基于多種實踐模塊的工程綜合能力訓練教學改革研究

0 引言

為了培養(yǎng)掌握現(xiàn)代科學技術(shù)和具備熟練操作技能的應(yīng)用型人才，亟待開展實踐教學改革。實踐教學的設(shè)置應(yīng)環(huán)節(jié)合理、內(nèi)容豐富、計劃規(guī)范，確保學生在不同階段能夠逐步深化對專業(yè)知識的理解與應(yīng)用[。城市理工學院工程訓練中心在原有實驗教學的基礎(chǔ)上，針對已修完金工實習基礎(chǔ)實踐課程的機械工程專業(yè)的學生，開設(shè)工程綜合能力訓練必修課，以提高學生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力等綜合工程能力[2]。經(jīng)過三周120個學時的訓練，學生在較短的時間內(nèi)提升了應(yīng)用能力，不僅通過課程考試獲得了學分，還獲得一定的見習機械設(shè)計工程師的設(shè)計能力，為畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后的工作奠定了知識和技能基礎(chǔ)。

1工程綜合能力訓練課程介紹

1.1工程綜合能力訓練改革歷程與訓練安排

工程綜合能力訓練是城市理工學院針對機械專業(yè)學生開設(shè)的一門進階實踐課程，其前身為強化訓練。該課程自2009年開設(shè)，設(shè)置了兩個強化訓練方向：1）數(shù)控中級工應(yīng)會技能訓練，主要是機械專業(yè)數(shù)控技術(shù)方向的學生參加，培訓后進行考試考核，以及參加數(shù)控中級工證書考試獲取技能證書[3]；2）模具制造中級工應(yīng)會技能訓練，主要是機械專業(yè)材料成型及模具設(shè)計方向的學生參加，培訓后進行考試考核，以及參加模具中級工證書考試獲取技能證書。2014年，針對設(shè)計與控制專業(yè)方向的學生設(shè)立第三個強化訓練方向，即見習機械設(shè)計工程師操作技能訓練，學生通過培訓進行考核獲得課程學分，同時選報中國機械工程學會組織的見習機械設(shè)計工程師資格考試，獲取見習機械設(shè)計工程師證書。

隨著國家技能考證的改革，結(jié)合學校機械工程專業(yè)現(xiàn)狀，從2018年起將數(shù)控加工和模具鉗工裝配內(nèi)容綜合性地融入見習機械設(shè)計工程師操作技能訓練，從而形成一個新的集CAD、CAE和CAM，以及數(shù)控、傳統(tǒng)加工和模具鉗工裝配于一體的工程綜合能力訓練課程體系。為了更好地服務(wù)大四學生的畢業(yè)設(shè)計，2022年，學校對工程綜合能力訓練課程進一步創(chuàng)新和改革，增加了模流分析、焊接工作站等拓展訓練模塊。

工程綜合能力訓練課程安排如表1所示。其中，模塊1到模塊4屬于基礎(chǔ)模塊，這四個模塊緊密相扣，需先在CAD軟件中繪制好三維模型，然后導入CAM軟件編寫加工程序，接著到數(shù)控銑床和普通銑床加工零件，最后把所有零部件裝配起來，進行裝配尺寸的測量；模塊5到模塊8屬于拓展模塊，主要服務(wù)大四學生的畢業(yè)設(shè)計，提供了有限元分析、分模及模流分析、機器人工作站設(shè)計和智能產(chǎn)線等訓練任務(wù)。這些內(nèi)容要在三周的時間內(nèi)完成，有很大的強度和難度，對教師和學生都是一個 挑戰(zhàn)。

表1工程綜合能力訓練課程安排

1.2工程綜合能力訓練目的和任務(wù)

新工科建設(shè)背景下，應(yīng)用型人才培養(yǎng)不再是掌握單一的知識和技能，而是要培養(yǎng)技能、知識多元化的復合型技術(shù)人才[4]。工程綜合能力訓練不是一門單一的技能訓練課程，而是一門綜合性很強的實踐課程，通過多種實踐模塊進行驅(qū)動。因此，工程綜合能力訓練的目的在于培養(yǎng)學生的工程綜合能力，使他們具備見習機械設(shè)計工程師所需要的技能素質(zhì)，并能為學生的畢業(yè)設(shè)計提供一定的幫助。

工程綜合能力訓練的主要任務(wù)是：學生通過上機和實操方式，學習三維軟件建模（SolidWorks）、機床加工和裝配（數(shù)控銑床、普通銑床和鉗工）、有限元模擬分析（ANSYS）、智能注塑成型及仿真（ProE、Moldflow）、機器人工作站設(shè)計（DELMIA）和智能產(chǎn)線（IRobotSIM）等多種模塊內(nèi)容。訓練結(jié)束后，通過各模塊的考核，完成工程綜合能力訓練報告。

