基于斯特林引擎模型制作的工程训练教学改革

凌 芳， 李翠超

(上海交通大学 工程训练中心，上海 200240)



基于斯特林引擎模型制作的工程训练教学改革

凌 芳， 李翠超

(上海交通大学 工程训练中心，上海 200240)

传统的金工实习已经不能满足当代大学生的工程能力培养需要，利用斯特林引擎模型制作，以作品导引工程实践教学过程，通过方案设计，可行性分析，结构设计，软件仿真，材料确认，结合自己动手制作，组装调试，最终制作出斯特林引擎模型。通过制作，学生获得较完整真实的工程实践经历，把学徒式的操作技能训练，改革为自发探究式学习，从而调动了学生的积极性，提高了学生的创新思维能力、实践动手能力和解决工程问题的能力。

斯特林引擎； 金工实践； 教学改革； 能力培养

0 引 言

21世纪高校人才培养的核心是具有自主创新能力的高素质人才[1]。高校的工程训练是高等教育创新体系中创新型人才培养的重要组成部分，在培养学生的动手实践能力和创新能力，以及提高学生的综合素质方面发挥着十分重要的作用[2]。随着我国高等教育逐步向开放化、社会化、专业化方向发展，过去以教师为主导的“师傅带徒弟”式的传统实践教学体系已不能适应自主创新型人才培养的需要，实践教学改革势在必行。因此，创建适应社会发展需要、适应高校实践教学深化改革需要的新型教学模式势在必行[3]，而探索以学生为中心，面向作品制作，以组合件导引实践教学过程，是改变传统实践教学模式的一个行之有效的方法。

1 斯特林引擎简介

斯特林引擎是1816年由英国牧师罗伯特·斯特林发明的一种外部加热的闭式循环发动机，它与使用特定燃料的内燃机不同，是一种外燃机，利用外部热源，只要有温差，无论使用何种燃料，包括太阳能、化学能、核能、地热等，都可以使其运转，具有热效率高、低噪音、低污染和低运行成本等环保的优点,具体原理见图1[4]。斯特林引擎作为一种典型的热气机，其对多种能源具有广泛适应性，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改；同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；另外它对环境友好，振动噪音低，排放污染小。近年来，由于世界能源紧张、环境污染等问题，使得斯特林引擎的这些优点凸现出来，并逐渐被人们所重视，在某些领域中显现出发展的潜力[4]。

图1 斯特林引擎原理图

作为一种较为经典的机械动力设备，斯特林引擎涉及到机械、热力学、动力学等工程实践的各个方面，但其工作原理并不复杂，设计可简可繁，制作可易可难，利用身边常见的零件和材料即可制作，也可以自主创新研制[5]。因此，在面向产品制作的创新工程实践中，可将斯特林引擎作为实践教学的一个载体，让学生通过斯特林引擎模型的制作过程，来体验一个较为完整的工程实践经历，从构思—设计—加工—组装—调试，直到最后引擎运行起来。这相比传统的金工实习的零件单一工种操作训练，学生更能了解到全制造环节的产品开发流程，从而建立起系统性的设计制造概念[6-7]；而且，斯特林引擎作为一个能实现一定功能的零件组合体，在设计制造一体化训练中，能让学生反过来更深刻理解零件设计初期的技术要求、公差要求和装配要求，而不只是简单的依照图样加工部分孤立零件，使得学生能从系统功能的角度，对各个子部件的功能和技术要求有了更准确和更深入的认识[8]。

2 斯特林引擎模型制作在实践教学中的尝试

斯特林引擎模型制作，融合了结构设计、软件仿真、材料选择、材料加工等多种学科，是一项切实可行而又非常具有实际意义的工程实践项目。为此，工程训练中心结合CDIO实践教学改革[7]，率先把“斯特林模型创新设计”作为实践教学内容引入了核心通识课《工程技术探究》中；同时围绕斯特林引擎模型创新设计，开设了一门面向全校学生的选修课程“斯特林引擎模型创新设计与制作”。该课程内容主要包括斯特林引擎介绍及设计制作斯特林引擎模型。学生通过学习，了解斯特林引擎的基本构成、工作原理和特点，并将所学的机械设计和能量转换、机械制图方面的知识综合运用到斯特林引擎模型的设计与制作中去，最终设计与制作出斯特林引擎模型样机，实现将热能转换成机械动力的过程。

