面向工程教育認證的機械專業(yè)綜合實踐教學新模式*

高鐵紅 張爭艷 孫立新 張建輝曲云霞

（河北工業(yè)大學，天津300130）

面向工程教育認證的機械專業(yè)綜合實踐教學新模式*

高鐵紅 張爭艷 孫立新 張建輝*曲云霞

（河北工業(yè)大學，天津300130）

為更好地適應工程教育認證的要求，提高學生解決復雜工程問題的能力，在現(xiàn)有實踐內(nèi)容的基礎上，將專業(yè)理論教學后的專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)與專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)有機結(jié)合，構(gòu)建“基于作品引導的”、集“創(chuàng)新構(gòu)思—設計—加工—裝配—調(diào)試”五位一體化的專業(yè)綜合實踐教學新模式。該模式在河北工業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)得到了廣泛應用，收到了明顯的教學效果。

工程教育認證；復雜工程問題；專業(yè)綜合實踐

一、概述

高等工科教育中實踐教學環(huán)節(jié)是教學過程中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和實踐能力高級專門技術人才的關鍵。如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力，各個高校針對自身的特點采取了很多辦法和措施，取得了一定的成果［1-4］。但這些模式難以很好的吻合或支撐國際工程教育認證的要求。

工程教育認證更加注重畢業(yè)生基于工程教育背景下的工程實踐能力培養(yǎng)，要求高校畢業(yè)生必須覆蓋工程知識、問題分析、設計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團隊、溝通、項目管理和終身學習十二項一級指標，每級一級指標均包含幾個二級指標，每個二級指標均需要有相應的課程支撐。

專業(yè)綜合實踐教學環(huán)節(jié)在工程教育認證過程中占有舉足輕重的地位，可以支撐研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團隊、溝通、項目管理和終身學習等九項一級指標。

在工程教育認證背景下，本文以河北工業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)為研究對象，在已有的實踐內(nèi)容基礎上，為進一步提高學生解決復雜工程問題的能力和建立起“解決復雜工程問題”的意識，以滿足工程教育認證的要求，將專業(yè)理論教學后的專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)與專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)有機結(jié)合，構(gòu)建“基于作品引導的”、集“創(chuàng)新構(gòu)思—設計—加工—裝配—調(diào)試”五位一體化的實踐教學新模式。

二、專業(yè)實踐教學模式改革思路（框架）

本專業(yè)學生在大學四年級第一學期末需要進行為期三周的專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)，在大四第二學期開始進行為期三周的專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)。如圖1所示，改革的思路是，以作品構(gòu)思到樣機運行的整個周期為載體，以機械設計制造及其自動化的專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)為實踐平臺，以專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)為設計平臺，將專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)與專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)有機結(jié)合，實現(xiàn)機電一體化作品的“創(chuàng)新構(gòu)思—設計—加工—裝配—調(diào)試”五位一體的專業(yè)綜合實踐教學新模式。

在專業(yè)綜合實踐課整個過程中，使學生將課程設計與實踐課緊密結(jié)合起來，從作品設計、材料購買、零件加工制作、整機裝配，到最后的機電作品調(diào)試，從頭到尾讓學生自己親自動手和感受機械設計制造及自動化的全過程，工學并舉，予學于工，大學四年所學的專業(yè)課基本能用上，真正體會到什么是“學以致用”。

改革后的模式通過系列重要環(huán)節(jié)注重學生綜合能力的培養(yǎng)，以適應工程教育認證的要求：

（1）機電作品構(gòu)思環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和項目研究的能力；

（2）機電作品設計環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學生機械裝備設計與繪圖能力、使用現(xiàn)代化工具能力，培養(yǎng)學生嚴守職業(yè)規(guī)范的意識；

（3）機電作品加工制作環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學生機械零件數(shù)控編程與加工的制造能力，及工程與社會所要求的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識；

圖1 專業(yè)綜合實踐課教學模式改革思路

（4）機電作品裝配環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學生機械裝備整機設計后的工程實現(xiàn)能力及解決復雜工程問題的能力；

（5）機電作品聯(lián)機調(diào)試環(huán)節(jié)：培養(yǎng)學生工業(yè)電氣控制編程與工程問題解決能力。

此外，在該模式中，系列重要環(huán)節(jié)開展的前提是以小組/團隊為單位循序漸進進行，因此，經(jīng)過該模式的訓練后，學生的獨立工作與協(xié)同工作能力得到提高，項目管理和經(jīng)濟性評價能力得到提高，綜合應用所學各門課程知識分析問題和解決工程實際問題的能力得到提高，為后續(xù)的畢業(yè)設計打下良好專業(yè)基礎，使學生能更好適應現(xiàn)代化社會對機械工程高級技術人才的需要。

三、專業(yè)綜合實踐教學實施步驟

專業(yè)綜合實踐教學模式改革具體實施步驟，包括機電作品創(chuàng)新構(gòu)思、設計、典型零件CAD/CAM、數(shù)控仿真加工零件、數(shù)控機床實際加工零件、機械結(jié)構(gòu)總體裝配、控制系統(tǒng)硬件控制柜制作、控制系統(tǒng)PLC軟件設計、機電系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試。學生以小組為單位設計并加工制作具有一定功能的機電一體化小作品。

