以综合实践能力培养为导向的设计与制造类课程融合建设研究

2021-02-11苗淑杰徐莉刘春香

科技创新导报 2021年24期

苗淑杰徐莉刘春香

摘要：本文根据工程教育专业认证的“成果导向”理念，针对当前机械类专业教学中存在的设计和制造类课程之间相对独立设置的问题，提出了设计与制造类课程实践教学融合建设的思路。围绕机械产品设计和制造主线，突出设计制造能力培养设置理论教学内容。以培养学生知识综合应用能力和工程实践能力为导向，以真实工程环境为依托，通过项目化实践教学的5个阶段，即方案设计、零部件结构设计、典型零件工艺设计、零件加工、精度检测分析及组装，实施机械类专业设计和制造类课程实践教学的融合，实现设计与制造系统化、完整化的综合实践教学建设。

关键词：机械类专业设计与制造类课程课程融合建设综合实践能力项目化教学

Research on Integrated Construction of Design and Manufacturing Courses Guided by the Cultivation of Comprehensive Practical Ability

MIAO Shujie XU Li LIU Chunxiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150030 China）

Abstract：According to the "results-oriented" concept of engineering education certification， this paper puts forward the idea of integrating practical teaching of design and manufacturing courses in view of the relatively independent setting of design and manufacturing courses in the current teaching of mechanical majors.Focus on the main line of mechanical product design and manufacturing， the theoretical teaching content of design and manufacturing ability training is highlighted. Guided by cultivating students' comprehensive knowledge application ability and engineering practice ability， relying on the real engineering environment， the project practice teaching is divided into five stages： Scheme design， component structure design， typical component process design， component processing， precision testing and analysis and assembly are integrated into the practical teaching of mechanical design and manufacturing courses to achieve a complete integrated practice teaching of design and manufacturing.

Key Words： Mechanical majors; Design and manufacturing courses; Curriculum integration construction; Comprehensive practical ability; Project teaching

机械类专业教学包括机械设计和机械制造两大核心内容。如笔者在《机械类专业设计与制造类课程的融合建设》一文中提到的，目前，机械类专业设计与制造类课程之间存在彼此相对独立设置的问题。设计与制造类课程教学内容相脱节，导致学生对知识的掌握是零散的，对设计完成的零部件是否有良好的加工工艺性、是否满足装配要求和精度要求等缺乏认知和体验，理论指导工程实践能力和动手能力欠缺，解决工程问题的能力较弱，设计与制造类各课程内容无法做到融会贯通、灵活应用，缺乏知识和实践能力的综合训练与培养[1][2]。

为了强化工程实践教育，提升工程教育质量，深化学生的知识综合运用能力、工程实践能力以及创新意识，使得工程教育人才培养适应实际生产的需求，我国高等教育开展了本科工程教育专业认证工作。工程教育认证体现了“成果导向”“以学生为中心”和“持续改进”3个基本理念，其核心理念是以产出为导向，以学生为中心设计实施教学活动[3]。为此，机械类专业应以培养学生设计和制造综合实践能力为主线，优化课程体系，加强工程综合实践能力训练和培养。

1 機械类专业设计与制造类课程建设思路

机械类专业教学实践性很强，对学生既要注重基础理论、基础知识和基本技能的培养，还要注重面向工程的基本思维和基本能力的养成。应以工程为引导，以知识获取能力、工程实践能力培养为核心，强调教与学相结合、理论与实践相结合、教学与工程相结合的培养方式，强化学习与应用融合。

学生需同时具备设计与制造两方面的知识和实践能力，其应具备的工程实践能力及达成的教学支撑见图1[4]。

理论教学环节遵循教育教学规律，基本以学科要求设置课程，以够用为度优化课程教学内容，围绕机械产品设计和制造主线，突出设计和制造的基本知识、基本原理、基本方法及基本过程等教学内容，强调知识的应用。

实践教学环节在学生已经具备一定的设计和制造方面专业知识的基础上，实施设计类和制造类实践教学融合的综合实践训练教学。以真实工程环境为依托，采用项目化工程案例教学形式，把计算机绘图、机械方案设计、机械结构设计、工艺设计、加工制造、精度测量等内容融合入项目中，实施机械产品从设计—制造—精度检验—组装的生产流程全过程实践教学模式，实现设计与制造系统化、完整化实践教学，强化培养学生的知识整合能力、综合知识应用能力，提高学生对机械产品的设计和制造的整体认识。

