面向工程教育認(rèn)證的機(jī)械專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式*

高鐵紅 張爭艷 孫立新 張建輝曲云霞

（河北工業(yè)大學(xué)，天津300130）

面向工程教育認(rèn)證的機(jī)械專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式*

高鐵紅 張爭艷 孫立新 張建輝*曲云霞

（河北工業(yè)大學(xué)，天津300130）

為更好地適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，在現(xiàn)有實(shí)踐內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將專業(yè)理論教學(xué)后的專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建“基于作品引導(dǎo)的”、集“創(chuàng)新構(gòu)思—設(shè)計(jì)—加工—裝配—調(diào)試”五位一體化的專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式。該模式在河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，收到了明顯的教學(xué)效果。

工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；專業(yè)綜合實(shí)踐

一、概述

高等工科教育中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力高級專門技術(shù)人才的關(guān)鍵。如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力，各個(gè)高校針對自身的特點(diǎn)采取了很多辦法和措施，取得了一定的成果［1-4］。但這些模式難以很好的吻合或支撐國際工程教育認(rèn)證的要求。

工程教育認(rèn)證更加注重畢業(yè)生基于工程教育背景下的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，要求高校畢業(yè)生必須覆蓋工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理和終身學(xué)習(xí)十二項(xiàng)一級指標(biāo)，每級一級指標(biāo)均包含幾個(gè)二級指標(biāo)，每個(gè)二級指標(biāo)均需要有相應(yīng)的課程支撐。

專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在工程教育認(rèn)證過程中占有舉足輕重的地位，可以支撐研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理和終身學(xué)習(xí)等九項(xiàng)一級指標(biāo)。

在工程教育認(rèn)證背景下，本文以河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)為研究對象，在已有的實(shí)踐內(nèi)容基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和建立起“解決復(fù)雜工程問題”的意識，以滿足工程教育認(rèn)證的要求，將專業(yè)理論教學(xué)后的專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建“基于作品引導(dǎo)的”、集“創(chuàng)新構(gòu)思—設(shè)計(jì)—加工—裝配—調(diào)試”五位一體化的實(shí)踐教學(xué)新模式。

二、專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革思路（框架）

本專業(yè)學(xué)生在大學(xué)四年級第一學(xué)期末需要進(jìn)行為期三周的專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，在大四第二學(xué)期開始進(jìn)行為期三周的專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)。如圖1所示，改革的思路是，以作品構(gòu)思到樣機(jī)運(yùn)行的整個(gè)周期為載體，以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化的專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)為實(shí)踐平臺，以專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)為設(shè)計(jì)平臺，將專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與專業(yè)實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化作品的“創(chuàng)新構(gòu)思—設(shè)計(jì)—加工—裝配—調(diào)試”五位一體的專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式。

在專業(yè)綜合實(shí)踐課整個(gè)過程中，使學(xué)生將課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐課緊密結(jié)合起來，從作品設(shè)計(jì)、材料購買、零件加工制作、整機(jī)裝配，到最后的機(jī)電作品調(diào)試，從頭到尾讓學(xué)生自己親自動手和感受機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化的全過程，工學(xué)并舉，予學(xué)于工，大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)課基本能用上，真正體會到什么是“學(xué)以致用”。

改革后的模式通過系列重要環(huán)節(jié)注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求：

（1）機(jī)電作品構(gòu)思環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和項(xiàng)目研究的能力；

（2）機(jī)電作品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與繪圖能力、使用現(xiàn)代化工具能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)守職業(yè)規(guī)范的意識；

（3）機(jī)電作品加工制作環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械零件數(shù)控編程與加工的制造能力，及工程與社會所要求的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識；

圖1 專業(yè)綜合實(shí)踐課教學(xué)模式改革思路

（4）機(jī)電作品裝配環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械裝備整機(jī)設(shè)計(jì)后的工程實(shí)現(xiàn)能力及解決復(fù)雜工程問題的能力；

（5）機(jī)電作品聯(lián)機(jī)調(diào)試環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)電氣控制編程與工程問題解決能力。

此外，在該模式中，系列重要環(huán)節(jié)開展的前提是以小組/團(tuán)隊(duì)為單位循序漸進(jìn)進(jìn)行，因此，經(jīng)過該模式的訓(xùn)練后，學(xué)生的獨(dú)立工作與協(xié)同工作能力得到提高，項(xiàng)目管理和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)能力得到提高，綜合應(yīng)用所學(xué)各門課程知識分析問題和解決工程實(shí)際問題的能力得到提高，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好專業(yè)基礎(chǔ)，使學(xué)生能更好適應(yīng)現(xiàn)代化社會對機(jī)械工程高級技術(shù)人才的需要。

三、專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)實(shí)施步驟

專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)模式改革具體實(shí)施步驟，包括機(jī)電作品創(chuàng)新構(gòu)思、設(shè)計(jì)、典型零件CAD/CAM、數(shù)控仿真加工零件、數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工零件、機(jī)械結(jié)構(gòu)總體裝配、控制系統(tǒng)硬件控制柜制作、控制系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)并加工制作具有一定功能的機(jī)電一體化小作品。

