應用型本科機械設計能力培養教學改革

張珂　郭長建　鄭中華　閻衛增

[摘 要]經過幾年來的探索與實踐，在機械大類專業應用型人才培養方面進行了深入的改革，實施了一系列行之有效的舉措，構建了注重運用數字化設計的以機械設計能力培養為核心的機械工程素養實踐教學體系，在課程建設、實驗室建設和校企聯合培養方面取得了豐碩的成果，是應用型高校全面進行教學改革和實踐，滿足當前機械行業對人才需求的重大轉變，是全方位培養學生的機械設計能力與互聯網技術有效對接，形成整體協同推進學生機械設計能力培養的有益嘗試。

[關鍵詞]機械設計能力;數字化;教學改革;應用型;本科

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0071-03

隨著中國將實現從“制造大國”向“制造強國”的戰略轉變，特別是國務院發布的《中國制造2025》將制造業作為國民經濟的主體，從中國制造走向優質制造、精品制造，實現價值鏈與產業鏈升級，與制造技術及其產品的創新緊密相關的機械工程學科將會得到大的發展[2]。社會對于精通現代機械設計、制造、自動化，熟悉工程、精于管理的人才的需求正逐漸增大，而且更加強調機械基礎能力，特別是機械設計綜合能力，因而具有機械設計開發能力的人才將成為各企業爭奪的目標。

機械工程是傳統學科、基礎學科，也是近年來與高新技術結合緊密的一門學科。機械工程學科是研究機械系統和產品的性能、設計及制造的理論、方法和技術的科學，包括機械學和制造科學兩大領域。未來制造業發展的總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化。隨著世界制造業重心的轉移，我國對機械類專業的人才需求逐漸加大。

技術進步的背景作為高校人才培養方案、培養過程、培養目標改革變化的重要依據，是培養適合的應用型人才的一種有力保證。當前科技的大背景是時代化的，目前各個行業都在進行以網絡化、數字化、人工智能為核心的互聯網技術深度革命，對技術領域、產品領域都產生了深刻的影響。在此背景下，高校作為人才培養的基地必須結合教學實踐、企業需求、時代變化探索人才培養的規律，形成培養模式。 “模式”是指“某種事物的標準形式，或使人可以照著做的標準模式”。培養人才的模式是開放的、動態的、時代的，它需要教育者結合教育實踐不斷進行教育改革探索，以形成具有實踐效果的人才培養模式[3]。

一、當前應用型本科機械專業的變化特點

高等教育以專業為載體進行人才培養目標設置、專業培養方案制定、專業教學過程實施、專業能力達成，培養擁有特定技能及素養的、能夠服務企事業單位的專門人才。當前機械類專業較傳統專業無論是在培養人才的目標設定、專業的課程體系設置，還是在教學技術運用、教學知識的改變等方面都發生了顯著的變化。

（一）從人才的目標設定視角看機械類專業

大多數人才培養的目標表述為：在機械工程領域內，掌握堅實的基礎理論和寬廣的專業知識;了解機械工程領域的技術發展;掌握工程管理的基本理論與方法，具有較強的解決實際工程技術問題及新產品、新技術、新工藝、新材料和新設備的研制、開發和設計能力;具有運用現代科技成果的能力;具有制造科技及其產品的原始創新意識和獨立擔負工程技術或工程管理工作能力的高層次專門人才。應用型高校應根據實際情況，堅持以應用為導向，堅持以人為本，堅持以質量為核心，走產學研相融合的辦學道路，探索機械工程培養新途徑，創建機械工程應用型人才培養新模式和新機制，增強學生的專業應用能力、工程能力和創新能力，提高機械應用型人才的培養質量以及與社會需求的符合度[4]。

（二）從機械類專業的課程體系設置看機械專業

從機械類專業設計到機械相關產品的設計開發、工程制圖、工藝制訂、材料選型、產品生產加工、產品安裝與運行、產品運維及報廢等多個環節，主要涉及的知識概況為：以機械設計與制造相關知識體系為基礎，深度融合計算機科學、信息技術、智能算法技術、自動控制技術等交叉學科的知識體系，運用互聯網技術建構不同于傳統意義上的機械產品研發、設計、生產、運行、報廢等綜合機械行業的知識體系。目前，主要涉及的課程領域為：機械制造工藝學、機械系統設計、機電控制系統分析與設計、機械制造裝備設計、數控技術及應用、機械動力學、軟件工程、網絡技術、多媒體技術及應用、數據庫原理及應用、機械創新設計、工業機器人、機械故障診斷學、有限元方法、機械優化設計、工藝過程自動化、先進制造技術、特種加工等課程，這些也是與信息技術、計算機技術、材料技術和新能源技術等高新技術相關的學科技術領域。從應用的特征上看，機械專業更加強調融入數字化、互聯網、人工智能等相關的學科，而這個背后的支撐點是機械行業的自動化、智能化、網絡化程度的持續發酵而導致的自然狀態。

