以提高学生解决复杂工程问题能力为导向的机械专业实践创新教学模式研究

吴新丽，娄海峰，马善红，夏旭东，谢剑云，杨金林

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州)

一 引言

适应经济全球化快速发展的趋势，各国高等教育部高度重视人才培养质量，为了检验人才培养质量，需要建立对人才质量进行评估和认证的标准，专业认证就是在此基础上产生并已经成为全球性人才资源互认的重要基础[1]。但是，很多学校往往只对通过专业认证工作很重视，却忽略了认证中最重要的指向：学生解决复杂工程问题的学习训练和能力。《华盛顿协议》和《工程教育认证标准》对工程教育专业认证标准中毕业要求项目明确指出[2]，毕业要求应完全覆盖以下内容：

1.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；

2.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到有效的结论。

该标准中所提到的“复杂工程问题”必须具备以下特征：

1.必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决方案；

2.涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；

3.具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

近年来，国内诸多高校在工程实践教育方面都做了有益的改革和探索，一是教学体制的改革：工科类院校和工科类专业基于成果为导向，提出的“基于创新能力”、“双向导师制”等教学培养目标已逐渐成为教学体制改革的核心，目前本科毕业生进入社会工作，此举旨在缩短学生步入社会工作之后的调整期，由于在校期间学习的知识普遍都理论化，无法与实际工程问题相对接，因此都需要一定的适应调整期[3]。二是课程体系的设置：一些工科类院校和工科类专业也同时以培养学生解决复杂工程问题能力为导向，开展了精细化的教学改革：在课程体系设置和学分认定方面，《工程教育认证标准》中明确规定了课程体系中的数学与自然科学类课程、工程基础类课程和专业基础类课程、工程实践和毕业设计环节、人文社会科学类通识教育课程必须占学生完成本科学业总学分的比例要求。为此，全国工科类专业以达成工程教育认证标准要求为目标，需要不断修改和完善课程教学体系以及学分的认定标准[4]。三是教学模式改革方面：实施以学生为中心、教师引导的“多向”模式，逐步取缔以教师为主导的课堂授课和学生课后练习的传统教学模式，培养学生自发、自主的学习习惯，拥有独立、创新的思考意识，进而培养学生具备解决复杂工程问题的能力。虽然很多高校都取得了一系列的改革成果，但从培养的工程人才来看，目前普遍高校的实践教学质量不高，学生普遍实践动手能力和创新能力不足[5]。

我校机械制造及其自动化专业是省重点建设专业，国家级特色专业，“十二五、十三五”优势专业，2016年通过中国工程教育专业认证，在进行专业认证的过程中，专家反馈回来的意见中第一条就指出针对学生复杂工程问题的解决能力培养是如何开展实施的？针对这一问题，目前国内学者普遍都提出了自己的见解，一是认为在毕业设计环节，教师应注重检查学生的专业学习成果，把此过程作为评定学生解决复杂问题能力的重要依据[6]；二是认为在教学结构过程中，教师必须对学生毕业时所要达到的能力要求有足够清晰的认识，然后寻求合适的教学方法来达到预期目标，而不是纯粹教科书式的教学，这也是提高学生解决复杂工程问题能力的一种有效途径[7]；三是通过项目实践教学途径，应较多地开展实践教学活动，包括实践教学的改革、与企业结合等方式，实践过程中能切实掌握学生是否真正理解以及掌握课程所要求的知识和技能，并且在实践中还能培养创新精神，从而真正培养他们分析和解决复杂工程问题的能力[8]。

