工程訓練中心先進制造技術集約化訓練系統建設

楊祖幸, 陳 艷, 董麗萍

( 四川大學 實驗室及設備管理處, 四川 成都 610065)

我國工程訓練實踐教學改革起步于20世紀90年代,隨著“科教興國”戰略方針的實施和多渠道資金對本科實踐教學和基地建設的投入,我國工程實踐教育取得了迅猛發展。但是工程實踐教育的快速發展和質量提升,并不能掩蓋客觀存在的一系列制約工程實踐教育改革和發展的深層次問題,如缺少具有引領和推動作用的頂層設計；缺少科學、系統的課程體系；缺乏對實踐教學基地長期發展理論的研究等[1-2]。

以“十五”期間建設的33家工程訓練國家級實驗教學示范中心為例,目前平均面積大約在1.7萬m2左右,最大的甚至達到3萬m2,設備資產平均將近5 000萬/個。但在教學模式上,目前絕大多數學校依然按照傳統的工程訓練課程教學模式運行,大量設備相對獨立地按照冷、熱工藝方法分類,主要以單機方式運行,教學內容設計不重視對學生建立系統概念的引導,致使工程類實踐教學設備存在布局分散、低層次運行及設備功能得不到充分發揮、資源共享程度低的狀況。學生反映比較集中的問題是,課程內容分散、工種相對獨立、工藝流程前后顛倒、課程缺乏系統性和完整性、學習目的不夠明確等,不利于他們的自主學習和全面掌握知識。與此同時,在現代制造業朝著系統化、數字化、技術集成化和多學科交叉方向發展的背景下,一大批先進制造設備正在進入高校的各類實驗中心,新技術、新工藝、新設備正在成為工程實踐教學的重要組成部分。如何構建新工科背景下多學科交叉的實驗教學體系和平臺,以適應新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟發展,培養面向“中國制造2025”的高級工程人才,成為工程實踐教學內涵建設急需解決的問題[3-7]。

1 四川大學工程訓練中心現狀

1.1 基本狀況

四川大學工程訓練中心是四川省首批省級實驗教學示范中心,2007年成為國家級實驗教學示范中心,每年有文理工醫50余個專業的4000余名學生在中心完成不同層次和不同類型的工程訓練及創新學習。在新工科背景下,工程訓練中心以多學科基礎知識交叉為特色,集基礎訓練、先進技術訓練、創新實踐訓練和綜合素質訓練為一體,教學內容注重傳統與現代、工程與醫學和人文社科的結合,除傳統制造技術外,已覆蓋先進制造工藝、自動控制技術、特種加工、數控技術、工業機器人、CAD/CAM、特種焊接、基礎醫學、醫學功能材料,以及康復治療、藝術、文物修復及保護、環境保護和安全教育等多個領域和學科的基礎知識訓練和綜合訓練。全程安全教育、醫學功能材料與骨科康復、快速成形(3D打印)和激光加工及柔性制造系統等多個實驗模塊或平臺處于國內領先水平。

1.2 建設思路

四川大學堅持辦最好的本科教育,努力培養學生的想象力、創造力和探索未來的潛質、能力。學校非常重視本科教學實驗室建設,近幾年年均投入1.2億元,按照世界一流的標準和“先進性、專業性、課程性、創意性”四位一體的建設理念,以跨學科/專業共建共享的建設模式和智能化的運行管理手段,搭建了多學科交叉的智能化教學實驗平臺。示范中心作為實驗教學改革、實驗室建設與運行管理、學生綜合能力和創新能力培養等方面的引領示范單位,長期以來,學校從政策、經費、管理等方面對示范中心給予了重點支持。

近年來,隨著大批先進制造設備進入中心,建設與之相適應的新的實驗教學體系迫在眉睫。中心針對課程內容中冷加工與熱加工、傳統與現代等方面比例失調和缺乏系統性的現象,從示范中心可持續發展和新工科建設層面出發,提出以先進制造技術和信息技術為主線,以系統化、集約化和虛擬現實技術應用為技術手段,以提高效率和效益為目的的“內涵式增長”模式,發揮綜合性大學多學科交叉優勢，以及提升整體教學和人才培養質量的建設思路,通過集約化訓練系統的建設,將工程訓練中心建成具有工業生產氛圍的實踐教學基地,使學生從課程學習初期就建立起系統概念和學科交叉概念,進而在學習過程中有目的地進行綜合訓練和創新訓練,并為后續課程做好系統學習的準備[8-13]。