（一）機電作品創(chuàng)新構(gòu)思

在專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)之前，指導教師提前兩個月左右給學生布置創(chuàng)新機電作品任務，要求學生自己提出一個具有一定工程應用功能的機電作品創(chuàng)意，給學生充分的想象空間和時間進行作品的構(gòu)思，作品的大小按照能夠在實驗桌面上擺放開即可。在這個過程中，學生需要開動腦筋，提出自己的想法，并與老師經(jīng)常溝通討論方案，經(jīng)過多次交流與不斷修改得到最終機電作品方案。

（二）機電作品結(jié)構(gòu)設計

機電作品結(jié)構(gòu)設計主要是在專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)中進行。結(jié)合實驗室購置的各種機電元器件：如步進電機、伺服電機、各種氣缸、滾珠絲杠副，直線導軌副、各種傳感器、鋁型材以及部分連接件等，進行創(chuàng)新機電作品方案的具體機械結(jié)構(gòu)設計。利用三周專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)進行三維模型構(gòu)建和二維裝配圖設計，最后繪制專用零件CAD加工圖。

（三）專用零件數(shù)控加工

學生針對自己作品中的專用零件進行數(shù)控仿真加工，檢查編程是否合理，然后在數(shù)控車床和數(shù)控銑床上，利用仿真編制好的數(shù)控程序，自己動手加工出所設計的部分零件。

（四）機械結(jié)構(gòu)總體裝配

學生自己動手，將自己加工制作的專用零件和部分外協(xié)加工件，以及作品中用到的實驗室購置的各種機電元器件等組裝成一套具有一定功能的機電作品。

（五）控制系統(tǒng)硬件控制柜制作

采用PLC進行機電作品控制系統(tǒng)設計，學生根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖和布線圖制作控制柜，自己動手完成電器元器件接線及控制柜的制作。

（六）控制系統(tǒng)軟件設計

學生根據(jù)自己作品的動作要求編寫PLC控制程序，在PLC的仿真平臺下進行調(diào)試。

（七）機電系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試

將在計算機上編寫好的控制程序下傳到PLC硬件中，進行機電作品聯(lián)機調(diào)試。

至此，學生完成了創(chuàng)新機電一體化作品的全部制作。

四、實施效果

2015年第二學期末至2016年第一學期初，新模式在我校機械設計制造及其自動化專業(yè)得到了廣泛應用，收到了明顯的教學效果。改革以后的專業(yè)綜合實踐教學新模式更加受到本科生歡迎，學生參與的積極性和主動性提高，自主學習和主觀能動性得到加強，解決復雜工程問題的能力得到鍛煉。圖2為學生作品成果展示與作品調(diào)試。

圖2 作品展示（左）和作品調(diào)試（右）

本次實踐課共構(gòu)思、設計、制作和成功調(diào)試了10余件機電作品，且全部由學生自己動手實踐完成，整個過程中，依托該實踐課申請6項國家發(fā)明專利和6項實用新型專利，其中一件作品獲得第七屆全國大學生機械創(chuàng)新大賽全國一等獎，學生的綜合實踐能力得到大幅度的提高。

五、結(jié)束語

實踐教學過程中強調(diào)學生主動參與，自主創(chuàng)新設計、自己動手實際加工零件、自己裝配和調(diào)試所設計的機電一體化小作品，不僅使學生對機械裝備的設計和裝配、機電系統(tǒng)結(jié)合的總體工程意識和設計能力得到提高，而且激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和參與意識，使學生被動參與教學活動變?yōu)橹鲃訁⑴c。本文提出的專業(yè)綜合實踐教學新模式，對機械設計制造及其自動化專業(yè)綜合改革起到非常大的推動作用，對相同或相似類型的本科生專業(yè)實踐教學建設具有示范作用和借鑒意義，為新形勢下高等工科本科生實踐能力培養(yǎng)探索出一條新路。

［1］劉鐵山，葉仲琪.高校工科專業(yè)實踐教學體系的構(gòu)建嘗試［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2010（4）.

［2］湯云暉，王波，李耳.培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力的創(chuàng)新實踐課教學［J］.中國現(xiàn)代裝備教育，2012（5）.

［3］陳鵬勇.創(chuàng)新實踐教學模式培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才［J］.中國大學教學，2010，5.

［4］韓少男，張智鈞.工科專業(yè)系統(tǒng)實踐教學體系的構(gòu)建［J］.黑龍江高教研究，2009（10）.

To satisfy the requirements of engineering education accreditation better，and improve the ability for solving complex engineering problems，this paper combines the existing different integrated practical teaching patterns for constructing the new integrated practical teaching pattern，which is the“products-based”and integrates five different sections（creative idea，design，manufacture，assembly，debugging）.This new pattern has been implemented in the mechanical major of Hebei University of Technology，and the implementation result demonstrates that this new teaching pattern is efficient.

engineering education accreditation；gomplex engineering problems；integrated practical teaching pattern

G642

A

2096-000X（2016）20-0170-02

科技部創(chuàng)新方法工作專項“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法訓練體系構(gòu)建與應用示范”（編號：2015IM040200）；河北省教改項目“機械設計制造及其自動化應用創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系研究”（編號：2012GJJG004）。

高鐵紅（1961-），女，河北石家莊人，河北工業(yè)大學機械工程學院教授。張爭艷（1984-），男，山東菏澤人，河北工業(yè)大學機械工程學院講師、工學博士。孫立新（1964-），男，河北承德人，河北工業(yè)大學機械工程學院教授。

*通訊作者：張建輝（1974-），男，河北省景縣人，河北工業(yè)大學機械工程學院副教授、工學博士。

作者簡介：曲云霞（1969-），女，河北承德人，河北工業(yè)大學機械工程學院教授。