基于项目制的焊接实践教学模式探究

高党寻，姚启明，高炬，彭世广，王龙兵，徐江波，周冰科

摘要：阐述以涡喷发动机燃烧室焊接制造为案例开展的工程实践教学模式。在燃烧室设计、材料选择、零件成形、焊接加工以及后处理的理论基础上，通过动手实践了解冲压、焊接、切割、热处理加工等基本的成形制造方法。实践项目注重理论联系实际，强调知识获取过程、知识综合运用和创新能力，加深学生对一般焊接产品制造工艺过程的系统认知。通过团队协作式的劳动实践，培养工程素养（含劳动素养）、工程实践能力及创新精神。同时，通过让学生亲自动手制造喷气发动机，激励和引导学生产生投身航空事业的热情，进而提升实践教学效果。

关键词：燃烧室;实践教学;焊接加工;工程能力

中图分类号：G642      文献标志码：B         文章编号：1001-2003（2021）09-0104-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.20

0    前言

自金工实习过渡至工程训练后，其内涵发生巨大变化。在教学理念上已经将学习技术技能和转变学生思想作风为主体的训练模式转变为融传授知识与文化、加强学生实践能力和培养创新能力为一体的新模式。在实践过程中要营造突出综合性、实践性、设计性、研究性、创新性为特点的工程实践[1]。

机械制造实习作为高等院校实践教学的重要组成部分，对培养学生的工程实践能力、提高学生的工程素质有着突出意义。近年来焊接实践教学针对新的教学理念做了很多尝试，尤其在突出创新性和实践性方面开发了一系列的教学方案，并在本科生实践教学中予以实施，成效显著。为了更好地培养学生的工程素养（含劳动素养）、工程实践能力及创新精神，加强教学内容的设计性、研究性和创新性，清华大学基础工业训练中心对焊接实践教学内容和教学方式进一步开展改革尝试。通过重新整合教学环节，精心设计教学内容，将焊接教学内容和环节与实际工程技术和工业实验技术相结合，以微型涡喷发动机燃烧室的制造为项目开展实践教学。改革实践教学模式，积极开展研究式、讨论式教学，充分调动学生学习的积极性，提高学生对知识的理解和应用能力，启发学生的创新思维，从而加强学生工程素养、工程实践能力及创新精神[2]。

1 焊接项目制教学的内容和实践

涡喷发动机的燃烧室（见图1a）是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置，是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备。涡喷燃烧室是涡喷所有部件里最为核心的零件，直接影响到涡喷的工作性能。燃烧室的零件主要由三个部分组成：第一部分是前机加安装边;第二部分是后激光加工安装边; 第三部分是钣金筒体。上述三个部分焊接成为一个整体组成构件，见图 1b。

1.1 教学内容

在实践教学中，学生尝试以燃烧室作为焊接实践项目的教学过程，从搞清产品功能所需，到设计选材、备料、零部件成型，直至焊接方法选取、工艺制定、成品效验，能够使学生了解到真实的焊接产品所需要的焊接工艺流程，同时也认识到焊接领域的先进制造方法。在此基础上，还可尝试采用电子束焊、微束等离子焊对基体材料进行相关的焊接工艺研究，不断探索燃烧室的多种焊接制造工艺。实践教学内容及流程设计如图2所示。

根据焊接实习基地所具备的教学资源和燃烧室制造加工的特点，将其制造分成以下5个教学环节：

（1）确定设计。以理论的方式，交流探讨燃烧室零部件在发动机运行中的作用，了解其功能、组成及制造工艺流程。要求学生应用所学的相关课程的理论和生产工艺知识，熟悉机械零部件的构造、应用以及在整机中起到的作用，通过一系列实际训练，能够提出自己对零件进行优化以及进行适当改进的独特见解。最终确定燃烧室的原型设计。

