基于斯特林發動機的工程訓練改革與實踐

張建恒

摘要：針對傳統工程訓練課程內容單一且教學模式固定陳舊，缺乏與專業理論課程知識體系相互結合等問題，提出以斯特林發動機為教學內容的綜合創新實訓項目。將專業理論與實踐課程有效結合，構建“項目驅動式”教學模式，通過實訓課程的分工協作，使學生掌握先進制造技術，提高學生的創新能力和實踐操作能力。實踐表明，開展綜合創新實訓課程進一步增加工程訓練課程內容的創新性和豐富性，對于提高學生實際工程能力有重要的意義。

Abstract： In view of the problems such as the single content of traditional engineering training course， the fixed teaching mode and the lack of the integration with the knowledge system of professional theoretical courses，This paper proposes a comprehensive innovative training project with Stirling engine as the teaching content，The teaching mode of "project driven" is constructed by the effective combination of professional theory and practical courses，Through the division of labor and cooperation of practical training courses， students can master advanced manufacturing technology and improve their innovation ability and practical operation ability.The practice shows that it is of great significance to develop comprehensive innovative practical training courses to further increase the innovation and richness of the content of engineering training courses to improve students' practical engineering ability.

關鍵詞：工程訓練;斯特林發動機;創新實訓;項目驅動式

Key words： engineering training;stirling engine;innovative training;project driven

0? 引言

面對現有工程訓練課程教學內容單一、教學模式較為陳舊、學生主動學習興趣低、動手能力薄弱、創新能力不足等諸多問題，開展具有創新實踐的教學體系，培養適應現代制造業的工程師，提升工程綜合實踐能力已成為工程訓練課程改革的必要方向[1-3]。隨著工業制造技術的發展升級，以往的教學方法和教學模式并沒有進行轉變。盡管現有工程訓練課程有一定的實踐操作課程，但基本模式都是教師進行示范性的教學，即教師做，學生看，缺乏學生主動性學習。并且分散實訓課程使不同工種之間缺乏聯系，學生對零件加工工藝的整體認識不足。近年來，本校工程訓練中心借鑒其他學校實訓課程改革的成功經驗，堅持以“新工科”建設為工程教育改革要求[4-5]，以專業課程為理論依據，以培養學生創新思維和實踐能力為目標[6]。構建“項目驅動式”的實踐教學模式[7]，將實訓內容任務化[8]，具體化，充分利用工程訓練中心現有設備資源，使學生在完成常規工訓課程的同時，能夠完成CAD建模、CAE分析、繪制工程圖紙、工藝設計、制造檢查、裝配調試等學習任務，加強訓練的連續性。并且整個教學過程以學生為主體，教師為輔，充分發揮學生的學習積極性和主動性。提高學生的創新能力和動手實踐能力，使工程訓練教學質量顯著提高。

1? 創新實訓改革的主要目的

工程訓練實踐教學旨在培養學生理論知識和實踐操作相結合的綜合能力，提高工科學生的專業素質。傳統的工程訓練都是依照固定的教學方案和教學大綱，實訓內容都是不變的，這樣的實訓方式缺少鍛煉學生獨立思考的機會。在實訓課程結束后，學生不知道一個零件從毛坯到成品需要哪些工序、哪些工藝加工，沒有足夠的綜合能力訓練，從而面對一個新的零件加工圖紙時就不知所措。所以這樣的實訓方法不利于培養學生創新思維和工程應用能力。

構建“項目驅動式”的綜合創新工程訓練的目的就是改變現有工程訓練方法的不足，使以學生主體和項目任務為教學任務的中心，合理利用傳統加工設備，將單一的訓練任務相互結合起來，充分調動學生學習積極性和自主學習能力。使學生創新能力和實踐操作能力得到提高。通過教師理論講授和學生的自主學習相結合，課程主要以學生小組自發討論學習和創新設計完成斯特林發動機的參數選定、模型設計、圖紙制作、自主加工和裝配調試等流程。課程激發學生自主性學習方法和團隊配合，進一步培養學生的創新設計能力和實踐操作能力。

2? 創新實訓教學內容的設計

設計合理的實訓教學內容是整個驅動式教學的關鍵，實訓內容的好壞直接影響教學結果。標準決定質量，實訓內容應該緊扣學生所學內容，要合理的將專業課理論知識與實訓課程結合起來，制定可行的符合實際的教學內容，不能只是走過場，并且能充分激發學生的學習興趣。

基于以斯特林發動機模型[9]作為教改的實訓內容，其中滿足以下幾點要求：

2.1 項目設計的可行性

首先應該和學生課程所學或生活所見的內容相關，使學生有興趣參與，斯特林發動機作為一種外燃式發動機，其主要原理結構相對簡單。比如其中的基本運動原理就是學生熟悉的曲柄滑塊機構，這種較為熟悉的主要原理能很大程度上的加強學生的學習動力和自信心。并且學生也能依靠工程訓練中心現有條件完成設計和制作。

2.2 項目的難度要合理

進行創新工程訓練的年級大多為大二學生，大部分學生都缺少實際工程經驗。項目過難或者過低都會降低學生學習的積極性，達不到教學目的，不利于培養學生的工程能力和創新能力。

2.3 綜合能力的體現

以前工程訓練內容是制作榔頭，尺寸形狀唯一，學生只需要按部就班的跟著步驟完成即可，沒有自我發揮空間。基于斯特林發動機的創新實訓項目需要學生每個人參與其中，每個除了完成各自分配好的工作，還需要充分發揮自主學習能力，通過查閱資料和討論，完成產品的設計和加工。每一臺完成的產品都體現不同小組學生的設計能力和工程能力。