2 机械类专业设计与制造类课程融合建设实施

2.1设计与制造类课程理论教学

针对机械类专业学生应具备的设计和制造方面的工程实践能力，首先需要学生掌握制图和工程设计表达、方案设计、材料分析和选择、结构设计和分析校核、精度设计和测量、加工工艺设计和制造等专业基础知识。因此，在设计制造融合实践教学环节开设前，要有足够的理论知识来支撑，需要先学习相应的理论课程，以获取相应的机械产品设计和制造的基本知识与技能。

通过机械制图课程的学习，掌握投影、国家标准、机件的表达、标准件常用件等知识，培养学生的识图、制图及设计表达能力;通过工程力学课程的学习，掌握运动学及动力学分析计算，杆件的内力、应力分析及强度、刚度计算等知识和理论，培养学生对机械工程问题进行受力、运动等方面的分析及对杆件进行设计计算的能力;通过互换性与技术测量课程的学习，掌握标准、机械零件的尺寸精度、几何精度和表面粗糙度的选用及标注，现代测量技术等知识，培养学生机械精度设计及技术测量能力;通过工程材料及成形技术基础课程的学习，掌握机械工程材料、组织结构、性能，热处理工艺、成形工艺等知识，培养学生合理选材，制定经济合理的热处理工艺及成形工艺的能力;通过机械原理课程的学习，掌握机械原理的基本知识、常用机构的设计原理及方法、机械动力学基础等知识，培养学生机械系统传动方案设计及可行性分析能力;通过机械设计课程的学习，掌握传动零件、轴系零部件、连接件等通用零部件的设计理论和设计方法知识，培养学生通用机械零部件或简单机械设计及工作能力分析的能力;通过金属切削机床与刀具课程的学习，掌握金属切削原理、刀具及机床设备等知识，培养学生零件加工的能力;通过机械制造工艺学课程的学习，掌握机械制造工艺、机床夹具设计、机械加工精度、机械加工表面质量及机械装配工艺等知识，培养学生机械加工工艺规程设计及机床夹具设计能力。

教学中，精简各理论课程教学内容，删除重复内容，对于实践性较强或结合实物易于理解的内容，如工程材料及成形技术基础课程中热加工零件毛坯制造部分的基本知识，金属切削机床与刀具和机械制造工艺学课程中有关金属切削刀具、加工设备、机械加工工艺及夹具结构设计等方面基本知识，适合于现场讲授的内容尽量安排在实习中讲解。

2.2以实践能力培养为导向的设计与制造类课程融合的综合实践教学

综合实践教学即将两门或两门以上的实践课程合并在一起，融合各门课程的主要教学内容，形成综合实践训练的教学模式，以便学生系统、全面、综合地掌握专业知识技能。综合实践教学融合原传统的教学内容有：机械原理课程设计、机械设计课程设计、机械制造工艺课程设计及机械制造工艺实习，还增加了精度测量分析内容。

在进行综合实践教学前，需完成计算机辅助设计和工程训练实践技能训练。通过计算机辅助设计实践教学，培养学生应用CAD软件表达机械结构的能力，为后续设计机械结构储备技能;通过工程训练实践教学对典型产品的制造加工过程，使学生了解零件加工方法和工艺过程，培养学生加工操作技能，为后续零件工艺设计及加工奠定实践基础。

在综合实践教学中，按照专业人才培养目标，坚持成果导向教育理念，以设计制造能力培养为主线，运用、整合所学的知识和技能，交互融合理论教学与实践教学，使学生得到逐步递进式的产品构思、设计、实现、运行的全过程系统性综合训练[5]。

2.2.1项目实践教学的任务要求

在进行综合实践教学前，需向学生布置详细的工作任务。项目选择实际工程机械，如产品包装生产线、输送线布料装置、分度冲压机、曲柄压力机、颚式破碎机、绞肉机、提升机、抽油机等。学生需完成项目的方案设计、零部件结构设计、典型零件工艺设计及加工、精度检测分析、组装、技术文件编写等综合性的设计制造内容。

