基于工程教育的机械装备专业实践教学探索

任素波　张兴中　金昕　任廷志　许志强　白明华

[摘要]工程教育认证对本科生的毕业能力提出了新要求，并在认证标准中明确提出了“解决复杂工程问题”的要求。机械装备专业以工程教育专业认证为契机，对本专业的实践教学改革提出了一种新做法，将以往分散的实践教学以一个综合实物项目的形式串联起来，给学生提供了一个综合运用所学知识与技能进行工程实践的应用平台，激发了学生的学习兴趣，深受学生好评，取得了良好教学效果。

[关键词]工程教育；实践教学；教改

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634（2016）04-0105-04

0 引言

工程教育认证是当前国内高校都高度重视的工作之一。开展工程教育专业认证，是为了进一步深化中国工程教育改革，使中国工程教育领域与国际化接轨，实现中国与国际工程教育专业间的实质性互认，提升国际竞争力。《华盛顿协议》是世界上最具影响力的国际本科工程学位互认协议，其宗旨是通过双边或多边认可工程教育资格及工程师执业资格，促进工程师跨国执业。该协议提出的工程专业教育标准和工程师职业能力标准，是国际工程界对工科毕业生和工程师职业能力公认的权威要求。2013年6月，中国成为该协议组织的第21个成员。我国从2006年开始开展工程教育认证，现有14 000多个工程教育专业布点数，占高等学校专业总布点数的1/3，工程专业类在校生超过300万人，占全国本科总数的1/3，毕业生超过100万人，占全国本科毕业生总数的1/3。开展工作9年来，工程教育认证对构建我国高等工程教育质量保障体系，推动高等工程教育改革，密切工程教育与工业界的联系，促进工程教育国际化，提高工程教育质量发挥了重要作用。

2012年，燕山大学机械设计制造及其自动化专业参加中国工程教育专业认证，通过学校自评、专家组现场考查、分委员会（试点工作组）审议、认证结论审议委员会审议等程序，顺利通过了此次认证，有效期为三年。2015年4月，向中国工程教育认证协会提交了本专业第二轮的自评报告，并获得通过。

以燕山大学工程教育认证为契机，结合专业特点，机械装备专业在本科生实践教学环节尝试新模式下教学改革与探索。机械装备专业是学校的传统专业，自专业成立至今为各大企业、科研院所，尤其是冶金设备行业培养了众多人才。多年来，我专业就发展定位和人才培养规格的讨论和探索，始终没有停息。随着社会进步与工业技术的不断发展，广大企业对高素质专业技术人才的需求不断增长，而且对专业人才的知识水平和实践能力要求也愈来愈高。作为一个历史久远的传统专业，如何与社会发展和科技进步相结合，与时俱进，培养适合当今企业需求的精英人才是专业在发展进程中要解决的重大问题。这些都对机械装备专业人才培养模式提出了新要求。

1 实践教学改革思路

中国工程教育认证通用标准列出了本科生应达到的12项基本要求，其中第3条指出：“设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识”，该条强调了要解决的是“复杂工程问题”，并要有系统性，包括设计方案、工艺流程等多个环节，同时强调创新。为了锻炼本科生的实践动手能力，使之达到上述要求，本专业经过系统研究，结合专业特点提出了名为“典型冶炼设备的设计与实物制作（二级项目）”的专业实践教学改革項目，并获得了学校的教改立项和资助。本项目以提倡学生的主动学习和实践为核心的“做中学”教学理念为指导原则，结合机械装备专业学生的培养目标，通过设计制定科学合理的执行计划，结合钢铁冶炼设备的设计、应用和研究，给学生提供一个实践锻炼平台，充分发挥其主观能动性，培养学生解决复杂工程问题的能力，能够更加适应当前冶金行业对高层次人才的需求。

2 项目的实施方案

本教改项目立足于机械装备专业的核心专业课《机械装备及设计》，实物制作的原型均来自该课程，为保证本项目的顺利完成，主讲教师对该课程的教学内容中涉及实物制作模型的部分章节及时进行授课方式的调整，在授课过程中结合课程特点、学生掌握的基础知识以及实验室条件有针对性地进行讲解，为项目奠定理论基础。项目的最终实施方案由教研室老师经过多次研讨后确定，结合项目执行周期设计合理的考核节点、向学生下达任务书，相关理论课的任课教师为指导教师，由项目负责人进行有关事项的组织和协调，安排实验室教师和任课教师对学生的加工、安装和实验调试进行技术指导。根据专业学生人数，通常4～5人为一个小组，每组设组长1名。每个小组完成一部专业设备（圆筒混合机或部圆盘造球机）的设计与制作，小组中每名成员均有明确的设计任务，包括零部件的设计、仿真、加工与采购等，组长负责任务的分配和协调，并组织组内成员最终完成设计仿真、安装调试等任务。学生制作部分具体的实施过程分以下几个阶段。

1）设计方案的可行性分析。各小组首先进行资料搜集与整理，通过观看圆筒混合机和圆盘造球机的现场录像和查阅相关设计资料，了解所设计设备的基本情况和现状，使学生掌握这两种设备的结构及工作原理，根据实验条件对设备结构进行必要的简化和优化，对各自的设计方案进行可行性分析和论证。