（三）機械類企業生產方式的轉變

現代制造企業在產品生命周期概念階段、開發階段、實施階段、收尾階段等過程中，價值創造鏈的組織和控制，憑借數字化技術在產品的創意設計、訂單獲取、研發生產、終端客戶交付以及廢物的循環利用，無不在發生深刻轉變，是一場顛覆式的革命。在這種生產模式下的工程師培養，也必然需要做出改變。

傳統的機械類專業人才培養，在制圖相關課程上主要是通過手工進行繪圖。從目前企業的生產方式來看，機械類的設計及開發主要借助于專門的計算機，在專業化的軟件上實現繪圖設計開發。相對傳統的手工繪圖，借助軟件進行數字化設計，從模擬手繪到創新視覺感受，從二維到三維，再到引入時間，實現逆向工程技術等，設計的速度、效果都取得了非常大的提升。在此背景下，機械類專業人才培養必須改革教學過程中的設計方法，實現教學過程與計算機科學的深度融合，以提升教學效果。目前，數字化設計主要以三維設計為核心，結合產品中風格曲面造型、設備空間布局、數字化樣機評審、人機工程校核等環節，形成一套能夠解決實際問題的方案。數字化設計的主要過程有：初步設計、詳細設計、設計驗證等步驟，這些與后續的數字化制造（實現產品、工藝和資源數據的集約化管理;實現3D工藝規劃;實現對生產過程的真實反映;支持工程并行推進）是緊密聯系的，在產品設計研發中通過3D CAD技術，在生產加工現場廣泛采用自動化設備，這已經是現代機械企業必須具備的基礎制造條件。

二、深度嵌入數字化設計的必要性

21世紀以來，在互聯網、物聯網、數字化、計算化為代表的新技術革命浪潮中，機械行業在快速變革，規模空前，其通過互聯網技術中的數據或信息推動著機械產品、服務的多樣化、個性化和智能化。當前，在精益生產、智能制造、持續改進等多個方面數字化技術的運用如火如荼，因而在培養機械工程人才方面，引入及深度嵌入數字化設計內容、理念、實踐過程具有重要的理論意義和實踐意義，是培養高水平應用型人才的必由之路[5]。

數字化設計是在信息論、系統論、控制論三個領域同步發展推動互聯網技術快速發展的時代背景下進行的。數字化設計的核心是數據，在數字化設計的領域內，一切產品都是數據，通過數據表示信息，并通過人機工程實現數據在人與計算機之間的溝通交流。做好數字化設計的關鍵也在于數據[6]。數據不是憑空產生的，從現在互聯網技術在各個領域的應用來看，其本質都是不同領域的數據在計算機和互聯網技術條件下，開展的各類數據存儲、傳輸、交換、交互、更新。不同領域的數據產生的條件是不同領域的知識數字化的過程。因而，從機械專業來看，達到較好的數字化設計能力，首先需要具備較好的機械設計知識，其涉及的主要課程為理論力學、材料力學、機械設計原理、機械設計方法、機械設計制圖、機械動力學、結構設計等。其次是將這些知識運用到實際的案例中，解決實際的問題。這個涉及公差與配合、工程材料、控制工程基礎、機械制造工藝學等知識。最后是互聯網的技術，只有擁有較好的互聯網技術，才能利用互聯網獲取信息、使用信息，其主要涉及計算機基礎、各類設計、仿真、計算軟件的使用。

三、深度嵌入數字化設計的機械設計能力培養模式探索

上海應用技術大學機械工程學院嵌入數字化設計工具的人才培養探索主要有如下要點：強化學生基礎機械知識;重點與廣泛學習各類設計軟件相結合。其具體按照下面這個流程圖開展教學活動。

機械工程學院在開展應用型本科機械設計能力培養教學改革的具體做法如下。

（一）強化機械基本素養的提升

在機械專業課程教學體系的知識傳授、價值引領、實踐指導中，增強學生創新意識、創新能力、工程設計能力、工程實踐能力的培養。主要在課程設計、畢業設計、課程實驗、隨堂測試等教學環節中嵌入能力的培養，植入機械知識點的相關問題，培養學生觀察工程實踐、分析工程問題、利用專業知識分析研究判斷問題的能力;在準現場或模擬現場中，讓學生近距離觀察問題、剖析問題、討論問題，提高教師傳授知識的效果，鼓勵學生主動、自主學習。學生在機械加工的各種場所下，在機構設計、零部件組裝、工件制造、各種工序的半成品;在刀具、夾具、量具等生產要素中掌握了機械的相關知識，這為學生進行數字化設計提供了基礎知識。

