基于复杂工程问题解决能力培养的焊接实践教学

杨宗辉　王红星　甄睿　张炎　李晓泉

摘要：复杂工程问题的解决能力是焊接专业本科毕业生应具备的核心能力。以《焊接机电一体化课程设计》为例，阐述如何通过焊接实践教学达到培养学生解决复杂工程问题的能力。分析了《焊接机电一体化课程设计》非常适合于复杂工程问题解决能力培养的原因，重点从《焊接机电一体化课程设计》的课程教学内容设计、课程组织实施以及课程达成评价等几方面进行阐述，并介绍课程实施效果，以期为我国高校焊接专业在复杂工程问题解决能力的培养方面提供参考与借鉴。

关键词：复杂工程问题;工程认证;焊接机电一体化;课程设计

中图分类号：TG4;G642.4 文献标志码：B 文章编号：1001-2303（2020）02-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.22

0 前言

2016年6月2日，中国成为“华盛顿协议”的第18个正式成员，这对我国工程教育工作提出了更高的要求，尤其是在解决复杂工程问题的核心要求上，更要按照与国际标准实质等效的原则来培养学生[1-2]。

对于复杂工程问题的涵义，华盛顿协议明确了作为复杂工程问题必须具备下述特征中的（1），且同时具备特征（2）～（7）的部分或全部：（1）必须运用深入的工程原理经过分析才能解决;（2）需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互冲突;（3）需要建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;（4）不是仅靠常用方法即可解决;（5）问题中涉及的因素可能未完全包含在专业标准和规范中;（6）问题相关的各方利益不完全一致;（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[3]。

复杂工程问题的解决只有在一个相对真实完整的工程场景中实践，才能将多方面因素相互作用而产生的矛盾冲突真实地呈现在学生面前，从而锻炼学生解决复杂工程问题的能力。实践教学相对理论教学更能直接培养学生对于复杂工程问题的解决能力。研究表明，实践教学对提高学生的专业知识与基础理论的应用能力、动手能力、创新能力和团队合作能力是非常有成效[4-6]，而这些能力正是解决复杂工程问题的关键因素。要想通过一门实践课程较为完整地培养学生解决复杂工程问题的能力，首先需要选择合适的实践课程，其次要对选定的实践课程按照复杂工程问题解决能力的培养要求进行针对性的课程教学内容设计，并制定科学的课程组织实施方案和合理的课程达成评价方法。本文以《焊接机电一体化课程设计》为例，探讨如何通过一门实践教学课程来培养学生解决复杂工程问题的能力。

1 课程性质

《焊接机电一体化课程设计》是焊接技术与工程专业重要的专业实践课程，它综合了机械制图、机械设计、传感器与检测技术、电动机控制技术、PLC控制技术、焊接方法与工艺、弧焊电源等多门课程的基本理论与知识，是一门综合性较强的实践课程。该课程有利于培养学生对抽象学科理论知识的理解和掌握以及对多学科知识的综合运用与整合;还有利于培养学生的综合实践能力和跨界整合能力。《焊接机电一体化课程设计》选题针对来自生产实际中焊件的自动化专机设计，方便与企业实际项目完全一致。完成《焊接机电一体化课程设计》中一台自动化专机的设计至少需要3个同学的通力协作才能在2周内完成，可以有效培养学生的交流沟通能力及团队协作能力。基于上述特征，再通过精心设计课程教学内容，即可为较完整地培养焊接技术与工程专业本科生解决复杂工程问题的能力打下坚实的基础。

2 课程教学内容设计

以培养焊接专业本科生解决复杂工程问题的能力为核心目标，对《焊接机电一体化课程设计》的课程教学内容进行设计。《焊接机电一体化课程设计》课程教学内容设计图如图1所示。基本思路是将为期2周的《焊接机电一体化课程设计》的设计内容项目化，要求学生2周内完成一个完整的焊接自动化专机设计项目。通过特别设计，项目各阶段的设计内容与复杂工程问题特征点相对应，使项目成为一个典型的复杂工程问题，学生在亲自完成项目的过程中，能力得以培养。图1中还清晰表明了课程设计内容与工程认证中12个毕业要求的对应关系。

由图1可知，《焊接机电一体化课程设计》课程设计内容（项目）分为三个阶段：选题、方案设计及技术设计。

在选题阶段，确定焊件上某具体焊缝是否合适采用专机自动焊及采用何种自动焊接方法时，需要学生考虑多方面因素，包括技术可行性方面因素和经济性方面因素。而焊接工艺则需要学生运用深入的焊接基本理论，经过多方面分析才能合理制定。该设计阶段具备复杂工程问题的特征（1）和（2）。

在方案设计阶段，专机整体方案设计要考虑专机整体结构、焊接自动化程度、是否需要采用焊接机器人等多方面因素，反映了复杂工程问题的特征（2）。执行机构方案设计时，需要深入运用机械原理并经过分析才能解决，分析执行机构运动时，则需要创造性地运用高等数学建立合适的抽象模型才能解决，焊缝越复杂，模型也越复杂，越不能靠常用方法解决，这很好地反映了复杂工程问题的特征（1）、（3）和（4）。

在技术设计阶段，無论是焊接工装夹具设计、电动机调速系统设计，还是专机运行程序设计，均要深入运用机械、控制基本理论并经过分析才能解决问题，并且专机各系统之间相互关联，具有很高的综合性，体现了复杂工程问题的特征（1）和（7）。焊接夹具要求实现焊件快速便捷定位与夹紧的同时，还要具备控制焊件焊接变形的能力，且为了适应不同的焊件形状及自动化焊接方案，大部分焊接夹具只能是非标结构，设计时所遇到的问题很多未完全包含在专业标准和规范中，需要进行创造性设计，体现了复杂工程问题的特征（4）和（5）。

