面向機(jī)械工程訓(xùn)練的學(xué)習(xí)工廠平臺建設(shè)

文章編號：1671-489X（2025）06-0020-04 DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.020

0 引言

學(xué)習(xí)工廠是指基于真實(shí)的生產(chǎn)與運(yùn)營管理過程，面向高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的多種功能整合的實(shí)踐學(xué)習(xí)場所，旨在呈現(xiàn)真實(shí)的生產(chǎn)過程，創(chuàng)造直接指向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)工廠不是對工業(yè)生產(chǎn)型工廠的簡單復(fù)制，而是在強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)論基礎(chǔ)上，為學(xué)生提供的一種優(yōu)化學(xué)習(xí)過程[1]。學(xué)習(xí)工廠創(chuàng)新組織結(jié)構(gòu)，通過模擬真實(shí)的工程環(huán)境，依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)具體的工程實(shí)踐內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)與工程教育的有機(jī)融合，教學(xué)效果顯著。2019年8月，教育部工程訓(xùn)練教學(xué)指導(dǎo)委員會組織了首次“學(xué)習(xí)工廠研修班”，赴德國羅伊特林根大學(xué)和波鴻魯爾大學(xué)進(jìn)行研修，參加人員包括清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、大學(xué)等國內(nèi)15所高校的16名骨干教師，旨在學(xué)習(xí)德國工程教育經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)我國工程訓(xùn)練教學(xué)改革。

眾所周知，工程訓(xùn)練中心作為工科高校中教學(xué)規(guī)模最大、學(xué)生受眾人數(shù)最多的綜合性工程實(shí)踐與創(chuàng)新教學(xué)新模式載體，形成了融通識教育、工程教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和社會服務(wù)于一體的功能定位[2]。工程訓(xùn)練課程的初衷是培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，因此，以工程認(rèn)識訓(xùn)練、工程基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)作為主要教學(xué)內(nèi)容。目前，新工科建設(shè)明確要求深化產(chǎn)教融合，加強(qiáng)校企合作[3]。近年來，經(jīng)過多方努力，我國產(chǎn)教融合在體制機(jī)制、政策規(guī)劃、專業(yè)設(shè)置等宏觀改革上取得了突破性進(jìn)展，但在課程設(shè)置、教學(xué)實(shí)施、學(xué)習(xí)活動等微觀層面上問題依舊突出，工程教育學(xué)術(shù)化現(xiàn)象依舊明顯，特別是將產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)化為工程訓(xùn)練具體教學(xué)內(nèi)容，目前尚未形成系統(tǒng)有效的方法和路徑[4]。此外，校企合作穩(wěn)定性也不高[5。由于雙方培養(yǎng)目標(biāo)不統(tǒng)一，育人過程中雙主體對各自需要承擔(dān)的教學(xué)責(zé)任不明確，難以在理念和行動上達(dá)到深度融合[6]。

大學(xué)機(jī)械工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心借鑒德國波鴻魯爾大學(xué)學(xué)習(xí)工廠的教學(xué)理念，構(gòu)建了無限逼近真實(shí)應(yīng)用的產(chǎn)品批量生產(chǎn)工學(xué)結(jié)合平臺，實(shí)踐內(nèi)容覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工業(yè)生產(chǎn)的全流程，在真實(shí)的工程實(shí)踐環(huán)境中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教深度融合，架設(shè)教育界與產(chǎn)業(yè)界的橋梁，為產(chǎn)教融合、學(xué)科交叉融合提供了新途徑。

1產(chǎn)品設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)工廠是一種學(xué)習(xí)環(huán)境，在這種環(huán)境中，流程和技術(shù)基于真實(shí)的工業(yè)步驟，允許直接進(jìn)入產(chǎn)品創(chuàng)建流程。波鴻魯爾大學(xué)學(xué)習(xí)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品為一款紅酒保鮮塞，面向工業(yè)工程專業(yè)的學(xué)生開展工業(yè)4.0下的精益生產(chǎn)教學(xué)，包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和物聯(lián)網(wǎng)等教學(xué)內(nèi)容。考慮到知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)備資源、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對象等諸多因素，對產(chǎn)品進(jìn)行了再設(shè)計(jì)（圖1）。在確保產(chǎn)品滿足使用要求且符合行業(yè)規(guī)范的前提下，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及零件結(jié)構(gòu)簡化，適合學(xué)生制作，加工過程也更加體現(xiàn)機(jī)械工程訓(xùn)練的課程要求。

該產(chǎn)品由塞體、膠圈、壓環(huán)、旋鈕和徽標(biāo)等五個零件組成。按照食品行業(yè)規(guī)范要求，塞體和壓環(huán)選用304不銹鋼材料。膠圈外購，選用食品級硅膠材料。由于旋鈕不跟紅酒接觸，故選用硬鋁或塑料均可。徽標(biāo)選用鏡面不銹鋼板，用激光切割出圓片并打標(biāo)。

2教學(xué)平臺建設(shè)

