基于專業認證和復雜工程問題的畢業設計改革與實踐

紀仁杰，劉永紅，蔡寶平

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580)

一、引言

工程教育認證堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的三大核心理念，是工程專業學生走向世界、獲得國際認可的通行證[1-3]。我國于2016年成為國際工程教育《華盛頓協議》第18個成員國[4]，截至2018年底，全國227所高等學校的1170個專業通過了工程教育認證，大大提升了我國的國際化工程人才培養質量[5]。

畢業設計是工科專業大學生畢業之前的最后一個綜合實踐環節，對于機械專業大學生來說，畢業設計使學生通過解決機械系統設計、制造工藝、零件設計計算、機械制圖以及自動化控制等方面的復雜工程問題，可培養學生獨立分析問題、解決問題的能力，增強實踐動手能力，為其將來走上工作崗位打下良好的基礎[6-8]。

二、工程教育認證對畢業設計的要求分析

中國石油大學(華東)機械設計制造及其自動化專業是學校傳統主干專業，其前身是1953年建校時創建的石油礦場機械專業，多年來本專業基于OBE理念并結合學校的石油石化特色，建成為國家級特色專業、教育部卓越工程師計劃專業和教育部綜合改革試點專業。在秉承學校鮮明石油石化特色基礎上，本專業聚焦于石油工程裝備，培養能獨立從事機械工程特別是石油工程裝備領域的設計制造、應用研究和技術管理等的高素質現代工程技術人才。該專業2017年申請工程教育專業認證，并于2018年順利通過。

機械設計制造及其自動化專業的畢業設計要求學生在教師的指導下，能綜合運用所學本專業基本理論、基本技能、基礎知識和專業知識，自主完成一個機械工程領域復雜工程問題的研究，撰寫一篇符合學校規定格式要求的畢業論文，翻譯一篇外文翻譯，并參加畢業設計答辯環節。畢業設計主要支撐的畢業要求指標點如表1所示。

三、基于工程教育認證的畢業設計改革舉措

在工程教育認證過程中，發現本專業的畢業設計還存在學生重視程度不夠、指導教師工程實踐經驗不足、畢業設計過程管理不嚴格等問題，畢業設計質量有待提高。為此，本專業基于“嚴要求、抓過程、重質量”的理念進行了如下改革。

1. 加強畢業設計選題的管理

畢業設計選題的質量直接影響著學生解決復雜工程問題能力的培養質量。畢業設計選題應符合本專業培養目標和復雜工程問題要求，使學生得到充分的訓練，以培養學生解決復雜工程問題的能力。此外，畢業設計題目應有一定的深度、廣度和難度。如果題目過難，學生會感覺無法下手，在整個畢業設計期間可能無法取得進展，無法培養其解決復雜工程問題的能力，也容易使其喪失分析問題與解決問題的信心；反之，如果題目過于簡單，學生雖能完成，但是無法對學生進行充分的訓練。另外，畢業設計題目要注重與科學研究、生產實踐、社會實際等相結合，有助于培養學生的工程實踐能力、理論聯系實際與解決實際問題的能力，論文成果還可直接服務于生產實際，較大提升畢業設計的工程應用價值。

表1 畢業設計支撐的畢業要求指標點

結合本專業特點，將本專業的畢業設計分為工程設計、理論研究、實驗研究、仿真研究四個類別，其中工程設計類畢業設計主要涉及石油鉆采機械及工具設計、機械制造工藝設計、機械電子控制系統設計等，在該類論文中要求包含相應的需求分析、現有解決方案存在的問題、所設計的解決方案具體步驟等內容；理論研究類畢業設計主要涉及對現有理論的改進、新模型的構建、新評估體系構建、新處理方法研究等，在該類論文中要求包含現有理論的綜述、存在的問題，新模型體系的構建過程及其改進之處等內容；實驗研究類畢業設計主要涉及開展實驗并基于實驗數據所進行的一系列研究等，在該類論文中要求包含實驗設計、實驗數據展示、數據處理方法、實驗結果分析等內容；仿真研究類畢業設計主要涉及運用ANSYS、ADAMS、ABAQUS等仿真軟件等進行數值仿真研究，在該類論文中要求包含仿真工具選擇合理性論證、仿真模型構建、仿真結果分析評估等內容。

