面向工程能力培養的創新實踐教學平臺構建

栗茂林 武通海 張彥鵬 李黨超 邵敏

摘? 要：面對新工科工程能力培養的需求，結合工程訓練和學生能力培養的短板問題，以“設計-制造-測量-優化”的完整產品開發鏈為導向，將3D建模設計、先進制造和三維測量技術相融合，提出全工程能力閉環培養訓練的思路，構建包含設計模塊、制造模塊、測量模塊以及反饋優化模塊的創新實踐教學平臺。基于該平臺開展模塊化教學，培養學生三維設計、先進制造、質量評價和改進優化的系統思維，從而做到支撐系統級新工科人才培養的工程訓練教學，最終實現將實踐條件平臺化、課程內容模塊化和教學方式個性化的目的。

關鍵詞：工程能力培養;工程訓練;創新實踐平臺

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0029-04

Abstract： In order to meet the requirements of engineering capability training of new engineering， a closed-loop training method for the whole engineering capability was proposed by integrating 3D modeling design， advanced manufacturing and 3D measurement technology， guided by the complete product development chain of "design-manufacturing-measure-optimization".Thus， an innovative practice teaching platform including design module， manufacturing module， measurement module and feedback optimization module is constructed. Through the modular teaching of the platform， students' systematic thinking of 3D design， advanced manufacturing， quality evaluation and optimization is cultivated， so as to support the engineering training of talent cultivation. Finally， the goal of platform practice， modular courses and personalized teaching methods is realized.

Keywords： cultivation of engineering ability; engineering training; innovation practice platform

2017年，教育部開始全面推進新工科建設，為高校工程教育改革指明了新方向。新工科要求人才培養站在引領國際工程教育改革發展的高位，培養具有國際視野的系統級工程技術人才，其核心是面向產品或工程的全方位素養、多學科交叉、工程鏈思維的意識打造與能力提升，要求學生通過工程化訓練，了解產品開發的設計、制造、性能以及工程與社會的關系等[1-2]。作為高等教育中工程能力教育的重要支撐，如何從工程訓練中體現新工科系統級工程人才的培養成為高校工程教育改革的焦點[3-4]。從工程訓練的現狀來看，傳統的“榔頭”實習飽受詬病，各高校均圍繞新工科人才培養目標制定工程訓練新體系，重點從新技術和新產業角度進行實訓改革，通過傳統到先進、局部到全面的形式，增加諸如3D打印[5]、高精加工[6]、創新項目實踐[7]等實踐教學體系。打造與人才培養目標相適應的開放性、創新型、現代化的工程訓練培養基地，建設一流的實踐教學支撐平臺是現在工程訓練改革的當務之急[8-9]。

一、創新實踐教學平臺構建

根據雙一流建設的需求，以構建工程能力培養的創新實踐教學平臺為目標，著力從更新實踐內容、改革實踐方法和升級實踐設施等三方面入手，構建從基礎認知、基本技能、綜合設計到創新實現的層級式實踐環節，打造集實踐訓練和創意實現于一體的面向新工科的工程訓練實踐教學平臺，讓交大學子能夠享受到優質教育資源，在早實踐、多實踐、反復實踐的體驗式環境下，成長為明天的建設者和接班人。

打造面向工程能力培養的創新實踐教學平臺，需要構建設計模塊、智能生產模塊、特種制造模塊和測量檢測模塊，構造完整的產品開發鏈涉及的一系列模塊。其中，設計與制造都是產品開發的重要環節，工程意識的培養不僅在制造端，更應強調設計端的培養。縱觀近年來的工程訓練改革，工程設計能力的缺位使開發能力不完善，進一步導致工程能力系統不完整，尤其是高端產品領域的設計能力短板（高端裝備、芯片設計、系統設計等），因此，高端工程設計人才必然是國家重大工程和未來產業的急需，也符合C9高校人才培養的定位與內涵。工程設計人才的能力培養不但要解決設計理論的運用水平，更要強調對制造技術，尤其是先進制造技術的工程認知水平，因此，設計、制造、優化是工程設計能力的必要構成環節。

西安交通大學實踐教學中心作為學校主要的工程實踐教育平臺，通過改革和創新實踐教學課程體系，形成了系統化的機械制造實習創新模式，從傳統加工制造技術逐步拓展為數控加工、3D打印等現代加工制造技術，提升學生對現代加工技術的理解，并在此基礎上構成學生工程知識鏈的閉環。通過項目建立起“工程教育”與“實際工程”之間的緊密聯系，面向“設計-制造-測量-優化”的完整產品開發鏈，提出全工程閉環訓練的思路，以系統級工程意識訓練為目標，依托典型零件產品的“設計-制造-測量-優化”全過程，將3D建模設計、先進制造、三維測量技術融合，打造一個閉環的工程訓練鏈條。通過構建包含設計模塊、3D打印及數銑、加工中心制造模塊以及三維表面測量模塊的實訓平臺，培養學生三維設計，先進制造、質量評價、改進優化的系統思路，從而真正做到支撐系統級新工科人才培養的工程訓練教學。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998

創新實踐教學平臺的構建框架如圖1所示。以新工科建設為契機，從產品設計、生產、制造、優化等全過程的需求出發，革新培養理念、創新培養模式、加強專業認證，系統地培養提升學生解決“復雜工程問題”的能力，以期培養的工程科技人才能夠支持新經濟、新產業、新業態、新技術的發展，將為傳統的“榔頭”實習破局，為新工科系統級人才的工程設計能力培養提供新的思路和探索。

