基于創新能力培養的先進制造技術實訓教學改革

趙云偉, 劉曉敏

(北華大學 工程訓練中心, 吉林 吉林 132021)

工程實訓課程是連接理論知識與實踐應用的紐帶,是實踐教學的重要組成部分[1-5]。學生通過工程實習訓練,將所學理論應用于實際,不僅有助于學生深入理解所學的理論知識,拓寬專業視野,而且可以幫助學生建立質量、環保和安全等方面的工程意識[6-8]。對于機械類工科學生而言,工程實訓是獲取工程經驗的手段,是培養學生動手實踐能力、提升綜合素質和養成創新意識的重要途徑[9-10]。

如何提高學生解決工程實際問題能力、培養學生產品設計和創新能力是目前工科院校機械類專業共同面對的問題[11-13]。重慶理工大學工程訓練中心正逐步實施創新型工程體系建設。他們有針對性地設置實習教學內容,通過軟硬件資源的合理配置,提出以學生為主體的引導式教學方式,大大提高了學生的學習積極性[14]。吉林大學的曲興田教授從調整教學內容、轉變教學觀念、重視實踐環節、改進教學方法等方面對先進制造技術課程建設與教學改革進行了實踐與探討,并取得了一定的效果[15]。筆者根據多年工程實訓教學經驗,借鑒工程教育改革CDIO工程教育模式,提出以學生為中心,以產品項目為驅動,以提升工程實訓教學質量為目標,以提高學生產品設計制造綜合能力和創新能力為宗旨,逐步建立適應社會發展的先進制造技術實訓教學體系。

1 學生創新能力培養方案

要根據學生興趣和學習需要進行針對性教學,要創建豐富的優秀創新案例教學模型庫,要進行產品設計和創新訓練,將CAD/CAE技術應用到大學生競賽等實踐活動之中,以此培養學生機械產品設計與創新能力。圖1為學生創新能力培養方案。

(1) 注重學生基礎能力培養。包含圖形繪制、產品性能分析、制造工藝和機構運動原理等基礎能力,并將這些能力應用于產品設計過程,對所設計的產品進行靜力學、運動學和動力學分析,包括材料強度、應力應變分析等。

(2) 以CAD和CAE軟件為手段,將二者結合起來應用于產品設計、分析、加工和裝配過程,提高學生的機械產品設計能力。

(3) 建立創新案例教學模型庫，擴展學生創新思維,探尋新材料、新工藝、新方法。

(4) 機械產品設計與創新實踐。根據學生的學習興趣組建學生科研團隊,應用CAD/CAE技術進行機械產品設計,并參加大學生競賽等實踐活動。

圖1 創新能力培養方案

2 先進制造技術實訓教學改革實踐

2.1 先進制造技術實訓體系

先進制造技術實訓課程是我校工程訓練中心的一門重要課程,實訓教學體系涉及產品設計(CAD/CAM)、數控車削、數控銑削、特種加工、精密測量和機器人技術等6大方面[16],共包含22個實訓項目,如圖2所示。本課程內涵廣泛、學科交叉,不僅要培養學生工程技術實踐和應用能力,還要實現對學生工程意識和創新能力等綜合工程素質的教育。

圖2 先進制造技術實訓教學體系

目前該課程采用分組循環輪訓方式,學生依次學習、實踐各實訓項目。在這種運行方式下,各實訓項目相對獨立,不利于學生將各實訓項目結合起來應用到機械產品的設計和加工制造當中。對現行的先進制造技術訓練模式進行改革,將各實訓項目進行有機融合,對提高實訓教學質量、培養學生創新思維和實踐能力具有重要意義。

2.2 先進制造技術實訓教學改革方案

筆者與課程組教師在總結多年實踐教學經驗基礎上,提出了以“產品項目”為載體的教學改革實踐方法。即將一個完整的“產品項目”的設計與加工制造貫穿于實踐教學始終,旨在提高學生對學科知識的系統掌握,促進學生探索和創新精神養成。具體教學改革方案如圖3所示。在實訓過程中,各實訓項目指導教師聯動配合,有效利用教學資源和儀器設備,努力達到理論教學與實踐操作的最優化配合。

每組學生(3、5名學生一組)要經歷“確定實習任務—制定工藝路線—產品制作加工—檢查考核評估—總結歸檔”等5個階段，如圖4所示。各小組成員之間相互交流合作,積極動腦思考,動手實踐制作,最終完成產品設計制作任務,并以成果的形式予以展現。實習任務或項目選題主要來源于學生的自主設計,或將大學生創新創業項目和各類機械創新設計競賽引入到實訓課堂,使每位學生親歷產品設計、加工制造及產品調試過程,讓學生在產品制造過程中學會發現問題、提出問題和解決問題,培養學生解決工程實際問題能力和創新能力。

圖3 實訓教學改革方案

圖4 以產品項目為載體的先進制造技術實訓過程

3 教學改革成效與學生創新能力提高成效

3.1 先進制造技術實訓教學改革成效

教學改革實踐首先在機械制造及自動化專業學生中進行,并取得一定成效。在先進制造技術實訓過程中,教師盡量不干預學生項目的實施,更多地是擔任導師和裁判的角色,針對學生提出的問題與建議,進行方向性的指引和疏導,引導學生討論、分析和總結產品的設計、加工制造、檢測和調試進程,提高學生參與的積極性,注重學生產品設計能力和創新能力培養,盡量使每一位學生都有所提高。部分學生實訓作品見圖5。

圖5 學生實習作品實例

通過教學改革,大大提高了學生的學習興趣,增強了學生實踐動手能力。學生根據自己的興趣和特長設計開發產品,采用團隊協作方式,結合CAD、CAE、CAM軟件,完成整個產品的加工、制造、檢測和調試。在經過先進制造技術實訓后,學生學會了分析問題和解決問題的方法,團隊協作能力也大大增強。

3.2 學生設計能力和創新能力提高成效

以ADAMS動力學仿真軟件應用為例,學生不再以實驗為主要設計手段,而是采用CAE、CAM軟件進行產品設計優化,大大提高了產品設計能力。學生參賽和作品見圖6。圖6(a)為學生參加國家級大創賽項目,應用ADAMS進行機器人腿部關節運動學仿真,優化腿部各桿件和關節結構尺寸,提高機器人運動性能; 圖6(b)為學生研制的等速無沖擊直線往復運動機構,運用軟件仿真逆向設計,獲得機械創新大賽省級二等獎; 圖6(c)為無碳小車的轉向系統優化設計,可有效利用動能提高小車行進距離,在工程技能大賽中獲國家級三等獎。

圖6 部分學生參賽作品

綜上所述,學生依托實訓項目產品,結合CAD、CAE、CAM軟件教學改革和大學生創新實踐等活動,可以提高學生產品設計制造綜合能力,對學生的后續學習和就業有諸多助益。

4 結語

以產品項目為驅動的先進制造技術實訓教學，改變了傳統的按部就班式的實訓教學方式,將學習主動權交給學生,激發了學生的學習興趣。在注重學生基礎能力培養的同時,輔以創新案例教學模型庫,通過組建興趣團隊、分組訓練、參加創新活動等方式,加強對學生工程素質及產品設計能力和創新能力的培養。

截至目前,已完成2門工程實訓課程改革,1門ADAMS軟件教學課程改革。在機械13級學生中,學生依托項目產品,成功申報國家級和省級大學生創新創業項目各1項,申報校級項目3項; 獲機械創新大賽省級二等獎1項、三等獎2項; 有兩組學生在工程技能大賽中分別獲得國家級三等獎和省級一等獎。