2）设备结构、工艺参数计算及计算机仿真。对设备的结构和工艺参数进行理论设计、计算和校核，运用三维设计软件对圆筒混合机和圆盘造球机进行三维建模与仿真，检验设计方案的完整性和正确性，最后进行所设计设备的全套工程图纸的绘制。

3）加工零部件。根据所设计的圆筒混合机和圆盘造球机工程图纸，进行零部件的加工制作。除标准件进行外购以外，其他各零部件的加工均由学生在实验教师的指导下独立完成，让学生全程参与完成零部件的加工制作，增加学生的实践能力。

4）设备的安装与调试。将所加工和采购的零部件进行安装，之后再按照生产工艺进行调试试验，掌握所设计设备的工作特点，确保其能够达到设计目标。

5）答辩验收。为充分调动学生的积极性，项目验收采取小组竞赛+答辩+设计说明书的方式进行。除了提交各组的设计说明书和工程图纸外，由项目负责人组织学生进行答辩和小组竞赛，从设备结构创新、产品质量、成本以及工作效率等多个方面进行评比，最终确定各组成绩。

3 项目的执行过程

项目落实后，对燕山大学11级机械装备专业本科学生进行了项目式培养的第一轮实践教学改革尝试，要求每个小组独立完成一部圆筒混合机或一部圆盘造球机的整体设计工作。

1）人员分工。依据现有条件及学生的实际情况，进行了项目组织规划。11级机械装备专业学生分2个班，共53人，按照最初设想的4～5人一组，并结合学生各自的特长和实际情况共分为11组。每组设指导教师1名，由熟悉所选设备的专业教师担任，负责指导各小组完成方案设计，帮助各小组解决在方案设计、仿真以及校核等过程中遇到的问题。安装调试阶段由实验教师全程参与，处理实际加工过程中的各种问题，项目负责人负责全局工作，协调各个环节。

2）时间节点分配。本轮项目执行周期为2个月。为确保各小组及时、顺利地完成实物制作任务，在项目开始前向各小组下达了项目任务书，明确了时间分配以及各个考核节点。具体如表1所示。

3）实物制作过程与验收。所有学生在整个项目执行过程中都特别认真努力，踏实肯干，表现出了良好的创造性和团队精神。在方案论证阶段，各小组都进行了充分的资料搜集与整理，所提出的方案经过反复修改与完善，并经过计算机三维造型与仿真，对所设计的方案进行多角度论证，确保其可行性。某小组设计的圆盘造球机三维仿真效果见图1所示。

在实物制作阶段，各小组团结合作，充分发挥个人特长，分工明确。凡是在实验室条件能够完成的零件均有学生动手制作，其他采购件也从结构、价格等方面对多家进行对比选择，最终在保质保量完成设备制作的基础上，将生产成本降到最低，图2是某小组所设计的圆盘造球机最终外观。

设备组装完成后，进入最后的调试阶段，学生们的热情空前高涨，为了能在最后的竞赛中取得好成绩，各小组的成员各尽所能，将自己设计的设备性能调整到最佳状态。图3是各小组采用圆盘造球机生产出的最终产品——元宵。由图3可见，各小组之间的实力可以说是势均力敌，最后由专业教师组成的评委会从产品外观、粒度均匀性、颗粒强度以及生产效率等多个方面进行综合评价后确定成绩。

4 结束语

由于实物项目是初次进行，实施經验不够，在项目开展过程中暴露了一些不足之处，比如：零部件加工条件有限，加工质量差；方案设计耗时较长，导致实物加工、安装调试阶段略显紧张；经费不足等。但通过实物项目的开展，虽然时间较短，还是取得了一些成果，具体表现在如下几方面。

1）通过实物项目，使学生深刻理解了专业设备特色；

2）通过方案制定和可行性论证，使学生掌握了工程设计的基本流程：

3）锻炼了学生工艺参数计算与校核的实际运用能力：

4）使学生理解了三维建模仿真技术在工程设计中的作用；

5）使学生工程制图能力得到了锻炼和提高；

6）通过零部件的加工制造，提高了学生的动手能力、联系实际能力；

7）通过购置设备制作原材料，增加了学生的实践能力：

8）通过小组合作，提高了学生相互协作、沟通、交流的能力。

综上所述，项目式教学作为课程教学的一种特殊形式，注重理论与实践相结合，周期短，见效快，可控性好，充分体现了“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”的特点，弥补了课堂教学中理论性强、知识集中，但往往“教师讲，学生听”的被动接受局面，与课堂教学、讨论课、实验课等一起构成了完整的课程教学体系，丰富了课程教学对学生实践能力培养的执行手段。通过本项目的开展，综合锻炼了学生的各项能力，特别是实践动手能力，将以往分散到多门理论课中的实验、专业技能训练、课程设计等这些割裂的阶段性成果以一个综合项目的形式串联起来，成为有实用价值的一个完整系统，让学生能够有机会综合运用所学的机械制图、机械设计、三维仿真设计与优化、互换性与测量技术、工程材料、机械制造等多门知识与技能去解决一个“复杂工程问题”，顺应了当今时代工程教育对本科学生的毕业要求，对于加强学生创造性设计能力的培养具有重要的实际意义。