二、課程模塊設計

（一）閉環實踐教學平臺搭建

面對新工科系統級工程能力人才培養的需求，針對研究型大學工程訓練和學生能力培養的短板問題，以“設計-制造（增材/減材）-測量-優化”的完整產品開發鏈為導向，將3D建模設計、先進制造和三維測量技術融合，構建了如圖2所示的創新實踐教學平臺，包含設計、3D打印、數銑制造及三維表面測量，形成了“設計-制造-測量”的閉環實訓體系。

圖1 面向工程能力培養的創新實踐教學平臺

圖2 搭建完成的創新實踐教學平臺

（二）課程模塊設計

通過計算機硬件與配套建模軟件的配置，形成單個具有曲面形狀（小尺寸）的零件設計能力。購置SolidWorks三維造型軟件、MasterCAM和CAXA等軟件，配合計算機網絡，搭建三維設計平臺。可開設SolidWorks基礎使用培訓、SolidWorks進階使用培訓、CAXA軟件使用培訓、MasterCAM后處理使用培訓以及三維造型設計等課程。

建設以3D打印系統和數控銑床為主的加工平臺，形成與設計零件尺度匹配的現代加工能力，通過多種加工方式的對比分析，尤其強調學生對不同加工方式對產品的工程性和社會與經濟性的理解。可開設創意設計與3D打印制作、基于3D打印與逆向工程技術的創新實踐、陶瓷產品3D打印、加工中心安全培訓以及基于數控加工中心的創新性綜合實訓等課程。

建設以三維掃描儀為核心的小尺寸加工零件測量系統，形成對已加工曲面零件的三維測量能力。可開設現代測量技術及三坐標測量機實踐等課程。

設計、加工和測量各個模塊可以開展獨立教學，學生開展實踐活動的場景圖如圖3所示。

各個模塊也可以系統規劃實踐教學體系，以具有曲面形狀的目標零件作為對象，開展包含設計-制造-測量-優化等系列環節的實訓過程，并通過過程性評價及最終產品評價，形成過程性教學效果考核方式。

三、個性化教學內容設計

目前，機械制造金工實習主要以多個工種的操作技能訓練為主，所學知識與技能存在相對孤立，沒有聯系的缺點，而且學生在實習中被動學習。“面向工程設計能力閉環培養的實踐”教學模式，既要注重技能學習，更要注重“設計-制造-測量-優化”工程全鏈的工程意識的建立。通過產品開發工程鏈閉環培養實踐教學環節，能夠調動學生的主動性，強化學生的工程設計能力和設計理論的應用能力，培養具有系統級工程能力的新工科人才。

針對目前金工實習單一簡單工程技能訓練的問題，增加3D打印、數控加工等先進制造手段，培養學生對先進制造技術的理解和實際的工程應用能力，通過對不同加工方法的對比分析，加深理解產品設計與加工方法之間的關聯。增加測量和優化設計模塊，引入先進測量設備及相應的測量反求軟件，從測量中反饋回去優化設計，讓學生了解加工工藝的區別，以及從設計階段如何考慮制造的影響，進而建立質量概念。培養學生發現問題、解決問題能力的同時，培養其團隊協作精神，為學生后續創新創業奠定良好的基礎。

如圖4所示，以具有曲面特征的葉片為對象設計教學內容，貫通三維設計、數銑加工、3D打印和三維測量的全過程，讓各個模塊不再孤立存在，而是圍繞產品生產全鏈的一個整體。

在實踐過程中，可以讓學生根據參加科技競賽、CDIO或者課程設計的情況，調整生產對象，并完成設計、加工、測量到反饋優化的全流程。

四、結束語

金工實習課程作為對學生進行基礎工程教育的必修課，長期以來的教學內容都是以加工技能和設備操作訓練為主。面向工程能力培養的創新實踐教學平臺構建，以全工程閉環訓練思路，培養學生面向產品開發過程的工程全鏈意識及系統分析能力。

在實踐應用過程中，采用教師指導、學生分組進行，完成了產品設計、3D打印加工、加工中心加工、三維表面檢測、成果展示等實踐環節，體驗了產品從設計到加工再到測量優化的全流程。培養了學生針對復雜機械工程問題，將現代工程工具及信息技術應用于產品設計、制造及運行中的能力。項目在實施過程中得到學生的普遍歡迎，學生的學習熱情、興趣和主動性高漲，教學效果顯著，不僅在工程設計能力和設計理論方面能力明顯提高，也培養了學生對先進制造技術的理解和實際的工程應用能力;通過對不同加工方法的對比分析，加深理解了產品設計與加工方法之間的關聯關系。為學生金工實習改革探索了一條新途徑。

在項目實施過程中，搭建了多個實踐教學平臺，并針對各個平臺制定了教學大綱、教學課件、制作實例圖紙、各類教學表格等教學資源，同時也積累了教學經驗，為今后的教學改革探索奠定了基礎。在實踐過程中，要求學生理解并遵守工程職業道德和規范，履行責任，不僅培養了學生發現問題、解決問題的能力，同時還培養了學生團隊協作精神，為后續創新創業奠定了良好的基礎。

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基金項目：西安交通大學2020年本科教學改革研究項目“思政視域下的《金工實習》實踐課程教學探索”（2053Y）;西安交通大學2020年本科實驗實踐與創新創業教育教學改革研究專項“面向虛實融合的金工實習課程教學新模式”（20SJZX41）

作者簡介：栗茂林（1978-），女，漢族，山西晉中人，博士，高級工程師，研究方向為數控加工、CAD/CAM技術應用與研究、實踐教學。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998