（一）機(jī)電作品創(chuàng)新構(gòu)思

在專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)之前，指導(dǎo)教師提前兩個(gè)月左右給學(xué)生布置創(chuàng)新機(jī)電作品任務(wù)，要求學(xué)生自己提出一個(gè)具有一定工程應(yīng)用功能的機(jī)電作品創(chuàng)意，給學(xué)生充分的想象空間和時(shí)間進(jìn)行作品的構(gòu)思，作品的大小按照能夠在實(shí)驗(yàn)桌面上擺放開即可。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要開動腦筋，提出自己的想法，并與老師經(jīng)常溝通討論方案，經(jīng)過多次交流與不斷修改得到最終機(jī)電作品方案。

（二）機(jī)電作品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電作品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中進(jìn)行。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室購置的各種機(jī)電元器件：如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、各種氣缸、滾珠絲杠副，直線導(dǎo)軌副、各種傳感器、鋁型材以及部分連接件等，進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)電作品方案的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用三周專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行三維模型構(gòu)建和二維裝配圖設(shè)計(jì)，最后繪制專用零件CAD加工圖。

（三）專用零件數(shù)控加工

學(xué)生針對自己作品中的專用零件進(jìn)行數(shù)控仿真加工，檢查編程是否合理，然后在數(shù)控車床和數(shù)控銑床上，利用仿真編制好的數(shù)控程序，自己動手加工出所設(shè)計(jì)的部分零件。

（四）機(jī)械結(jié)構(gòu)總體裝配

學(xué)生自己動手，將自己加工制作的專用零件和部分外協(xié)加工件，以及作品中用到的實(shí)驗(yàn)室購置的各種機(jī)電元器件等組裝成一套具有一定功能的機(jī)電作品。

（五）控制系統(tǒng)硬件控制柜制作

采用PLC進(jìn)行機(jī)電作品控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖和布線圖制作控制柜，自己動手完成電器元器件接線及控制柜的制作。

（六）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)自己作品的動作要求編寫PLC控制程序，在PLC的仿真平臺下進(jìn)行調(diào)試。

（七）機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

將在計(jì)算機(jī)上編寫好的控制程序下傳到PLC硬件中，進(jìn)行機(jī)電作品聯(lián)機(jī)調(diào)試。

至此，學(xué)生完成了創(chuàng)新機(jī)電一體化作品的全部制作。

四、實(shí)施效果

2015年第二學(xué)期末至2016年第一學(xué)期初，新模式在我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，收到了明顯的教學(xué)效果。改革以后的專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式更加受到本科生歡迎，學(xué)生參與的積極性和主動性提高，自主學(xué)習(xí)和主觀能動性得到加強(qiáng)，解決復(fù)雜工程問題的能力得到鍛煉。圖2為學(xué)生作品成果展示與作品調(diào)試。

圖2 作品展示（左）和作品調(diào)試（右）

本次實(shí)踐課共構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作和成功調(diào)試了10余件機(jī)電作品，且全部由學(xué)生自己動手實(shí)踐完成，整個(gè)過程中，依托該實(shí)踐課申請6項(xiàng)國家發(fā)明專利和6項(xiàng)實(shí)用新型專利，其中一件作品獲得第七屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽全國一等獎(jiǎng)，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力得到大幅度的提高。

五、結(jié)束語

實(shí)踐教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動參與，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、自己動手實(shí)際加工零件、自己裝配和調(diào)試所設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化小作品，不僅使學(xué)生對機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)和裝配、機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合的總體工程意識和設(shè)計(jì)能力得到提高，而且激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和參與意識，使學(xué)生被動參與教學(xué)活動變?yōu)橹鲃訁⑴c。本文提出的專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)新模式，對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)綜合改革起到非常大的推動作用，對相同或相似類型的本科生專業(yè)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)具有示范作用和借鑒意義，為新形勢下高等工科本科生實(shí)踐能力培養(yǎng)探索出一條新路。

［1］劉鐵山，葉仲琪.高校工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建嘗試［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2010（4）.

［2］湯云暉，王波，李耳.培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的創(chuàng)新實(shí)踐課教學(xué)［J］.中國現(xiàn)代裝備教育，2012（5）.

［3］陳鵬勇.創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2010，5.

［4］韓少男，張智鈞.工科專業(yè)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建［J］.黑龍江高教研究，2009（10）.

To satisfy the requirements of engineering education accreditation better，and improve the ability for solving complex engineering problems，this paper combines the existing different integrated practical teaching patterns for constructing the new integrated practical teaching pattern，which is the“products-based”and integrates five different sections（creative idea，design，manufacture，assembly，debugging）.This new pattern has been implemented in the mechanical major of Hebei University of Technology，and the implementation result demonstrates that this new teaching pattern is efficient.

engineering education accreditation；gomplex engineering problems；integrated practical teaching pattern

G642

A

2096-000X（2016）20-0170-02

科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法訓(xùn)練體系構(gòu)建與應(yīng)用示范”（編號：2015IM040200）；河北省教改項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系研究”（編號：2012GJJG004）。

高鐵紅（1961-），女，河北石家莊人，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。張爭艷（1984-），男，山東菏澤人，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、工學(xué)博士。孫立新（1964-），男，河北承德人，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。

*通訊作者：張建輝（1974-），男，河北省景縣人，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、工學(xué)博士。

作者簡介：曲云霞（1969-），女，河北承德人，河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。