2工程綜合能力訓練基礎(chǔ)內(nèi)容與拓展內(nèi)容

2.1工程綜合能力訓練基礎(chǔ)內(nèi)容

當代大學生除了需要熟悉一定的本專業(yè)的基礎(chǔ)知識，還需要理解、掌握本專業(yè)的設(shè)計和開發(fā)流程，以及全周期、全流程的新產(chǎn)品實現(xiàn)過程[5。因此，工程綜合能力訓練的基礎(chǔ)內(nèi)容設(shè)定為完整設(shè)計和制造一個綜合性強、趣味性強的坦克模型，包括四個模塊。

2.1.1 CAD建模強化模塊

教學采用SolidWorks計算機輔助設(shè)計軟件，該軟件是一個基于特征、參數(shù)化、實體建模的設(shè)計工具，采用Windows圖形用戶界面，易學易用，因此在較短的學習時間內(nèi)更容易開展教學。利用SolidWorks軟件，可以創(chuàng)建全相關(guān)的三維實體模型，利用自動的或者用戶定義的約束關(guān)系來體現(xiàn)設(shè)計意圖。該模塊學習要求學生掌握軟件快捷鍵及其設(shè)置，繪制二維草圖，完成拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征的建模與修改；完成裝配體的配合、生成爆炸視圖與動畫，進行碰撞和干涉檢測；生成各種工程圖，插入并編輯尺寸。具體的任務(wù)是要按照圖紙要求，完成一個坦克模型的零件繪制并裝配起來，包括炮塔、車身、炮管和車輪等。坦克模型裝配圖如圖1所示。

2.1.2 CAM數(shù)控加工模塊

學生在數(shù)控加工模塊的學習主要是完成坦克模型的炮塔零件的編程與加工。學會PowerMill數(shù)控軟件的編程方法，熟悉數(shù)控銑床加工的零件對象與數(shù)控加工工藝安排，掌握數(shù)控銑床的基本操作方法。最終完成炮塔零件的數(shù)控編程，在數(shù)控銑床上完成零件加工。

2.1.3 普通銑床加工模塊

普通銑床加工的是坦克模型的車身零件。首先要求學生熟悉普通銑床各部件的操作使用，包括主軸的變速、自動進給等，掌握普通銑床刀具的選用安裝方法、工件的裝夾方法，以及對刀步驟和銑削方式的選用；接著閱讀零件加工圖紙，制定加工工藝方案；最后完成坦克模型車身的銑削加工。

2.1.4裝配調(diào)試模塊

裝配調(diào)試模塊主要是在鉗工車間完成。該模塊要求學生了解鉗工與裝配的特點和應(yīng)用、裝配常用的設(shè)備和工量具、鉗工與裝配的基本操作，掌握劃線、鋸削、銼削、鉆孔、攻絲、套螺紋等操作要領(lǐng)和安全注意事項。學生最終使用鉗工工具完成坦克模型的其他零件（炮管和車輪）的加工，利用鉗工裝配技術(shù)把所有的零件組裝起來，完成坦克模型的總裝配。最終組裝好的坦克模型如圖2所示。

圖1坦克模型裝配圖

圖2組裝好的坦克模型

2.2工程綜合能力訓練拓展內(nèi)容

學生在基礎(chǔ)模塊學習中完成一個模型的設(shè)計和制造的流程，并獲得一定的成果，提高了綜合能力。在此基礎(chǔ)上對學生進行拓展訓練，增強學生多方面的軟件操作能力。拓展內(nèi)容包括四個模塊。

2.2.1 ANSYS模擬分析模塊

教學中采用的是經(jīng)典有限元分析軟件ANSYS，該軟件分析類型豐富，操作循序漸進。該模塊的訓練題目主要來源于《見習機械設(shè)計工程師資格考試指南》（第2版），同時參考見習工程師證書歷年考試題目。要求學生不僅掌握ANSYS桿、梁、面和體單元的結(jié)構(gòu)分析過程，并得到合理的分析結(jié)果，還要了解模態(tài)分析等其他類型的分析過程。訓練內(nèi)容以解題思路為主，選擇常用的幾種分析單元，直接在ANSYS軟件上機練習。比如線單元介紹桿單元LINK180和梁單元BEAM188、平面單元PLANE183和SHELL181，以及實體單元S0LID185和S0LID187。按照單元選擇、實常數(shù)定義、材料屬性設(shè)置、模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷等步驟操作，最后求解和查看結(jié)果。通過規(guī)范的操作流程，讓學生在短時間內(nèi)學會ANSYS的解題步驟。

2.2.2 智能注塑成型及仿真模塊

該模塊安排兩部分內(nèi)容：1）學習ProE型腔設(shè)計時創(chuàng)建工件、分型面、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的方法和流程，操作ProE軟件完成遙控器外殼一模多腔的分模設(shè)計和杯子（含側(cè)向抽芯）一模一腔的分模設(shè)計，提交分模作業(yè)；2）學習Moldflow軟件創(chuàng)建型腔、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的方法和流程，操作Moldflow軟件完成遙控器外殼模擬分析實驗，提交分析報告。