2.2.2项目实践教学实施

按照机械产品设计制造的生产过程，项目实践教学分为如下几个阶段进行。

第一阶段：方案设计。学生以组为单位，分别完成任务书中上述不同的项目案例的机械方案设计。进行机构选型和组合，研究运动形式的变换，并对机构进行结构分析和性能比较，根据机械的用途、功能、工艺要求及机构运动规律要求，确定设计方案，绘制方案的机构运动简图，编写设计说明书。培养学生初步的方案设计能力。

第二阶段：零部件结构设计。从第一阶段设计的方案中，选择1个或2个典型部件，如变速器、减速器等完成结构设计。运用机械设计原理和方法，依据工作技术要求，选用标准和规范，进行电动机选择、部件及其中零件的尺寸設计计算和结构设计，应用CAD等软件绘制装配图及部分典型零件工作图，编写设计说明书。培养学生初步的简单机械装置设计能力。

第三阶段：典型零件工艺设计。从第二阶段设计的部件结构中，选择已完成设计的2个具有配合关系的典型零件，如齿轮和轴、连杆和轴等完成工艺设计。运用机械制造的基本理论和方法，分析零件的加工工艺要求，设计机械零件加工工艺规程，编写工艺过程卡片及工序卡片，编写设计说明书。培养学生初步的工艺设计能力。

第四阶段：零件加工。在校工程训练中心完成第三阶段工艺设计的典型零件的加工制造，将设计的零件实物化。按照零件设计的加工工艺及经过工程训练所掌握的装备操作技能和零件加工方法，合理选择零件加工的设备和工具，根据零件的尺寸、结构形状及精度要求，加工出满足设计要求的零件。培養学生按工艺要求加工零件的操作技能和解决现场工艺问题的能力，增强学生对零件设计结果的直观感性认识。

第五阶段：精度检测分析及组装。根据第四阶段加工零件的测量指标，完成尺寸精度测量。合理选用计量器具，根据零件精度的测量技术方法，结合零件的尺寸及尺寸精度、几何精度、表面粗糙度等设计要求，对已经加工完成的具有配合关系的两零件进行精度检测，并对测量结果数据进行判定，是否满足设计指标要求。对精度测量合格的轴、孔零件进行配合组装，其结果可能会出现满足配合公差要求的合格加工件和不满足配合公差要求的不合格加工件两种情况。出现配合公差不合格的情况原因有两种：一种是轴、孔配合公差设计不合理;另一种是轴、孔配合公差设计合理，但零件设计中尺寸公差与配合公差标准不一致。因此，最后要求学生对精度测量不满足设计指标要求的不合格数据及不满足配合公差要求的不合格轴、孔加工件进行问题分析，找出问题出现的原因和环节，是设计阶段还是加工阶段，提出修改方法或措施，做出改进分析报告。培养学生机械精度技术测量、数据分析处理及解决产品质量问题的能力。

通过设计与制造相融合的综合实践教学，将教学场地从教室扩展到工程训练车间及实验室，让工程教育回归工程实践[6]。实践能力的培养贯穿于项目教学全过程，避免了“纸上谈兵”，切实培养学生求真务实的精神，增强学生产品设计的责任感，有效检验学生设计与加工的合理性。

2.3教学环节进程安排

根据设计与制造类课程先修与后续课程之间的相互支撑关系，各教学环节进程安排及支撑情况如图2所示。

3 教学建设需进一步完善之处

为了更好地实施课程建设，有些问题需要进一步完善。

（1）修改专业人才培养方案，从顶层设计优化实践教学体系，设置课程融合的综合实践教学环节。

（2）改善实践教学条件，加大对零件加工基础设施的投入力度，增加设备的种类和台套数。

（3）加强教师与工程训练中心指导教师的协调配合，共同参与实践教学的全过程。

（4）如有条件，可以在项目中融入电气控制部分内容，实现设计、制造、控制类课程相融合的机电一体化综合实践课程建设[7]。

（5）形成开放式的工程实践训练模式。项目最好延伸到企业，学生可以体验企业真实的生产环境，感受企业工程文化。

4 结语

设计与制造类课程融合改革建设中，重点对传统的实践课程进行了重新整合，以综合工程实践能力培养为主线重构实践课程体系。以机械工程项目教学为导向，建立新的开放式工程实践训练模式，学生自主完成项目的构思、设计、实现等完整的设计制造过程，符合机械类专业人才培养需求。