2 集約化訓練系統主要建設內容

按照綜合性大學新工科建設的內涵和要求,集約化訓練系統建設，主要體現在教學內容集合優化、教學設備集中布局、教學管理集約運作和教學手段集成應用等四個方面。具體建設途徑是，通過集約化實現實驗空間與設備的整合與共建共享,搭建多學科交叉融合的實踐教學系統,為學生提供在新工科背景下,完成基礎訓練、綜合和專業訓練、多學科交叉及創新訓練、學科訓練、不同層次競賽及多項社會服務等方面的集約化訓練。

2.1 多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統

四川大學工程訓練中心于上世紀90年代,在世界銀行貸款的支持下,在國內最早建成了快速成形制造(3D打印)實驗教學平臺。此后,又經過多次經費投入和設備的集約整合,形成目前多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統(設備及教學內容見表1)。該訓練系統建設始終以課程改革為先導,以多學科交叉滲透為特色,采取分層次持續建設模式,目前已建成的快速成形與快速制造訓練系統,處于國內領先水平。除完成本科教學以外(每年4 000人左右),還可面向全校開出不同層次的多元化訓練項目。學生可利用該訓練系統完成基礎訓練、綜合和專業訓練、多學科交叉及創新訓練、學科訓練及不同層次競賽作品制作,如機械產品和模具的快速原型及零件制造、反求工程、人體骨骼與牙齒的構建、假肢接收器的CAD建模和制作，以及考古復原、古文物的綜合修復等,這是最受學生歡迎的訓練系統之一。

2.2 多種制造技術集成的特種加工訓練系統

多層次、多種制造技術集成的特種加工訓練系統,借鑒和拓展了快速成形實驗訓練系統的建設模式,將各類激光加工和已有的數控線切割、電火花成形加工,以及虛擬仿真、測試技術等各類設備進行優化、集合(各類設備及教學內容見表2)。該系統除了能為機械類學生開出專業類實驗外,還能為全校其他專業開出多項創新性實驗項目,例如：機械模具制造、服裝的激光剪裁、產品的嵌入式標記制作、藝術造型、激光在玻璃體中的焊接與切割、非金屬材料的激光切割、微型小孔的設計與制作、產品表面激光裝飾設計與制作等。2015年開出的激光加工學生自主創意實驗和內雕作品實驗,設備使用率高，學生受益面大(每年4000人左右),得到學生的高度好評。本系統成為我校繼快速成形與快速制造訓練實驗教學系統之后,又一個在工程訓練教學中處于國內領先水平的實踐訓練系統。

表1 工程訓練中心快速成形設備及教學內容一覽表

表2 工程訓練中心各類特種加工設備及教學內容一覽表

2.3 數字化柔性集成制造訓練系統

國家教學名師、清華大學傅水根教授指出：“數字化集成制造已經成為現代制造業中的主流技術和核心技術，大學生應該有所接觸，有所感知，有所深入。”四川大學工程訓練中心通過將科學、人文、工程進行交叉融合，建設了能夠滿足新工科實驗教學要求的訓練系統，為新工科實驗教學注入新的理念和內涵，推動和促進了“新工科”實驗體系、教學內容及教學方法和手段的改革。

2.3.1 以虛實結合為特色的焊接柔性制造系統

焊接柔性制造系統由焊接工業機器人、搬運機器人、立體倉庫貨架及檢測單元等為實體，結合虛擬仿真技術，以虛實結合為特色，能解決目前國內高校普遍存在的教學內容重冷加工輕熱加工、焊接對環境污染嚴重和對學生身體有一定傷害等問題，同時非常適合采用虛擬仿真教學手段來表述焊接時微小的熔池冶金過程。學生可利用該系統進行作品(產品)結構設計、加工工藝制定、加工參數優化等多學科交叉的訓練，從而較全面和系統地提升學生的知識結構和應用能力。該系統在國內高校工程訓練中心中，是首個具有高集成度、高開放性，真正集光、機、電及信息于一體的，處于領先水平的集約化系統。