2.2.3 機器人工作站設(shè)計模塊

該模塊要求學生了解焊接及其工作站的理論知識，掌握DELMIA軟件的基礎(chǔ)操作，對工作站進行布局，確定好機器人的選型與其他配套硬件的設(shè)計。學習軟件中人機工程學模塊，完成人物設(shè)計，通過DELMIA軟件“DeviceTaskDefinition”設(shè)備任務(wù)定義模塊完成機器人工作站的設(shè)計。

2.2.4智能產(chǎn)線模塊

該模塊介紹了智能生產(chǎn)線的基本概念、組成結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，幫助學生了解智能生產(chǎn)線的整體框架和工作原理。該模塊主要是利用IRobotSIM軟件進行智能產(chǎn)線分析與規(guī)劃，該軟件可以在虛擬環(huán)境中對機器人、制造過程進行仿真，真實地模擬生產(chǎn)線的運動和節(jié)拍。結(jié)合本次訓練的坦克模型制造過程，剖析智能產(chǎn)線的場景搭建流程與控制腳本的編寫方法。最后，學生根據(jù)實訓要求和指導，自行設(shè)計和實現(xiàn)一個簡單的智能生產(chǎn)線模型，通過實踐操作，深入了解智能生產(chǎn)線的工作原理和操作流程，并掌握常見故障的排查和解決方法。

3工程綜合能力訓練方式與教學特色

3.1工程綜合能力訓練方式

工程綜合能力訓練經(jīng)過多年的改革，模塊和內(nèi)容繁多，課程計劃安排兩個班合計100多人參與實訓，但如果所有人同步展開教學和訓練，受場地和設(shè)備的限制，顯然是不現(xiàn)實的。因此，需要根據(jù)學生人數(shù)和設(shè)備數(shù)量進行分組教學，每個小組在八個不同模塊之間以集中與分散相結(jié)合的方式交替輪換。學生在15天的實訓過程中，以小組協(xié)作或個人獨立制作的方法完成軟件上機操作、零件加工制作和裝配等任務(wù)。每個模塊由 1～2 名指導教師帶隊，指導教師負責進行實訓安全教育、操作示范、紀律管理、任務(wù)分配和項目考核。由此可見，工程綜合能力訓練注重團隊合作，學生的訓練既要獨立完成，又要在教師的帶領(lǐng)下完成分配的小組任務(wù)。學生要能夠?qū)嵺`任務(wù)進行合理分工協(xié)作，共同高效完成實踐任務(wù)，深刻理解團隊合作精神，這對機械工程師的培養(yǎng)非常重要[6]。

3.2工程綜合能力訓練教學特色

學生在短時間內(nèi)要接觸大量新的操作技能訓練，心理和生理都承受了一定的壓力。在這個過程中需要解決三個教學難點：1）要在滿足教學進度的前提下保證學生的學習速度；2）要在多種實踐教學環(huán)境下保證學生掌握知識的程度；3）要激發(fā)學生的自主學習能力，提高學生的學習興趣。該項目通過一個簡單的坦克模型，引導學生去完成各個零件的設(shè)計過程，熟悉零件的加工工藝過程，并且親自動手制造零件，最后進行裝配和測量。這樣不但可以提高學生的實踐操作能力和學習熱情，而且能夠有效地培養(yǎng)學生的工程綜合能力，使得他們在畢業(yè)前具備一定的見習機械設(shè)計工程師的能力。

為了能在如此短的時間內(nèi)達到良好的學習效果，學生需要在訓練中邊做邊學，即做中學和學中做。比如在ANSYS教學中，教師通過典型的分析案例，穿插一些有限元的基本理論，同時引導學生按操作步驟完成上機操作；接著布置同類型的課堂練習，讓學生在例題的基礎(chǔ)上嘗試獨立完成分析；最后比照分析結(jié)果，若結(jié)果出現(xiàn)偏差，則按照操作步驟一一檢查，找出問題所在，從而更加熟悉分析流程。

4結(jié)束語

工程綜合能力訓練課程依托多種實踐模塊展開教學，基礎(chǔ)模塊和拓展模塊相輔相成，使得學生在短時間得到高強度的訓練，提高了學習興趣，培養(yǎng)了工程綜合能力。但是由于拓展模塊較多，且安排的時長不足以深入學習和掌握，因此，學生需要結(jié)合自己的實際，在課余時間進一步學習。另外，課程團隊需要對訓練模塊和實訓內(nèi)容進行進一步提煉，增加各模塊的聯(lián)系。例如：適當增加快速成型技術(shù)，現(xiàn)場打印零件，并作進一步的有限元分析；在智能產(chǎn)線模塊引入智能產(chǎn)線實訓平臺，做到虛實結(jié)合。總之，工程綜合能力訓練不僅是一個多學科交叉、可持續(xù)發(fā)展的訓練項目，也一定能夠為高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供有價值的參考。

5 參考文獻

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