（二）建立校企聯合實踐基地

為彌補校內機械實驗的不足，學院積極尋求與長三角相關企業的合作。學院與中小企業緊密合作，現已與上海三強不銹鋼容器有限公司組建高效混合技術開發實驗室;與上海維岳自動化科技有限公司組建機械工程故障診斷技術開發與應用實驗室;與常州常超電子研究所有限公司組建無損檢測實驗室等。通過校企聯合實踐基地，給學生提供更廣闊的平臺，讓學生擁有實踐條件，豐富學生數字化設計的現場元素及設計感覺，為學生數字化設計提供軟件、硬件、工況的支持。人才的培養以專業為載體，作為專業劃分的一個重要依據是企業的需求。應用型技術教育做得比較好的國家，比如德國的人才培養就非常重視企業。“德國應用技術大學培養模式的特點有兩個方面：一是根據企業需求設置專業;二是突出實踐性教學。”[7]在校企合作中嵌入數字化設計是機械類人才培養的一種需要和保證。企業作為需求方，學校作為供方，只有互相溝通，才能更好地在互聯網技術的浪潮下開展學生的數字化設計能力提高活動，提升學生的機械設計能力、機械制造能力，從而推動應用型機械類人才培養的教育教學改革，并取得較好的成果。

（三）緊密結合機械工程學科，大力發展數字化設計

學院不斷豐富學生的實踐教學，根據學術發展前沿、企業生產現狀及趨勢，充分打通教學與科研之間的藩籬，根據不同層次的學生需求，在學院現有實驗設備條件下，搭設適應不同能力學生發展的實驗條件，協同推進學生的數字化設計能力。學院堅持發展機械工程碩士學科，大力建設實驗室，目前配有Solidworks、NX、CAD/CAM、Ansys等三維設計制造軟件、逆向工程軟件Geomagic等，有意大利FIDIA五軸加工中心、美國Hardinge四軸加工中心、數控車削中心、數控電火花加工機床、三坐標測量儀、數字化三維掃描設備，電磁軸承系統及其控制系統，實時圖像采集分析儀、高速攝像機、智能檢測開發平臺、二維粒子圖像測速儀、自動光學輪廓儀、自動影像測量儀，壓電式三向測定儀、電子萬能試驗機、ABB工業機器人、液壓機械手控制系統等。當前機械工程學院的實驗設備基本上都與數字化、計算機技術、網絡技術等相關，通過靈活地開展相關實驗，讓學生學會使用各類制圖軟件、設計系統、裝配技術以提高學生的機械工程設計能力。

四、結論

機械類應用型人才培養存在的問題有傳統培養方式與現代互聯網技術不能較好形成協同推進作用、培養目標與企業需求存在差距、培養質量與企業標準不一致[8]。機械類應用型人才培養必須在傳統的人才培養過程、方式、目標上，結合當前網絡化、信息化、數字化的大背景，采用新的教學技術，重點發展具有時代意義的數字化設計能力，其根本目的是使學生在基本技能的全面掌握、靈活運用、適時創新等方面有所提高，幫助學生成長成才。

作為以培養高級應用型人才為主的應用型本科院校，上海應用技術大學機械工程學院自成立以來，針對機械大類在讀本科生的機械設計能力培養，在網絡化、信息化的背景下，運用互聯網數字化設計，在教學實踐中運用“嵌入數字化設計工具”的實踐教學模式，以激發點、系統化、全方位培養和鍛煉學生的機械設計能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 中國社會科學院語言研究所編.現代漢語詞典[Z].北京：商務印書館，1981：791.

[2] 李永梅，錢茹，張衛芬，楊星星.“中國制造2025”下應用型本科機械專業教學體系研究——以東南大學成賢學院機械專業為例[J].裝備制造技術，2018（1）：156-158+176.

[3] 吳國興，范君艷，樊江玲.智能制造背景下應用型本科機械類專業人才培養[J].教育與職業， 2017（16）：89-92.

[4] 尚銳.應用型本科教育培養途徑的探索——以機械設計制造及其自動化專業機械設計方向為例[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2017（6）：99-101+104.

[5] 劉姣娣，許洪振，袁昌富.面向卓越工程師數字化設計能力培養現狀與對策研究[J].教育教學論壇，2018（18）：215-216.

[6] 范彩霞.機械專業數字化設計制造能力培養的探索——以黃河科技學院為例[J].中國電力教育，2010（19）：32-34.

[7] 陳杰菁.德國應用技術大學培養模式的研究及啟示[J].工業和信息化教育，2013（9）：60-63.

[8] 牛寬，朱艷茹.應用型本科人才培養模式研究——以機械電子工程為例[J].教育教學論壇， 2018（23）：209-210.

[責任編輯：陳 明]