2.3.2 文理工科交叉融合的數字化柔性集成制造訓練系統

目前,國內一些高校的工程訓練中心的柔性制造系統一般為單一機械制造系統。我校工程訓練中心按照學校在新工科實踐教學方面應提供多層次的學科交叉型實驗課程和多元化的實驗教學平臺的要求,采用由經濟管理、應用理科向工科延伸的技術方案,構建以先進制造技術柔性系統(含數控車床、加工中心、數控雕銑機、搬運機器人、測試系統、裝配站、碼垛機器人、行走機器人等)為主線,集合工程運作管理柔性制造單元,二者共用倉儲管理平臺、信息管理平臺、CAD/CAM、系統監控PC以及立體倉庫的文理工科交叉融合的數字化柔性集成制造訓練系統(圖1),將設計(以學生自主創新設計為主)—制造—工程運作及管理集合為一體。學生利用該系統可了解機電一體化、先進制造技術、管理信息、生產物流和質量檢測等的基本概念以及現代制造技術的發展方向,利用多學科不同的知識結構系統,演繹不同的綜合/創新實驗,進行作品(產品)結構設計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學科交叉訓練。該系統功能完善,具有高集成度和高開放性,在國內高校工程訓練中心中,是學科交叉程度較高、學生受益面較大的高水平數字化柔性集成訓練系統。

圖1 文理工科交叉融合的數字化柔性集成制造訓練系統

3 集約化訓練系統建設成效

3.1 有利于教學內容的頂層設計及拓展

通過新購教學儀器設備與原有設備的集成,建設了3個以先進制造技術為核心的集成訓練系統,多學科交叉融合程度高。新增實驗項目20余個,受益學生2 000余人/年,實踐教學人時數40 000余人·時/年,大大地提高了設備的使用效率,擴大了學生受益面。

3個集成訓練系統具有多學科交叉的特色,為教學內容的頂層設計提供了很好的技術支持。通過教學內容、教學設備和教學技術的整體集約化,提升了軟硬件教學能力,實現了以提高教學效率和效益為目的的“內涵式增長”。這3個工程實踐訓練系統,將設計(以學生自主創新設計為主)—制造—工程運作及管理集成為一體,學生在焊接柔性制造系統及虛擬仿真教學平臺上可進行作品(產品)結構設計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學科交叉訓練；可在多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統和多層次、多種制造技術集成的特種加工訓練系統,學習先進的前沿技術,了解新技術和新工藝的發展趨勢,訓練綜合應用先進制造技術和多學科交叉基礎知識的能力,例如將快速成形技術與醫學、電加工與模具制造、模型數字化采集與激光加工相結合等。

3.2 對國家級實驗教學示范中心建設具有示范輻射作用

我校工程訓練中心經過多年建設,在完成本校教學、科研任務及相關專業卓越工程師校內工程實踐訓練的同時,充分利用優質教學資源,發揮示范輻射作用。中心為四川大學中外合作辦學的匹茲堡學院的相關3個專業提供1—4年級的全程實踐教學和創新訓練,幫助和指導西部地區高校工程訓練中心建設和課程改革,承擔西南民族大學、四川大學錦城學院、四川大學錦江學院等兄弟院校學生實習和教師培訓,進行成都市中小學教師工程能力培訓、全國青少年夏令營和中學生創新訓練等社會服務。我校先進制造技術集約化訓練系統建設取得的教學研究成果,將對以新工

科為背景進行工程實踐教學改革的兄弟院校具有積極的示范作用。

4 結語

新工科研究和實踐應圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展,最終必須回歸到工程上來。我校工程訓練中心充分發揮學科綜合優勢,推動多學科的交叉融合和跨界整合,以建設多個先進制造技術集約化訓練系統為切入點,將中心建成具有工業生產氛圍的實踐教學基地,從而為學生學習先進制造技術、信息技術以及管理技術提供支持。與此同時,拓展了課程教學體系的頂層設計空間,并推動了國家級實驗教學示范中心從基礎型向綜合型、集約型的內涵式發展,提升了中心的整體水平和區域服務能力。