以單缸式發動機為例，斯特林發動機模型主要包括配氣缸體、配氣活塞、工作缸體、工作活塞、傳動連桿、配重部件、支架、底板和其他標準件。學生通過分組設計并加工，最后目標是成功運轉。教學任務過程中，模型制做難度不高，如何成功運轉就需要學生學會發現問題并解決問題，也是本次教學任務的難點之一。

3? 創新實訓教學實施方式

教學內容改革主要是通過加強設計與制造相結合，以斯特林發動機模型為載體作為綜合創新實訓項目課程的教學任務和目標，在教學實踐過程中將實訓內容與專業課程的知識緊密結合。圖1是綜合創新實訓的流程圖。

按照“項目驅動式”的工程訓練新模式的要求，將整個實習過程分成兩個階段，第一階段是常規的工訓實習階段，要求學生將多種加工制造設備或方法逐個學習實踐，掌握各個加工設備的基本操作。第二階段為綜合創新實訓階段，將制作斯特林發動機作為實訓任務，學生根據分組完成斯特林發動機的設計和制造。整個實訓環節與專業課程緊密結合，并與第一階段的常規實訓任務相互聯系。以下是綜合創新項目的實施過程：

①項目闡述，由教師在課堂上介紹斯特林發動機的基本原理和結構類型。分析發動機中典型零件的工藝要求，提出發動機中設計和加工的難點。

②分組方案設計，一是收集資料和設計方案，這一階段與小組指導教師進行交流討論確定方案，教師需要從設計和制造兩個方面去檢查方案的可制造性與創新性。主要是確保方案能夠在工程訓練中現有設備下能夠制造并且優化設計方案。二是利用線下自主學習繪制三維模型，并通過CAE分析檢查方案機械結構可行性。由于實訓時間有限，大二年級學生專業基礎有限，所以工程訓練中心提供部分參數作為設計依據，適當降低實訓任務的難度。這一階段指導教師將定期和小組成員交流討論，保證在制造階段有成型的設計圖紙。

③綜合制作階段，要求小組分工詳細，每個學生明確各自的工作任務，并根據實際的工種進行學習訓練，在工種統一訓練結束后完成各自小組的設計零件，最后進行裝配調試。這一階段要求學生與指導教師充分交流確定各個零件的加工工藝和原材料，對應學生需要充分學習實訓工種的基本操作，完成自己規定的零件加工，并保證加工精度。通常情況零件并不是一次加工成功，在制造和裝配過程中會有很多問題，比如公差要求或者結構形狀。在反復的修改與設計制造過程也鍛煉學生的實踐操作能力和抗壓能力。零件加工完成后小組進行裝配調試，成員共同參與，發現問題并及時修改。

④評估階段，重視小組的答辯環節，各個小組根據完成的實際情況將整個綜合創新實訓過程進行匯報，實訓中心所有老師對各小組成品進行檢查和提問，最后進行打分，作為創新實訓項目的綜合成績。

4? 綜合創新實訓課程解決的主要問題

基于斯特林發動機的創新實訓項目經過17級機械專業學生作為試點，教學實踐改革效果顯著，解決傳統工程訓練教學以下5個問題。

①緊密結合理論課程知識體系，融合機械專業多門學科的重點知識理論。整個斯特林發動機從學生自主設計到分工制作并裝配的過程中將所學的如工程制圖、機械原理、機械設計、金屬切削加工、三維建模、互換性與測量技術基礎等實際開設課程合理的結合。

②解決以往單一式的工程訓練課程模式，將不同工種的訓練課程相結合。使得分散實習和集中實習優勢互補。并將傳統加工設備和先進加工設備相結合，合理利用工程訓練中心設備資源。

③建立以學生自主實踐為主、教師指導為輔，集中講解和專門指導相互結合的教學模式，打破以往的教師做、學生看的手把手的上課形式。通過“項目驅動式”教學模式鼓勵學生在教師一定的指導下自主設計，分析加工工藝完成加工，激發學生大膽創新和實踐的潛能。

④工程訓練中心師資隊伍的教學能力加強，通過綜合創新實訓開展，使教師不斷強化自身專業的理論知識和工程實踐能力，更好地履行教師職責[11]。

⑤通過開展綜合創新實訓項目的工程訓練模式，課程建立完整的斯特林發動機的設計生產制造流程，使得學生更為全面的掌握機械專業的理論知識和實踐操作。從一個實際產品最初的設計、三維建模、模型裝配和CAE分析再到圖紙繪制、生產制造、測量檢測以及最后的裝配調試。課程難度由易到難，教學內容從理論學習到實踐操作，實現學生設計實踐能力的逐步鍛煉。通過以斯特林發動機為教學載體，構建了較為完整的工程訓練課程體系和實踐教學體系。使得學生在完成指定的學習任務過程中體會到機械產品的生產過程，提升了創新思維能力和實踐操作能力。

5? 結語

2018年的全國高等學校本科教育會議上，教育部部長就提出了要適當對大學生“增負”，提升大學生的學業挑戰度，合理增加課程難度，擴大課程選擇性，激發學生的學習動力和專業樂趣。工程訓練中心作為學生實踐的重要基地，需要積極推進“新工科”的建設要求，通過構建項目驅動式的工程實訓課程，結合基于斯特林發動機的綜合創新實訓的教學內容，將原本分散獨立的工種緊密結合，合理利用了中心已有資源，并與專業理論課程相聯系，使理論知識和實踐操作有效的整合起來。激發了學生自主學習動力和興趣，培養學生在實際設計生產過程中發現問題、分析問題、解決問題的工程能力，增強學生的創新意識和實踐操作能力，極大的提高學生工程思維，提升了中心應用型人才的培養質量[12]，為培養新工科專業人才做鋪墊。

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