（2）通过与指导老师在材料知识与具体工艺方面的知识交流，对燃烧室进行开发实践。确定其零件采用的材料、选用的成形工艺、如何测量等，以实现各零件的功能。

（3）制定制造工艺流程。在设计和开发的基础上，学生制定零件加工、装配、焊接、后处理的工艺流程，详细梳理其制作工艺。前后壁、内外筒体采用激光切割（展开）;内置喷管采用线切割;内外筒采用桌面及三辊滚圆机卷圆，卷圆成形后焊接的筒体须再用滚圆机矫正曲率;各部位接头采用不同的焊接方法，以确保焊接变形最小及减少焊接缺陷出现的风险。

此外，采用阶梯式分阶段课程的形式可将燃烧室的设计、制造、装配等全过程纳入到成形制造实验室的数字化平台，如图3所示，从而进行全生命周期管理，整合并充分利用相关的软硬件资源，形成燃烧室设计制造一体化的课程内容，培养学生的系统性思维与全局观。围绕产品所涉及的各个环节，为学生展示当前先进的产品研制模式和制造方法，使其能够在未来科研过程或实际工作中，不局限于自身的研究方向或工作内容，而是从产品价值链或企业产品研发制造的角度，系统性地理解专业内容。

（4）現场实际加工。以前期内容制定为指导，现场指导人员为助手，完成指定路线的加工过程。

（5）安装及质量检测。

1.2 实践方案

涡喷发动机燃烧室制作采用理论与实践、研究与创新、学生团队与教师队伍相结合。在实践过程中，采用以学生为主体的主动式实践教学，学生根据教学基本要求进行实际操作，结合分组讨论的形式，侧重工艺研究和动手实践，让学生在训练中发现问题，并找出解决问题的方法，最大程度地发挥学生的主动性和创造性。教师在整个过程中充当助手角色。

例如，在焊接过程易出现两方面问题：一个是燃烧室结构变形;另一个是焊缝出现烧穿缺陷。针对上述问题分析原因，帮助学生归纳应对解决方案如下：（1）合理设计接头形式，为保障焊接质量，各结构基本采取对接接头;（2）制定合理的焊装顺序，以降低产品的焊接变形，见图4b;（3）采用适当的装夹工具，部分区域采用自制夹具，通过刚性固定，降低变形;（4）特定焊接接头采用适当的焊接方法。

通过上述分析问题、解决问题的过程，基本能够解决加工中的实际问题，从而在教学过程中培养学生发现问题、分析问题进而解决问题的能力，同时也调动了学生的实践积极性和创造性。

2 结论

项目制的焊接实践教学模式探究旨在通过各环节设置，从激发学生实践志趣、燃烧室设计开发，到制造加工，再到发动机装配及测试，利用闭环式教学让学生产生系统的制造意识。学生在课程中可以亲自动手制造喷气发动机，激励和引导学生产生投身航空事业的热情，为我国航空事业输送高水平人才。课程中做到工程与工艺相结合，实践与理论相结合，有利于培养懂工艺、知前沿、有抱负的工程师乃至科学家。通过团队协作式的劳动实践，培养学生的工程素养（含劳动素养）、工程实践能力及创新精神。

以微型涡喷发动机燃烧室零部件制造为例开展焊接项目制教学，其内容和模式仍有待进一步完善和改进，教学观念转变是推进教学开发和改革的有力抓手。我们相信，只要坚持转变教学观念，并脚踏实地的去实践，新的实践教学模式将展现出更好的前景。

参考文献：

[1]高党寻，姚启明，王龙兵，等，弧焊机器人实践教学设计[J].电焊机，2015，45（12）：155-157.

[2]高炬，高党寻，培养学生的探索精神与创新意识——谈工程训练的教学方法[A].现代教学理论与实践指导全书[C]. 中国文联出版社，2010.

[3]王斌耀，徐鉴.全局观在培养学生思维方式中的重要作 用[J ].力学与实践，2006（3）：74-75.

[4]高党寻，姚启明，杨建新，等.弧焊机器人实践教学平台的建设与规划[J].焊接技术，2020，49（8）：79-82

[5]乔佳，高党寻，姚启明，等.探究式学习在弧焊机器人实践教学中的应用[J].电焊机，2018，48（11）：112-116.