综上，经过特别设计的《焊接机电一体化课程设计》的课程内容具备了复杂工程问题所对应7个特征中的6个，且以项目形式呈现，学生完成《焊接机电一体化课程设计》的过程即是自己动手解决复杂工程问题的过程。当然，为了切实提升学生解决复杂工程的能力，还需要科学的课程组织实施方案及合理的课程达成评价方法。

3 课程组织实施

3.1 选题

课程设计中采用学生自主选题的模式。班级学生首先分组，每3～4个学生一组。每组学生自主上网查找文献资料和视频资料，然后分析汇总资料，集体讨论，并结合资料和设计任务进行综合考量，最终确定选题。自主选题培养了学生文献检索能力、分析综合能力，让学生们了解很多工程实际中焊接机电一体化技术的应用情况和应用实例。

自主选题包含两方面的工作：一是选定被焊工件及被焊工件上具体的拟自动焊焊缝;二是制定选定焊缝的焊接工艺。不同的焊接工艺所对应的焊接专机可能存在很大不同，鼓励学生敢于突破传统焊接方法与工艺，积极采用合理的新型焊接方法与工艺。

3.2 系统方案设计

指导老师首先集中讲授焊接自动化专机的设计方法与流程，每组学生再查找相关文献并团队协作确定初步方案，最后每组学生和指导老师讨论确定最终专机系统方案。专机方案要求学生以实现项目的功能要求为目标，以机械总体设计为出发點，特别考虑焊件的准确快速定位与夹紧，采用系统分析的方法，拟定专机的自动焊接流程及机械系统传动方案，完成各执行机构的创新设计。要求每组学生提出2～3种焊件装夹方案，从功能、技术、经济、安全等方面进行综合分析和比较，决策出最优方案，绘制出专机整体结构图，并对主执行机构进行尺度综合和运动分析。

3.3 技术设计

系统的技术设计阶段采用了个人与团队相结合的模式，学生们根据所选课题的设计任务和各自关注点与长处进行合理分工，分别负责机械系统设计、电动机及调速系统设计、传感器设计、PLC 控制系统设计等，技术设计期间同学间要不断进行讨论，避免专机各子系统之间相互冲突。要求设计焊件夹具的结构，进行关键零部件的结构设计和工作能力计算，并考虑零件的结构工艺性和安装的合理性及安全性，确定电动机功率、型号、调速系统，确定电焊机的型号、给出主要性能指标，确定传感器具体型号、尺寸、数量、安装位置等，确定PLC 的选型、PLC 硬件接线图、I/O 表、PLC 程序以及控制说明等。

4 课程达成评价

考核方式由平时考核、课程设计答辩考核和设计说明书质量评价三部分组成。

每个学生的成绩由个人得分与团队表现综合评定，计算方法为：个人课程设计评分=（个人得分/2）× 团队完成情况系数。个人得分由平时成绩（20%）、答辩成绩（40%）和设计说明书（40%）三部分组成。平时成绩包括考勤成绩（40%）和设计主动性成绩（60%）两部分;答辩成绩包含讲述成绩（50%）和回答问题成绩（50%），设计说明书成绩依据设计说明书的完成质量评定。

团队完成情况系数由各组学生的个人得分平均情况及适当的调节常数确定。

5 课程实施情况

南京工程学院焊接技术与工程专业已有两届学生完成了《焊接机电一体化课程设计》，学生反响很好，课程设计质量良好，以小组为单位上交的设计说明书达到35～50页，答辩时大部分学生均能流利清晰地讲述设计过程与设计要点。为期2周的《焊接机电一体化课程设计》达到了培养学生解决复杂工程问题能力的教学目的。

同时，通过《焊接机电一体化课程设计》的完整设计过程，学生进一步加深了对《焊接机电一体化》《焊接方法与设备》《焊接工艺评定》《机械制图》《机械设计》等重要专业课程的理解与掌握，也学会或进一步熟练了UG、Visio、AUTOCAD、PPT等软件的使用。更为重要的是，学生在自主设计过程中，结合工程实际培养了创新意识和创新方法。特别是对于焊件夹具的设计，学生中涌现出很多创新想法，有些创新的焊件夹具设计几乎达到可以申请实用新型专利的水平。

致谢：《焊接机电一体化课程设计》实施过程中参考了天津大学材料学院《材料加工自动化》课程设计的相关教学资料，并得到天津大学胡绳荪教授的指导，在此特别致以诚挚的谢意！

参考文献：

[1] 杨毅刚，孟斌，王伟楠. 如何破解工程教育中有关复杂工程问题的难点—基于企业技术创新视角[J]. 高等工程教育研究，2017（2）：72-78.

[2] 林健. 如何理解和解决复杂工程问题—基于《华盛顿协议》的界定和要求[J]. 高等工程教育研究，2016（5）：17-26.

[3] 陈永琴，朱敏波，段清娟，等. 机械专业复杂工程问题教学案例剖析—《机械综合实践项目》的开展[J]. 教育教学论坛，2017（18）：151-153.

[4] 李嘉宁，刘鹏，袁兴栋. 应用创新型焊接专业教学改革与实践[J]. 电焊机，2016，46（8）：119-121.

[5] 王要利，任静，马宁，等. 焊接专业实践教学的创新发展与探索[J]. 电焊机，2016，46（6）：125-127.

[6] 郑春雷，杨永强，闫志刚，等. 基于工程教育模式的焊接实验教学改革[J]. 电焊机，2018，48（2）：130-134.