目前我校机制专业的实践教学环节基本上都是按照课程类别开设一些验证性实验以及一些综合性实验项目，有些实验项目工程化复杂化还不够，有些项目简单、枯燥，学生按步骤、照图接线、测试, 甚至连数据记录表格都设计好，既谈不上实验的创新，更谈不上对学生创新意识的培养，要满足专业认证标准中要求，以往的实践教学模式，已远远不能满足。而该问题也是目前所有包含机械类专业高校所面临的共性问题，如能较好解决，将起到一定的示范及辐射作用。因此，本文结合工程教育专业认证的标准和认证方法，针对高校本科生复杂工程问题的解决能力培养模式进行分析与探讨，提出以提高学生解决复杂工程问题能力为导向—机械专业实践教学改革模式。首先，将原先机械基础实验的一些实验项目改造或有机整合成综合度更高并具有复杂工程问题特征的若干实验项目；其次，提出以学生自主研究——教师按需辅导的实验教学实施模式，结合理论教学课程贯穿于一整个学期，替代原有固定项目固定时间统一实验的教学方法。

二 构建“三层次，三方向”的实践教学模式

我校机械设计及其自动化专业致力于培养机械工程及其相关领域从事产品的设计与制造、应用研究和科技开发、运行管理等工作，能解决复杂工程问题的工程技术人才。专业结合浙江省产业集群发展的需要和本校人才培养的定位，旨在培养学生具有分析问题、解决问题、组织管理、合作交流和自主学习的能力，为此，本专业提供了“模具技术、现代设计、数字制造”三个培养方向。

为了提高学生解决复杂工程问题的能力，我校机械设计制造及其自动化专业在专业认证标准的基础上，以工程素质培养为核心，以提高学生解决复杂工程能力为主线，从简单到复杂，从基础到提高，从单一到综合，使学生逐步掌握解决复杂工程问题的能力，按照基本技能层、综合应用能力与初步设计能力层、工程实践与创新能力层“三层次”以及模具技术、现代设计、数字制造“三个方向”，分层递阶地对学生解决复杂工程问题能力进行培养，构建了图1 所示“三层次，三方向” 的实践教学模式。

本文提出的“三层次、三方向”的实践教学培养模式。其中专业方向平台包括3个专业方向为：数字制造方向、模具技术方向和现代设计方向，按照实践教学培养模式的3个专业方向将实践教学划分为：基本技能层、综合应用能力层、工程实践与创新能力培养层。

“基本技能层”：包括公共通识课程的实验，本学科的学科基础课程实验，包括材料力学、工程力学等实验；金工实习，电工与电子实习以及专业认知实习，其目的是进行工程类基本技能训练，解决相对简单的工程问题。“综合应用能力层”：包括机械原理、液压传动、数控技术等专业课程的实验，机械原理、机械设计等课程的课程设计；为期一周的专业综合实验；企业生产实习；目的是单科知识综合应用和初步设计能力的训练，解决较复杂工程问题。“工程实践与创新能力层”：包含工程项目训练、课外科技活动、毕业设计等，目的是进行创新意识与工程实践能力的训练，提供解决复杂工程问题的能力。“三层次，三方向”的实践教学模式，涵盖从简单的工程问题到复杂工程问题的实践教学，使学生对工程问题的解决能力培养分层递进，即：解决简单工程问题→解决较复杂工程问题→创新意识与工程实践能力。“三层次，三方向”的实践教学模式，形成了分模块、分层次、由浅入深的工程实践教学体系。

三 实践教学模式改革思路

截止目前，我校机械类专业的综合实验教学项目基本上都是按照课程类别，且大部分都属于验证性综合性实验项目，如表1所示（见下一页），虽有综合性实验，但都是针对理论课程内容简单地将原先的实验项目进行单一地整合，并没有从实际解决复杂工程问题的主线出发，因此，有必要跨课程、跨阶段地进行整合。

1）改进原有实验项目，使其达到更高更综合化程度的实验项目

原有的一些综合性实验项目，可以围绕复杂工程问题主线进行改造。如：原机械基础实验1中的机组运转及飞轮调节实验动平衡项目，其主要目的是让学生掌握速度波动的概念以及飞轮转动惯量与速度波动的关系，是一个综合性实验项目。但是从复杂工程问题的角度出发，其包含很多深层次的工程问题：例如机器设计时实际电动机是如何选型的，实际转速是如何确定的，为什么设计希望电动机在额定值附近工作而实际速度却一般控制在75%左右，速度波动和振动之间的关系，等等，这些实际工程中的问题都可以将原先的实验项目进行扩展，提高实验的综合度，接近实际工程设计的复杂程度，培养学生解决复杂工程问题的能力。

