突出行业特色的机械综合实验装置的设计与应用——以“设计与测量”综合实验为例

王卿源，邹德芳，杨姝扬，郝瑞琴

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑“中国制造2025”等一系列国家战略，2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，旨在培养一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[1]。

机械专业是传统的工科专业，在新工科建设中面临着更严峻的挑战。全国各个层次高校都深刻的意识到，陈旧的课程体系和培养计划已不再适应新形势下的人才培养要求，必须创新人才培养模式、优化课程设置，大胆闯进教学改革的“无人区”[2]。很多学校进行了积极的探索。例如，天津大学“智能制造工程”专业形成了以项目制、模块化和交叉性为特色的课程体系建设。以“设计与建造”课程为例，教师围绕项目任务开展教学，每个小组都要拿出符合考核指标的“物流派送小车”，不再通过期末闭卷考试评定成绩，而是实行包括演讲、交流、合作、实践等在内的全过程多维度评价[3]。长春理工大学建设了“KEEPS 发展室”制造课程智慧教室，将老师的科研项目外化为教学手段、内化为教学内容，让学生‘学中做’和‘做中学’，打破理论知识传授与实践能力培养的时间和空间壁垒，加速对学生工程创新能力的培养。

1 传统机械专业实验课程存在的问题

机械学科不同于数学、物理等理论性非常强的自然科学，机械学科具有极强的应用性与实践性，也因其这个特点，在培养学生解决工程复杂问题能力和实践创新素养方面，机械学科的实验课程比理论课程承担着更重要的职责。但实际现状是，实验课没有引起学校和学生的足够重视，教师和学生普遍把实验课程看作理论课程的附属内容，认为实验课无足轻重。在新工科建设中，实验课程有几类问题亟待解决：实验课程从属于理论课，课程内容不成体系，实验项目之间缺乏联系;实验课程内容更新缓慢，落后于产业技术的发展速度;验证性实验较多，创新性和综合性实验较少；实验设备陈旧、功能单一，自主研发占比少，实验设备缺乏独创性。

2 “设计与测量”综合实验改革路径

实验课程的滞后发展已不能满足新工科的人才培养要求。新工科旨在培养具有解决工程复杂问题能力的创新型卓越工程人才，这对实验课程提出了更高的发展要求[4]。沈阳建筑大学在新工科建设过程中做出了突破性的尝试。沈阳建筑大学机械工程学院办学基础雄厚，机械设计制造及其自动化专业于2018 年通过国际工程教育专业认证，有效期6 年，同年机械工程学科入选辽宁省一流学科重点建设学科（A 类）。我校机械工程学院具有鲜明的办学特色，以混凝土机械、水泥机械、盾构机械、吊装机械、预制构件生产机械等工程装备为教学和科研方向。沈阳建筑大学地处东北老工业基地，东北区域的工程装备企业都面临着传统技术升级和产业转型发展的迫切需求。因此，沈阳建筑大学肩负着为区域经济建设和行业技术进步培养卓越工程人才的双重使命。在新工科建设的过程中，结合机械专业实践性强的学科特点，以本科实验课为切入点，对实验课程进行综合实验改革，现已搭建起综合实验课程体系框架，形成“设计与测量”综合实验、“设计与制造”综合实验、“机电液一体化”综合实验等5 门单独设课且具有工程装备特色的综合实验课程。这5 门课程独立成课，课程内容自成体系，有各自对应的教学大纲。

“设计与测量”综合实验依托齿轮减速器中的经典模型——轴系，将“机械设计”“机械精度设计与测量”“机械制图”三门机械专业核心课程的知识点整合凝练起来，引导学生以综合性、设计性思维习惯进行学习，实验改革路径见图1。课程分为3 个部分：（1）阶梯轴测绘、制造工艺规划、精度测量、轴系部件设计与分析综合实验；（2）齿轮测绘、制造工艺规划、精度测量综合实验；（3）典型工程机械（锤式破碎机、混凝土搅拌机、双齿辊破碎机、回转窑等）传动系统方案创意设计。