2.1零件加工工藝方案制定

依據(jù)零件材料和形狀特征，制定紅酒塞零件加工工藝方案（表1）。

2.2產(chǎn)品生產(chǎn)線建設(shè)

為構(gòu)建“服務(wù)學(xué)習(xí)、真實(shí)體驗(yàn)”的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)情境，按照產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求配置零件加工設(shè)備。塞體加工分為兩個工序，分別在兩臺數(shù)控車床上完成，第一道工序是加工螺紋端三個臺階軸和螺紋，第二道工序是加工塞體的錐體部分。壓環(huán)加工選用車削中心，一個工序就可完成主體加工，去毛刺安排在裝配生產(chǎn)線工位1完成。旋鈕外形和底孔加工在一臺斜床身數(shù)控車床上完成，旋鈕鍶孔和攻絲安排在裝配生產(chǎn)線上完成。徽標(biāo)選用鏡面不銹鋼材料，首先用金屬激光切割機(jī)切出圓片，然后用激光打標(biāo)機(jī)制作標(biāo)識。產(chǎn)品包裝采用亞克力透明瓶，用3D打印制作酒塞底托，在瓶蓋上激光打印校徽或?qū)W生設(shè)計(jì)的個性化圖案。

產(chǎn)品裝配規(guī)劃建設(shè)六個工位。工位1：壓環(huán)去毛刺；工位2：粘貼標(biāo)牌處旋鈕孔；工位3：旋鈕攻絲；工位4：標(biāo)牌粘貼；工位5：產(chǎn)品組裝；工位6：產(chǎn)品包裝。紅酒塞生產(chǎn)線如圖2所示。按照企業(yè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)要求，裝配線 1～4 工位的鉗工操作全部設(shè)計(jì)制作專用工裝夾具，確保零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3項(xiàng)目式教學(xué)主要知識點(diǎn)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目式教學(xué)是在教師指導(dǎo)下，以學(xué)生為中心，通過完成一個完整的實(shí)踐性項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動。它要求學(xué)生運(yùn)用已有的知識和經(jīng)驗(yàn)，親歷實(shí)踐過程，在具體情境中解決實(shí)際問題，進(jìn)而鍛煉提高自身的綜合能力[]。作為產(chǎn)教融合、學(xué)科交叉的工程訓(xùn)練教學(xué)平臺，該項(xiàng)目包含了機(jī)械制造、工業(yè)工程、工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)諸多知識點(diǎn)。

3.1掌握專業(yè)知識和操作技能

產(chǎn)品生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)制造或優(yōu)化相關(guān)的工裝夾具，組織生產(chǎn)需要運(yùn)用工業(yè)工程相關(guān)知識，零件加工需要使用數(shù)控車床、車削中心、3D打印機(jī)、金屬激光切割機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等多種設(shè)備，這些都是機(jī)械工程師必備的專業(yè)知識和操作技能。

3.2編制完備的生產(chǎn)文件

按照企業(yè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)要求，制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序。編寫每個加工單元的職能，人員崗位職責(zé)，部門工作流程，跨區(qū)域協(xié)作流程，生產(chǎn)工藝流程，設(shè)備操作和維修規(guī)范，現(xiàn)場管理和作業(yè)秩序管理制度，產(chǎn)品裝配圖、零件圖、工藝卡、工序卡等技術(shù)文件。

3.3配備專用工裝夾具、量具

不同于單件生產(chǎn)，批量生產(chǎn)為了獲得較高的生產(chǎn)效率和加工精度，大多選用專用工裝夾具，如彈簧卡套等；除了配備通用量具外，在生產(chǎn)過程中更多使用專用量具，比如通規(guī)、止規(guī)等。

3.4合理配置生產(chǎn)要素

工程訓(xùn)練為了確保安全，車削用量選擇比較保守，很少使用或僅用毛刷涂抹切削液，這樣加工零件不僅效率低，表面粗糙度也往往較差。產(chǎn)品生產(chǎn)體驗(yàn)按照企業(yè)批量生產(chǎn)的要求，根據(jù)加工材料選用相應(yīng)的可轉(zhuǎn)位刀片，選擇高轉(zhuǎn)速、合理的背吃刀量和進(jìn)給量，全程使用切削液，以提高刀具使用壽命，保證加工質(zhì)量，提高加工效率。

3.5推行精益生產(chǎn)管理模式

精益生產(chǎn)是運(yùn)用現(xiàn)代管理方法和手段，充分發(fā)揮人的作用和資源的配置作用，通過最大程度地減少浪費(fèi)、優(yōu)化流程來提高生產(chǎn)效率的一種新型生產(chǎn)方式[8]。其基本含義就是通過持續(xù)改進(jìn)措施，在整個企業(yè)范圍內(nèi)降低所有生產(chǎn)活動中的各種資源消耗并使之最小化的生產(chǎn)哲學(xué)。在布局加工設(shè)備和裝配線時，綜合考慮人、機(jī)、料、法、環(huán)等五種因素，最大限度地減少浪費(fèi)。依靠自動化和準(zhǔn)時化兩大支柱，對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的資源配置與管理，最大限度降低成本，提高效率。