為了給學生留出充足的時間進行畢業設計工作，選題在第七學期完成，題目由指導教師負責申報，經系審核、院部畢業設計工作領導小組批準后公布。題目選定后，學生不得隨意更換，確需更換的，須經院部批準。

2. 提高學生和教師對畢業設計的重視程度

畢業設計的主體是學生，因此，首先要使其充分認識到畢業設計的重要性，通過畢業設計前的系主任畢業設計動員會、指導教師分享經驗交流會以及輔導員宣傳講解等措施，對于認為畢業設計只是走過場、只要參加就能通過等錯誤想法堅決予以駁斥，提高學生對畢業設計的重視程度，充分激發出學生的潛能。為此，專業對學校的畢業設計要求進行了補充和規范，將學生的平時表現列入評分標準，要求學生在畢業設計系統內提交一定數量的畢業設計周進展報告，導師根據學生提交周進展報告的數量和質量給出畢業設計進度成績，以督促學生平時開展畢業設計工作，杜絕最后幾天趕湊論文現象。

對于導師，系里要求其每周至少組織學生集體討論一次畢業設計進展情況，學生在討論會上匯報其本周的進展、遇到的問題及下周計劃等，導師和其他學生對其提出意見和建議。通過匯報討論，既可以幫助該學生解決問題，又可以對其他學生產生一定的督促和示范作用。討論之后，學生將本周討論內容上傳到畢業設計系統中，由導師給出相應成績，待畢業設計結束時導師根據每周學生的進展情況給出畢業設計進度成績。

3. 提高指導教師的工程實踐能力

要求畢業設計指導教師必須具備豐富的工程實踐經驗，對于年輕的缺乏實踐經驗的老師，通過參與其他教師的橫向課題、到企業掛職、和其他教師一起帶學生去企業進行生產實習等方式豐富其實踐經驗。在和其他教師一起帶學生去企業進行生產實習時，和學生一起聆聽現場企業專家講解，詳細深入了解企業生產實踐情況。另外，為了提高畢業設計的工程實踐性，采取雙導師制，也就是對一個畢業設計課題采取校內導師和企業導師共同指導學生的方式，在畢業設計題目發布之前，校內導師和企業導師共同商量評估該題目是否屬于復雜機械工程問題、是否滿足本專業學生的培養目標、該題目的難度以及可能取得的成果等。在指導學生過程中發揮雙方導師的優勢，提高畢業設計的工程實踐價值。近年來，本專業聘請勝利石油工程有限公司、勝利油田石油工程研究院、勝機集團有限公司、濰柴動力股份有限公司、青島雷沃工程機械有限公司、青島海信集團等單位的200余位工程師作為企業導師，取得了良好的效果。

4. 加強畢業設計過程管理。

為了保證畢業設計的質量，從學校到學院都制訂了嚴格的管理措施，此外專業成立畢業設計工作領導小組，統籌部署本專業的畢業設計工作，明確指導教師、評閱教師和答辯教師職責與評分標準，并制訂了相應的評分建議表。指導教師主要職責為平時督促學生及時開展畢業設計工作，完成各項內容，其評價成績包括開題報告(10分)、畢業設計進度(15分)、畢業論文(10分)；評閱教師主要職責為評價學生的外文翻譯和畢業論文水平，其評價成績包括外文翻譯(10分)、畢業論文(20分)；答辯教師主要職責為評價畢業論文水平和畢業答辯表現，并參考指導教師和評閱教師意見，對優秀畢業論文進行校優推薦，其評價成績包括畢業論文(20分)、論文答辯(15分)。將該評分辦法提前告知學生，可分攤最終畢業設計評分責任，提升學生緊迫感，杜絕學生認為只要指導教師通過就一定能最終通過畢業設計的想法。