图1 “设计与测量”综合实验改革路径

3 “设计与测量”综合实验课程特色

3.1 深化产教融合，突出工程装备行业特色

新工科建设和“双一流”建设都强调，不能走“千校一面”的道路。由行业高校转型发展的地方行业高校要突出自身行业优势，突出办学特色，树立良好的行业声誉，扩大社会影响力，走差异化发展道路[5]。沈阳建筑大学机械工程学院以混凝土机械、水泥机械、盾构机械、吊装机械、预制构件生产机械等工程装备为主要的教学和科研方向，具有鲜明的办学特色。理论课和毕业设计环节已经实现了广泛深入的产教融合，但实验课程一直是产教融合的薄弱环节。实验项目大多缺乏实际工程背景，不利于培养学生综合工程能力。我校创新性地将行业元素引入实验教学课堂，构建工程装备行业特色鲜明的实验课程体系，补齐产教融合育人短板，提升学生解决复杂工程问题的能力。

以“轴系部件设计与分析”实验项目为例，任务卡片中的“重载”“高速”这些工况，对学生来说只是生涩的名词，无法映射到具体的生产案例上，与业界真实生产场景是脱节的。教学团队给任务卡片中的每一种抽象工况都设定了实际工程背景，如“重载、低速”的工况，对应的是颚式破碎机偏心轴轴系。实验项目有了实际的工程背景，之前悬浮的实验内容得到了落地，学生的综合工程能力得到极大提升。

3.2 发挥产学研优势，实现新型实验台研发

综合创新性实验的顺利开展，必须有与课程相匹配的实验设备。以机械传动实验设备为例，传统的机械传动实验台功能单一，只能测试一种传递形式的性能参数，而在实际生产中，通常是多种传递形式组合叠加在一起使用，因此传统实验台与实际生产场景脱节严重，更无法达成综合工程人才的培养目标。

国内开设“工程装备”综合实验的高校较少，缺乏成熟的实验教学设备。因此教学团队与专业厂家深度合作，共同对实验设备进行研发，实现了实验设备的原创性。现已研发了“机械传动系统方案创意设计立体教学实验台”，并与企业合作生产出样机。该实验设备可以实现单级与多级传动装置性能测试，以及典型工程装备传动系统搭建与性能测试，如锤式破碎机、回转窑、双卧轴混凝土搅拌机等，如图2 所示。

图2 机械传动系统方案创意设计立体教学实验台样机

该实验台是一种模块化、多功能、开放式、具有行业特色的新型机械传动综合实验设备，主要由动力模块（库）、传动模块（库）、典型工程装备模块（库）、支承联结及调节模块（库）、测试模块（库）等部分组成，通过对各模块（库）的选择和装配搭接功能完善，不但可以实现单级与多级传动装置性能测试，还能够完成锤式破碎机、回转窑、双卧轴混凝土搅拌机等典型工程装备传动系统搭建与性能测试的综合实验。同时该实验台配备了在线虚拟实验教学，让学生可以通过互联网对实验相关的知识、实验台的具体操作和实验的考核进行全方位的辅助教学与效果跟踪。

围绕该实验台，现已搭建起难度递进式的课程体系，包括典型工程装备构造认知实验（感知型），轴系零件结构分析实验（基础型），轴系结构创意组合设计实验（设计综合型）、机械传动系统性能方案比较与研究实验（研究型）。教学团队和企业发挥“教”和“产”的各自优势，让教师对实验台的设想落地生根，激发学生的创造性，锻炼学生的综合能力。

3.3 搭建突出工程装备行业特色的综合实验课程体系

优化课程设置，形成综合性强、知识点集成度高的课程体系。以阶梯轴为例，阶梯轴实际生产流程主要有设计、制图、制造、精度检测四个步骤，这四部分内容分散在“机械设计”“机械制图”“机械制造技术基础”“机械精度设计与检测基础”等多门机械专业主干课当中，学生很难站在全局的视角上将这些知识点串联起来。“设计与测量”综合实验，以厚通识、宽口径为设计目标，将阶梯轴上承载的知识点整合起来[6]。作为一个综合实验，学生通过课程学习，掌握典型零件设计制造的全周期流程，并能够举一反三，以零件生产全周期流程的思路对其他零件进行自主学习，进而培养学生的综合实践能力。