3.6實(shí)行5S現(xiàn)場管理

5S是指在生產(chǎn)現(xiàn)場中對人員、機(jī)器、材料等生產(chǎn)要素通過開展整理、整頓、清掃、清潔等活動進(jìn)行有效管理的一種方法[9]。5S是企業(yè)實(shí)施現(xiàn)場管理的有效方法。具體而言，工作區(qū)域不得擺放與生產(chǎn)無關(guān)的雜物；所有工裝卡具、量具、原材料、半成品、成品等必要物品按照三定原則（定點(diǎn)、定容、定量），有序放置，標(biāo)識顯著；環(huán)境清掃制度化、規(guī)范化，做到有章可循、有據(jù)可依；確保加工區(qū)域環(huán)境整潔、干凈，并能長久保持，其目的是通過宣導(dǎo)和要求培養(yǎng)規(guī)矩意識，促進(jìn)良好工作習(xí)慣的養(yǎng)成。5S現(xiàn)場管理模式如圖3所示。

3.7開展專業(yè)相關(guān)研究

學(xué)習(xí)工廠聚焦整體，面向過程和跨學(xué)科，構(gòu)建具體化、場景化和任務(wù)式的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境，以“做中學(xué)”、基于問題和行動導(dǎo)向的教育理念開展實(shí)踐教學(xué)。項(xiàng)目涵蓋產(chǎn)品批量生產(chǎn)的完整工作過程，融合不同學(xué)科與領(lǐng)域知識，涉及具體情境，因而，工程實(shí)踐的知識不但涉及顯性的理論知識，還涉及技能和意志、態(tài)度、動機(jī)等過程性、情境性的知識。參與者要根據(jù)自己的興趣和未來職業(yè)規(guī)劃，植根實(shí)踐，面向現(xiàn)實(shí)需求，著力培養(yǎng)工程觀、質(zhì)量觀、系統(tǒng)觀[10]。

3.8探索以學(xué)生為中心的多元化學(xué)習(xí)方式

學(xué)習(xí)工廠改變了以往灌輸式的教學(xué)方法，教師角色從傳統(tǒng)課堂的主導(dǎo)者變?yōu)橛蟹椒ā⒂杏?jì)劃的協(xié)助者［11]。從學(xué)生角度看，它是一種新的模式，注重學(xué)生體驗(yàn)，讓學(xué)生利用各種資源，通過多元化的學(xué)習(xí)方式解決實(shí)際問題。

1）體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，學(xué)生依次體驗(yàn)機(jī)床操作工、產(chǎn)品工程師和企業(yè)經(jīng)理三種不同角色，開展機(jī)床操作、零件加工、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和產(chǎn)品優(yōu)化、提質(zhì)增效等工作，通過親身實(shí)踐，分析并理解獲得的理論知識和專業(yè)技術(shù)知識，將其用于解決實(shí)際的工程問題。

2）基于問題的學(xué)習(xí)。在實(shí)踐中提出問題，分析、討論問題，運(yùn)用相關(guān)理論知識和實(shí)踐技能，通過參與者的行動和互動，最終解決問題。

3）基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。以項(xiàng)目為載體，依靠團(tuán)隊(duì)合作，通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，推動項(xiàng)目持續(xù)改進(jìn)。

4）研究性學(xué)習(xí)。在真實(shí)生產(chǎn)流程中，通過確定研究問題，查閱文獻(xiàn)，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型，最終產(chǎn)生研究結(jié)果。

多元化的學(xué)習(xí)方式應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，旨在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識，提升學(xué)生的綜合工程實(shí)踐能力。圖4為學(xué)生生產(chǎn)的部分產(chǎn)品。

3.9構(gòu)建學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺

鼓勵學(xué)生團(tuán)隊(duì)依托平臺開展創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐。面向市場需求，將訂單管理、設(shè)備管理、耗材管理、能源管理、人力資源管理等精益管理方面的知識與產(chǎn)品生產(chǎn)相結(jié)合，通過一個批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程的完整體驗(yàn)，開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、成本分析、項(xiàng)目管理、產(chǎn)品銷售、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等產(chǎn)品全生命周期的探索。將產(chǎn)教融合的培育培訓(xùn)轉(zhuǎn)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模式[12]，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品生產(chǎn)體驗(yàn)向公司運(yùn)營體驗(yàn)的過渡，培養(yǎng)勇于投身實(shí)踐的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。

4結(jié)束語

大學(xué)機(jī)械工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建成的無限逼近真實(shí)應(yīng)用的學(xué)習(xí)工廠，匯集了生產(chǎn)制造、教學(xué)培訓(xùn)、研發(fā)探究等多元功能。依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)和管理的全流程與生涯發(fā)展的全過程確定學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)組織“目標(biāo)一過程一方法”相協(xié)同的教學(xué)實(shí)踐，在組織結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)與工程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，將工程實(shí)踐過程轉(zhuǎn)化為具體的工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容。從模擬工廠到模擬公司，為全方位鍛煉學(xué)生的認(rèn)知能力、溝通能力、產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力提供穩(wěn)定的產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)平臺。

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