在该课程教学中，以斯特林引擎模型制作带动工程实践，学生以小组的形式完成模型的构思设计、结构工艺设计、加工制作、装配调试等全过程，最终做出一个模型样机，写出研制报告、最后通过答辩。具体教学过程设计见图2。

图2 斯特林引擎模型制作教学过程框图

课程教学采用课堂与实践相结合，以实践为主的方式进行自主探究式学习，同时结合课堂讨论，采用虚拟设计、操作实践、查找资料、写技术报告、作设计方案、小组讨论和答辩等多种教学手段。学生和指导教师紧密结合在一起探究技术问题，不同的零件要选择不同的材料，采用不同的加工方式，加工精度的高低将影响引擎的摩擦以及密封性能等。在整个教学过程中，师生互动，教学相长。学生以团队的形式完成一个共同的作品，各小组制作的产品又各不相同，在通过工程实践的全过程中，每个学生的工程综合能力和团队协作能力得到提高[9]。

整个实践教学过程，将斯特林引擎作为实践教学的载体，将理论与实践融为一体, 学生在教师指导下，独立思考、绘制图纸，综合运用金工实习中所学习的工艺知识来加工所需要的零件，如车床加工飞轮、轴套，铣床加工连接板，钳工钻孔、攻螺纹和装配等。学生在模型制作的过程中，能切身体会到如何综合运用学到的工程知识，寻求解决实际工程问题的途径，从而有效培养学生批判性思维能力、系统解决问题的能力，知识整合能力和沟通交流能力。这种面向产品制作的综合创新工程实践模式，更有利于调动学生的积极性，发挥学生的主观能动性，学生不再处于被动接受知识的局面，而是主动地进行学习与探索[10-11]。在“做中学，学中做”的过程中，学生真正成为工程实践的主体。

3 斯特林引擎模型制作实践教学拓展

在斯特林引擎模型样机制作完成实践教学的基础上，为了吸引更多的学生参加工程训练，让更多的学生接触机械制造技术和装备，除了课程教学外，工程训练中心积极创造条件，开展以斯特林引擎模型制作为基础的各类学生科技创新项目及工程实践能力竞赛。

中心在校内主办了2010“东扬杯”和2012“欧姆龙杯”斯特林引擎小车设计竞赛，吸引了来自机动学院、航空航天、联合学院、环境、船建、电子信息学院等多个学院的学生参加。竞赛命题是要求设计制造出一台以斯特林引擎为动力的小车。参赛学生以小组的形式，利用课余时间，在工程训练中心的实学创新工坊[13]，历经知识培训、方案设计、小车建模、确定材料、加工制作、组装调试等过程，最终设计制造出结构各异的以斯特林引擎为动力的小车模型。评委按比赛规则从作品设计、制作加工、性能测试、答辩汇报等方面对参赛选手进行考核。通过竞赛活动，学生的理论、设计、工艺、操作、沟通、管理等方面的工程素质以及解决实际工程问题的能力得到了显著提高，同时也拓展了训练中心的实践教育功能。

除此之外，结合学校本科生研究项目(简称PRP项目)，先后开展了4期以斯特林引擎模型制作为基础的PRP项目，为学生科研训练提供了机会，如第19期“以斯特林引擎为动力的风扇制作”，第21期“以斯特林引擎为动力的小车制作”，第23期“斯特林引擎小车性能测定与分析”等项目都已验收结题，部分项目被评为优秀。在PRP项目开展过程中，学生的学习主动性得到充分发挥，从选题、开题、项目实施到论文写作、考核答辩，学生对科研的全过程有了全面的认识和体验，部分学生也以此发表了论文。

4 教学效果与分析

几年来，基于斯特林引擎模型制作的实践教学，取得了很好的教学效果，深受学生欢迎。在2012“欧姆龙杯”斯特林引擎小车设计竞赛中脱颖而出的两支队伍被选送参加第二届上海市大学生工程训练综合能力竞赛，取得了一、二等奖的佳绩；在第23期PRP项目完成后，学生发表论文1篇，并被核心期刊收录。学生普遍对这种教学模式及课程内容表示满意，认为制作自己设计的零件，将引擎从构思—设计—加工—组装—调试到最后运行起来，这个过程很有意义。该课程使他们真正体会到了如何用理论知识解决实际问题，感受到自身的工程意识和工程能力得到较大提高。

