn)的解決方法，比如不同形狀和數(shù)量的混合排樣，成形和切削相結合制造鈑金零件，板材多種下料方法的靈活運用，一胎多模的工裝設計思路，成組零件的柔性成形等。可以因人而異安排開放式的實習任務，學生興趣被激發(fā)的同時也開闊了思維，在具體工程背景下探索不同的解決方法，本身就是在實踐中創(chuàng)新的過程。圖2給出了鈑金制造生產實習的開放式任務類型，可以滿足學生各個層次的探索需求，學生根據(jù)興趣和能力選擇具體任務，在生產實習情境中嘗試解決。

（三）? 高效互動的工作群體

鈑金制造生產實習中，學生以新手身份存在于真實情境中，通過完成特定任務，了解專業(yè)背景和實踐環(huán)境，獲得實踐知識和解決問題能力，增強專業(yè)素養(yǎng)，塑造工程師品格。學生與企業(yè)技術人員、操作人員由于面對共同任務而形成緊密聯(lián)系的工作群體——小組，實習教師作為群體外圍的輔助者。學生解決工程問題的過程中，通過與技術人員和操作人員之間的互動得到技術和資源方面的支持。鈑金制造生產實習中的群體互動關系如圖3所示。學生為了深度融入群體，必須主動接受企業(yè)文化，遵守安全、保密和紀律方面的行為規(guī)范，尊重每一個崗位，從而實現(xiàn)更好的互動，獲得更廣泛的支持[14]。

1? 群體成員間的互動方式

面向開放式任務形成的群體中，學生作為任務的推動者和完成者，與技術人員、操作人員進行大量的互動；教師作為外圍輔助者，起引導和助推作用，與企業(yè)員工之間的交流也必不可少。

學生與操作人員之間的互動：鈑金制造生產實習中，解決工程問題的第一步是準確地理解問題，學生須通過與操作人員交流，搞清楚問題的背景和約束作為解決問題的前提條件。例如，分析鈑金零件的成形缺陷需要了解缺陷形式和產生頻率，以及設備狀態(tài)、模具構型、成形條件和毛坯類型等信息。與操作人員的互動，不但可以了解問題產生的原因，而且可以獲得實踐操作知識，將抽象問題和具體情境聯(lián)系起來，便于從中找到解決問題的線索。

學生與技術人員之間的互動：技術人員是企業(yè)的技術開發(fā)者，也是主要的技術協(xié)調者，對問題有深刻的理解。學生解決工程問題離不開實踐經驗，與技術人員交流探討，可以不斷積累經驗知識。例如，在分析鈑金零件成形缺陷原因時，技術人員了解凸凹模尺寸、加載情況、毛坯形態(tài)和摩擦狀態(tài)等因素對材料流動的影響，能提供有價值的意見。技術人員的支持具有關鍵作用，他們可以審查學生制定的方案并評判其實施效果，使學生能夠借助于正確實用的方法解決問題。

教師與企業(yè)員工之間的互動：新的生產實習模式下，實習教師必須轉換角色，為了實現(xiàn)學校教學與工程實踐的緊密結合，營造學校和企業(yè)之間良好的合作氛圍，實習教師除了向企業(yè)人員虛心學習外，還要主動與企業(yè)進行技術交流，分享最新的專業(yè)知識和研究成果，積極參與、解決企業(yè)的技術難題，回饋企業(yè)付出的同時深化學校和企業(yè)之間的合作關系。

2? 互動過程中的知識轉化

生產實習的真實情境下，學生通過現(xiàn)場觀察和體驗，可以獲得許多碎片式的工程知識，例如鈑金零件的手打成形操作、裝配定位的手工調整、熱處理狀態(tài)的目視確認、材料組織的聲音識別和制件缺陷的直覺判斷等，這種繼承于前人或來源于實踐，獲得成功應用但沒有明確表述的知識，稱為隱性知識。學生獲得隱性知識后，要運用專業(yè)知識分析現(xiàn)象背后的原因，并與企業(yè)人員交流探討，得到可以具體指導實踐的顯式知識[15]。

工程實踐中廣泛運用到各類經驗知識，它們以隱性知識或顯性知識（例如參數(shù)的經驗取值、結構的設計要領、工序的操作要求）的形式存在。經驗知識是企業(yè)實踐過程中積累的財富，學生接觸到經驗知識時，要嘗試發(fā)掘其中蘊含的理論和原則，在技術人員和實習教師的幫助下進行歸納和驗證，盡可能形成具有明確應用條件的理論知識。