畢業設計工作領導小組還組織本專業經驗豐富的教師對畢業設計質量把關，開展課題審核、中期檢查、組織答辯、優秀論文評選等各項工作，能夠提高畢業設計的質量。

四、通過畢業設計加強學生解決復雜工程問題能力的培養

工程教育專業認證畢業要求12條標準中有8條是和復雜工程問題相關的，培養學生解決復雜工程問題的能力，既是工程教育認證的重要標準，也是培養高水平工程師的重要保障[9-11]。中國工程教育專業認證協會印發的《工程教育認證通用標準(2018版)》指出，復雜工程問題必須具備表2中的特征1，同時具備特征2-7的部分或全部。

畢業設計是培養學生解決復雜工程問題能力的主要途徑，下面以《井下油管電弧切割裝置設計研究》這一畢業設計題目來探討一下通過畢業設計進行解決復雜工程問題能力培養的過程。

1. 方案論證

為了合理設計井下油管電弧切割裝置，首先需要分析該裝置的工程應用背景，該裝置是針對石油開采過程中的井下油管砂埋、下井過程中螺旋鎖死等，導致油管在井下遇卡無法提出井外的問題，設計一種井下油管電弧切割裝置，該裝置主要包括機械系統和控制系統兩大部分。井下油管電弧切割裝置在切割油管時，將機械系統放入油管內部指定的位置，然后在油管和工具電極之間施加正負電壓，工具電極在控制系統的控制下不斷向油管內壁移動，當工具電極與油管內壁達到放電距離時就會發生劇烈的電弧放電，在電弧放電的高溫作用下，油管材料發生熔化被去除。同時控制旋轉電機工作，電機帶動進給機構做旋轉運動，電極繞油管內壁旋轉切割一周，油管被切斷，從而實現高效、低損耗、無機械切削力的切割。切割過程中實時檢測間隙電壓，進給電機控制電極的伸出長度，實現穩定高效的油管切割。

表2 復雜工程問題的特征

2. 機械系統設計

設計的機械系統如圖1所示，該系統主要由扶正機構、旋轉機構和進給機構三部分組成。扶正機構位于機械系統的上端，在進行切割操作過程中，必須保證井下切割裝置的穩定性，因此扶正機構要保證整套切割裝置與油管對中，而且能夠將切割裝置平穩下放進入油管內部，防止井下切割裝置在油管壁產生徑向運動，設計了一種柔性扶正機構，其上設計有彈簧將扶正塊推出，壓緊在油管內壁起扶正作用，如圖2所示。

圖1 井下油管電弧切割裝置機械系統示意圖

圖2 扶正機構結構圖

旋轉機構位于機械系統的中間位置，主要實現電極沿油管內壁進行周向切割的功能，設計的結構如圖3所示。旋轉電機上端與扶正機構相連，其輸出軸通過聯軸器與空心鋁管相連接。綜合考慮旋轉電機對低轉速和大驅動力矩的需要，選用型號為35HD2401的步進電機，其輸出最大轉速為6r/min，轉速在0～6r/min內可調，輸出靜力矩為17.57N·m，能夠滿足設計要求。

圖3 旋轉機構結構圖

進給機構是該機械系統的核心部件，主要實現電極的進給和回退，設計的結構如圖4所示。根據查閱文獻和前期實驗可知，工具電極的正常進給速度約為0.2mm/s，回退速度約為0.5mm/s，當電極與油管熔化材料粘接在一起時需要能夠帶動電極回退，因此選用型號為42GP326B10B的步進電機。

圖4 進給機構結構圖

3. 控制系統設計

設計的控制系統總體方案如圖5所示，主要包括旋轉電機的控制和進給電機的控制。旋轉電機帶動進給機構旋轉完成油管的周向切割，調節電機的轉速可以改變周向切割的速度，采用STM32單片機控制旋轉電機，在Keil uvision4中編寫了檢測有無按鈕按下、旋轉電機速度調節、驅動旋轉電機工作等程序。進給電機主要控制工具電極的進給速度，在切割油管過程中，控制電機有快速進給、快速回退、正常進給三種運行狀態。設計了間隙電壓檢測電路，并對各電阻、電容元器件進行了計算與選型，利用Multisim軟件對該電路不同的輸入間隙電壓進行數值模擬，結果表明該電路能夠準確識別各種切割狀態。