3.4 改良教学方法，培养学生创新精神和终生学习精神

新一轮科技革命和产业变革，促使不同学科交流碰撞，催生出大量新知识和新技术。但哪些学科会碰撞在一起，产生什么样的知识，这是无法预知的。学生在课堂上学到的知识可能远不能支持他们将来在工作岗位上的需求，学生必须具备终生学习的精神和能力。因此以知识传授为本位的传统课堂已不再适应新时代对人才的要求，需要形成以能力培养为本位的新型教学模式。“设计与测量”团队教师引导学生以小组为单位，自主分析各类典型工程装备的结构组成、运动传递路线等知识点，并进行简短汇报。以学生的“独立思考”代替教师的“侃侃而谈”，真正实现以学生为中心的教学理念，培养学生自主思考、主动学习、终生学习的能力。

4 教学改革思路

4.1 推进产教融合、促进校企协同育人

将国内工程装备企业前沿的技术和最优秀的工程师等资源以各种形式引进学校，带入课堂。探索产教深度融合的长效机制，与企业协同探索面向新工科的创新人才培养新模式[7]。充分发挥“产”和“教”的各自优势，打造校企深度融合跨学科创新实验实践平台，推进构建互动互联、共建共享的教育新生态。

4.2 优化课程设置，形成阶梯式实验课程体系

在课程体系框架的基础上，进一步优化课程设置，逐步形成综合性强、知识点集成度高的课程体系。以典型机械零件为载体，打破课程间壁垒，按照其实际生产流程整合课程内容，形成以新工科理念为引领、具有鲜明行业特色的综合实验课程体系。

同时，增添新生课程引导认知实验，形成阶梯式课程体系。传统工科课程体系是，学生大一和大二年级先要学习“高等数学”“画法几何”“理论力学”“机械原理”等基础性课程，到了大三年级才开始接触专业课程。这样的课程设置造成学生进入专业课程学习的时间点较晚，不利于学生专业素养的形成。阶梯式实验课程体系的设想是，在大一学年设置新生认知实验，引导学生在专业课开课之前，自主进行学习和探索，为大三学年的专业课做好先期准备。

4.3 以新工科育人理念为引领，注重学生非技术能力培养

工业4.0 的蓬勃发展对工科人才的能力和素养都提出了新的要求。新一代工程师不但要恪守工程伦理，勇挑职业担当，更要培养家国情怀、创新创业精神、批判性思维和团队合作的意识，以及养成自主终生学习习惯。新工科建设旨在培养一批拥有专业能力和综合工程素质的新型工科人才，因此学生非技术能力的培养也是其中重要的内容。

实验课程不但要教书，更要育人。综合实验系列课程改变了传统实验课程内容杂乱分散的状态，课程内容逐步形成体系。传统的实验课程缺乏典型工程案例，课程思政的开展更是缺乏抓手。“设计与测量”综合实验以典型工程装备机械为依托，以其核心部件的实际生产全周期为主线开展教学，这种教学模式可以更好的承载思政元素，达到润物无声的育人效果。深度挖掘知识点蕴含的思政元素，同时结合学生普遍的性格特点、认知特点和兴趣爱好，深入浅出、触类旁通地引导学生感受机械之美、大国重器的精良、大国工匠的风范。

4.4 探索产学研结合、课赛结合的人才培养模式，促进学生创新创业能力的培养

新工科的教学理念是，认为工程的本质是“造物”，提倡学生在“做中学”。在如今知识爆炸的时代，需要培养学生对知识活学活用的能力，这个前提是需要先知道解决什么样的问题。在工程实践中抛开专业壁垒，需要做什么就学什么；在学知识的同时，也要考虑如何应用[8]。学科竞赛是培养学生工程素养的重要途径，学生在完成比赛命题的过程中，逐步建立起做工程的感觉。通过综合实验的建设，逐步建立起课赛结合的人才培养模式。产学研融合也是培养学生实践能力的重要方式，现如今产学研在实验课程上的融合还非常有限，通过综合实验建设的不断推进，在课程设置、实验教材编写方面实现产学研更深入全面的结合。

5 结语

在综合实验的改革探索中，“设计与测量”综合实验构建了工程装备行业特色鲜明、综合性强、知识点集成度高的综合实验课程体系，提升学生解决复杂工程问题的能力，实现了培养具有综合工程能力的创新型卓越工程人才的教学目标；发挥产学研优势，研发了与“工程装备”综合实验相匹配的新型实验台，实现实验设备的原创性。经过3 年的教学实践，学生在课设、毕设环节中的综合应用能力有了一定提升，综合实验教学效果良好。