5 结 语

基于斯特林引擎模型制作的实践教学，将传统的单个零件加工的操作技能训练模式，改革为以产品导引实践教学过程的综合创新实践模式，将“学徒式”操作技能训练变为自发探究性的学习，较好体现了当今教学改革中对实践类课程提出的综合性和设计性要求，对学生创新思维能力，工程综合应用能力培养方面有着传统实训无法企及的优势，是一种行之有效的实践教学方式；而且这种教学模式，有效促进了教学课内与课外结合，促进了开放式工程实践教学平台及创新实践教学平台的建设，促进了实验室开放。“斯特林小车制作”作为大学生工程综合能力的一种训练方式越来越得到许多大学的重视。但是，这种实践教学方式对教师综合实践能力及理论水平提出了更高的要求，对中心的开放管理也提出了更高的要求，需要更多的材料准备和设备储备。未来还需进一步加强对这种实践教学形式的研究和完善，以期使这种模式在工程训练中发挥更大作用。

[1] 李 林,陆灵云,沈明霞，等.SRT计划创新人才培养模式的研究与实践[J].实验室研究与探索,2009,28(2):8-11.

[2] 邢运民.本科教育应重视实践性教学环节[J].高等教育研究,2006,22(2):44-46.

[3] 黄 凯.优化实验教学体系建设 促进创新人才培养[J].实验室研究与探索, 2008,27(9):79-81.

[4] (日)滨口和洋,户田富士夫.平田宏一著，斯特林引擎模型制作[M]. 曹其新,凌芳等译.上海交通大学出版社，2010.

[5] 李子峰,任立群,崔 明.斯特林发动机模型制作在项目课程中的应用[J].北方经贸,2013(6):203.

[6] 刘德忠,傅水根,郎 洪，等.亲历工程能力的项目培养[J].高等工程教育研究,2008(5):43-45.

[7] 郝智秀,季林红,冯 娟.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索[J].高等工程教育研究,2009(5):36-40.

[8] 邱玉江,张洪峰.工程项目教学法在机械设计课程教学中的应用[J].高教论坛,2010(2):84-86.

[9] 陶泽柳,朱华炳,曹 斌，等.工程训练教学中的创新制作训练初探[J].广西轻工业,2007(6):112-113.

[10] 莫海军,蓝民华,曾 仪.基于创新作品制作的工程训练教学改革与实践[J].装备制造技术,2009(8):173-175.

[11] 于兆勤,吴福根,郭钟宁，等.基于项目驱动的现代工程训练方法研究[J].实验室研究与探索,2012,31(8):131-133.

[12] 韩同样,张若达,邢书明，等.以大赛为导向，提升学生工程训练综合能力[J].实验技术与管理,2012,29(3):225-228.

[13] 陆顺寿,曹其新.新颖的创新实践场所“实学创新工坊”建设[J].实验室研究与探索,2012,31(2):98-100.

The Teaching Reform in Metalworking Practice Based on Stirling Engine Model Production

LINGFang,LICui-chao

(Engineering Training Center，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

The traditional metalworking practice cannot satisfy the needs of contemporary university students’ engineering ability training. Model production of Stirling engine is used to drive the practical teaching process. Through scheme design, feasibility analysis, structure design, software simulation, materials selection, students are required “do-it-yourself”. They are required to complete assembly, commissioning, and eventually to produce Stirling engine model. This exercise gives student a true and complete engineering practice experience, and this teaching method changes the apprentice mode of engineering training to inquiry learning, can motivate students’ interest, improve students’ creative thinking ability, practical skills as well as engineering problem solving skills.

Stirling engine; metalworking practice; teaching reform; ability training

2016-02-10

凌 芳(1968-),女,上海人,本科,实验师,研究方向为机械制造基础,实验技术与实验室管理。

Tel.:021-54742932-826,13661995504;E-mail:fling@sjtu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0232-03