2）从解决复杂工程问题的角度出发，将现有实验项目进行跨课程、跨阶段地整合

改革的思路是：全程贯穿作品构思、设计到样机制作和运行整个周期，以机械设计制造及其自动化的四个方向的专业综合实践教学课程为平台，实现作品的“创新构思—设计—加工—装配—调试”五位一体的专业综合实践教学新模式，包括机械系统的设计、工程材料的选择与测试、系统的搭建与运行参数的测定、控制系统编程与控制等内容。

在专业综合实践课的整个过程中，使学生将课程设计与实践课紧密结合起来，从作品设计、材料购买、零件加工制作、整机装配，到最后的机电作品调试，从头到尾让学生自己亲自动手，真正做到“学以致用”。

四 实践教学模式改革具体措施

我校机制专业学生在大学三年级第一学期需要进行为期一周的专业方向综合实践课程。本文主要以专业综合实践课程为载体进行本次实践教学模式的改革，以提高学生解决复杂工程问题能力为目的，我们按照三个专业方向分别设计了三个独立的大型综合性实验项目。由学生自主选择专业方向来完成一周的实践课程内容，具体如下所示。

（一） CAD/CAM综合实验

CAD/CAM综合型实验是机制专业数字制造方向的重要培养内容，本实验运用机制专业开设的数控加工技术、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）及计算机辅助分析（ANSYS）等课程。以齿轮为研究对象，引导学生完成上述一系列实验内容的综合性实验。使学生了解和掌握基本的产品设计、制造、检测一体化过程，让学生在自主性、综合性、创新性及结合工程实践等方面都得到较好的锻炼。图2（P17)为CAD/CAM综合型实验的设计思路。

1.实验教学设计与组织实施——齿轮的设计

a）运用机械设计知识、制造技术基础和工程图学等知识；

b)采用反求工程方法，将扫描得到的齿轮点云原始数据文件导入后处理软件，通过数据处理重建样品的三维造型；

c)齿轮传动承载能力计算和结构设计；

d)齿轮三维实体造型创新设计，利用AutoCAD、Solidworks和CATIA等软件；

e)齿轮的精度设计。

2.实验教学设计与组织实施——齿轮的制造

a)将齿轮的三维模型导入Mastercam X9软件，设置加工刀具参数和刀具路径，生成数控加工G代码；

b)利用个人便携式数控机床（PPCNC）载入加工G代码加工齿轮。

2.实验教学设计与组织实施——齿轮的检测

a)根据齿轮的检测指标，选择仪器，了解仪器的结构，测量原理；

b)动手测量，数据处理，判断齿轮是否合格；

c)若不合格，分析产生的原因。

表1 现有实验项目列表

（二） 动平衡设计实验

本实验是一个动力学综合性的实验，同时融入动平衡设计计算和实际动平衡机试验的实践性环节，使教学内容和方法手段体现工程化特色，实现了将理论教学融入了工程实验中的理念[9]，符合机制专业现代设计这一专业方向，可以提高学生对实验的兴趣，充分体会理论计算和工程实践之间的差别。

1.实验教学设计与组织实施——零件的动平衡设计

①动平衡设计原理

在转子的设计阶段，尤其是设计高速及精密转子结构时，必须进行平衡计算，以检查惯性力和惯性力矩是否平衡。若不平衡，则需要在结构上采取措施以消除不平衡惯性力的影响，这一过程即是转子的平衡设计[10]。

②动平衡设计对象

本实验采用一种自制的组合式刚性转子，转子轴安装有四个已知偏心角度和偏心距的圆盘，各偏心圆盘通过键与轴连接，由于偏心质量不在转子轴线上，故转子产生已知可计算的动不平衡，所以需要对其进行动平衡计算。