將隱性知識轉化為顯性知識，或使經驗知識上升為理論知識，都是對工程現(xiàn)象或規(guī)律更進一步的認識，都是學生深入理解工程問題、探索工程實踐的過程。個人將實習情境中獲得或轉化的各類工程知識共享到群體中，既可以使之得到充分檢驗，又有助于群體任務的推進，增強群體的聚合力，從而促進群體成員之間更積極的交流互動。

（四）? 基于過程的成績評價

在真實的實習情境下，存在多種類型和難度不同的實習任務，無法采用統(tǒng)一標準和最終結果進行評價，需要實習教師全面掌握學生實習的過程和動態(tài)。真實情境中生產實習成績評價側重以下幾個方面。

1）獨立思考：生產實習過程中，要充分利用企業(yè)產品研制生產的真實情境，積極引導學生認真觀察、用心體會和深入分析，擺脫先驗知識的束縛，發(fā)現(xiàn)實踐中存在的問題，問題本身就是實踐過程改進的方向。為了培養(yǎng)學生獨立思考的習慣和敏銳的洞察力，發(fā)現(xiàn)問題作為成績評價的重要組成部分。

2）工程思維：實際問題往往具有許多約束，除了技術外還要考慮成本、周期、安全和環(huán)保等。學生解決工程問題時，要與企業(yè)人員積極交流，全面了解企業(yè)的實踐活動，在折衷權衡的基礎上得出解決辦法，鍛煉工程問題解決能力。為了培養(yǎng)學生的工程思維和工程視野，將調查、交流、分析及決策等過程納入成績評價[16]。

3）小組協(xié)作：大部分工程問題涉及面比較廣，分解后各子問題相互耦合，為了達到總體目標，小組內成員需要協(xié)商一致，部分成員需要作出調整和讓步。為了培養(yǎng)學生的團體意識和協(xié)作精神，成績評價應包含對團隊價值的認可和群體合作中的行為。

四? 實施方法和效果

飛行器制造專業(yè)大四年級2個班學生在某飛機主機制造企業(yè)鈑金廠實習3周時間，本專業(yè)在保持“面向工程、注重實踐”傳統(tǒng)的基礎上，持續(xù)改進教學過程，探索真實情境下的生產實習模式，已經完成了六屆學生的生產實習。按照鈑金廠的產品類型、任務飽和度和員工數(shù)量組成若干個實習小組，每個小組包括幾名技術人員和操作人員，考慮學生意愿的前提下大體平均分配至各小組，在企業(yè)人員的幫助下完成實習任務。實習教師分派到指定的小組，負責該組的現(xiàn)場引導、過程跟蹤和日常管理。不同的實習任務所需的時間不盡相同，實行彈性時限，進駐企業(yè)的實習周期結束后，未完成的工作允許返校后繼續(xù)，甚至在實習任務基礎上進一步擴展深挖，完成畢業(yè)設計。最終的成績由各組的企業(yè)負責人和實習教師共同評定。

實踐證明，基于情境認知的生產實習模式可以激發(fā)學生的專業(yè)實踐熱情，開闊學生的專業(yè)視野，培養(yǎng)學生對工程實踐的洞察力，提高解決工程問題的能力。畢業(yè)生選擇在本專業(yè)就業(yè)的比例平穩(wěn)增長，后續(xù)觀察和用人單位反饋表明，學生入職后短時間內就能融入團隊，并較快地承擔起重要的專業(yè)工作。

五? 結束語

基于情境認知的航空制造生產實習模式，構建了航空零件生產制造的全景，為學生提供了發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程問題的真實背景，學生在此情境中開放式地選擇工程問題作為實習任務，與企業(yè)的技術人員和操作人員形成密切互動的群體，在企業(yè)和教師的引導和幫助下完成任務，在獲得經驗知識的同時鍛煉了解決實際問題的能力。飛行器制造專業(yè)的生產實習實踐，說明了該模式能夠有效地激發(fā)學生的學習積極性和專業(yè)熱情，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力，達到新工科背景下創(chuàng)新型高級工程技術人才的培養(yǎng)要求。

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