圖5 控制系統總體方案流程圖

4. 實驗裝置開發調試

開發的井下油管電弧切割實驗裝置如圖6所示，采用該裝置進行了4-1/2英寸油管切割，選擇直徑4mm的鎢電極，切割電流200A，切割線速度3mm/s。結果表明切斷該油管所需時間僅為2min，滿足井下油管切割需求。

圖6 井下油管電弧切割實驗裝置

5. 課題所涉及的復雜工程問題

該畢業設計課題所涉及的復雜工程問題特征描述如下：

(1) 必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。本課題要運用機械設計、控制原理、檢測技術和單片機技術等為主的工程原理，對井下油管電弧切割裝置進行分析，將其分解成相互關聯的機械系統和控制系統兩大部分，并進行檢測電路、電機控制程序開發，在此基礎上搭建實驗平臺進行實驗研究。沒有固定的簡單重復的方法來解決該問題，要求學生具備應用工程原理進行分析和設計的能力。

(2) 涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。本課題涉及機械、電子、電氣、控制等多方面技術，在工程方面需要進行機械結構設計、檢測電路設計、控制程序開發、電機的選型、實驗系統的搭建，設計開發難度、可靠性和成本等因素必然有一定沖突，需要學生從全局的角度綜合考慮問題。

(3) 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性。井下油管電弧切割裝置是一個復雜的機械設計問題、機電控制問題和工程問題，必須綜合考慮科學原理和工程應用實際，平衡利弊。要對井下油管電弧切割裝置的應用背景和功能需求進行分析，把握重點進行抽象和簡化，在切割裝置的設計中體現一定的創造性。

(4) 不是僅靠常用方法就可以完全解決的。不同類型的井下油管切割技術及裝置在其原理和結構方面是不同的，傳統電弧切割裝置無法直接用于井下油管的切割，需要學生了解井下油管切割技術的國內外發展現狀及各種技術的優缺點，以及傳統電弧切割在井下油管切割中存在的問題，能夠自主查閱和理解中外文文獻，綜合運用在之前所學的機械、電氣、控制等方面的知識，開發一套新型的井下油管電弧切割裝置，僅靠常用方法無法完全解決該問題。

(5) 問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中。該井下油管電弧切割裝置為開發的新型切割裝置，其中涉及的旋轉機構、電極進給機構沒有現成的結構，旋轉電機和驅動電極的控制程序、檢測控制電路等均沒有統一的專業標準，需要學生根據實際需求，合理設計相應的機械結構、自行開發電路和電機控制程序，并合理選擇相關器件，在此過程中要同時考慮社會、環境、成本等因素。

(6) 問題相關各方利益不完全一致。裝置開發時選擇不同的機械結構方案、控制系統中選擇不同的器件和電子元件會對切割裝置的運動精度、切割速度、穩定性、可靠性等指標有影響，此外，切割時不同的電極材料選擇、切割參數設置對井下油管的切割速度、穩定性、電極損耗等指標有影響，且上述指標會相互制約。因此，學生需綜合考慮各項性能指標，合理選擇機械結構、元器件、切割過程中的電極材料、切割參數等，能夠進行利益均衡與折衷。

(7) 具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。該課題需要綜合應用機械、電氣、電子、控制等多學科知識，站在系統的高度分別對旋轉結構、進給機構、扶正機構、間隙檢測電路、電機控制程序等子問題展開研究，而且這些子問題是相互關聯的。

五、結語

畢業設計是培養學生獨立分析問題和解決問題能力的重要途徑，工程教育認證標準從解決復雜工程問題角度對畢業設計提出了更高要求，因此在工程教育認證背景下對畢業設計進行改革勢在必行。本文介紹了畢業設計對學校機械設計制造及其自動化專業學生畢業要求的支撐情況以及本專業從學生、教師、管理等方面對畢業設計進行改革的措施。以某個學生的畢業設計為例，介紹了該課題所涉及的復雜機械工程問題，闡述了在方案論證、機械系統設計、控制系統設計、實驗裝置開發調試過程中所涉及的學生解決復雜機械工程問題能力的培養，達到了機械設計制造及其自動化專業工程教育認證的要求。