③动平衡设计实验组织

本实验共有8组由偏心圆盘组成的不同的组合方案，相应的有平衡的配重块若干，各有不同质量，可在转子两端面安装。学生分成不同的实验小组，随机抽取实验方案编号，然后根据已知条件和数据，确定平衡基面，列动平衡方程式，求解两个配重的质量和相位。

2.实验教学设计与组织实施——零件的动平衡实验

经过上述平衡设计的刚性回转件在理论上是完全平衡的。但是由于计算、制造和装配上的误差以及材料质量不均匀等原因，实际的回转件往往达不到原设计的要求。因此，在工程上均需用试验的方法加以平衡[11]，这种实验是在硬支撑动平衡机上完成的。

前述已分组的学生根据已计算好的在两个校正平面上的配重质量与相位，选取相近质量的标准配重安装在转子上，在把转子安装在动平衡机的支架上，装好传动皮带与光电系统开始测量，若电测箱显示有不平衡质量，则使用天平秤重橡皮泥平衡，如此重复操作直至合格。

（三） 模具设计综合实验

根据机械类人才培养中模具设计这一方向所需要的完整知识链及我校的特点，“为打造材料成型装备先进制造业，培养具有创新思维、高科技内涵材料成型装备专业人才”，模具设计综合实验按课堂教学、实体实验教学、虚拟仿真实验教学3个模块、8个实验设计，如表2所示（见下一页）。实现从产品概念设计、产品反求变型设计、模具设计与制造、以及产品模具成型加工乃至快速成型蜡模精铸一个完整的产品开发设计过程，其中虚拟仿真实验按照“机械机构——控制分析——性能测试”进行建设，形成了“开放式教学、专业实体实验和虚拟仿真实验”的层次实验教学内容，分别培养学生的学科专业基本素质、工程实践能力和科研创新能力，形成了自主式、启发式和研究式的教学模式，实现了校企培训、合作、服务社会和国际合作交流。

五 实施效果

2016年第二学期末至2018年第一学期初，新的教学模式在我校机械设计制造及其自动化专业得到了广泛应用，并收到了明显的教学效果。改革以后的专业综合实践教学新模式更加受到本科生欢迎，学生参与的积极性和主动性提高，自主学习和主观能动性得到加强，解决复杂工程问题的能力得到锻炼。图3（P19）为学生实际参与实验的过程以及部分学生作品。其中，利用模具设计综合实验这个平台，两年内共有8名同学完成了模具方面课题的本科论文工作，并在毕业之后也选择从事模具行业。

本次专业综合实践课按照三个方向，通过三个大型综合性实验，由学生亲自构思、设计、制作和成功调试了10 余件创新作品，图3（P19）为实际制作过程的图片和部分作品图片。依托该实践课程，组织学生创作的优秀作品参加课外科技竞赛，其中一件作品获得第七届全国大学生机械创新设计大赛全国一等奖，同时申请5项国家发明和实用新型专利，通过该实践课程，学生解决复杂工程问题的能力也得到充分锻炼，同时也较大地提高了综合创新能力。

表2 模具设计综合实验列表

六 结束语

本文基于工程教育认证标准，分析了国内工科院校的教育教学现状，提出以提高学生解决复杂工程问题能力为导向的机械类专业“三层次、三方向”的实践教学新模式，同时基于新模式提出了实践教学改革的思路和具体措施，最后，以机械制造及其自动化专业综合实践课程为实践教改实施的载体，设计了三个专业方向的大型综合性实验，在实践教学过程中强调学生自主创新设计、主动参与，独立自主完成零件的加工、装配和调试。本文提出的实践教学新模式，对我校机械设计制造及其自动化专业在工程素质教育认证通过后的持续改进起到非常大的推动作用，对相同或相似类型的本科专业实践教学建设具有示范作用和借鉴意义，为新形势下高等工科本科生实践能力培养探索出一条新路。