項目驅動的研究生實踐教學案例庫建設

胡俊山 方金榮 田威

［摘 要］ 隨著產業結構的轉型升級，以航空宇航制造為代表的先進制造業對復合型高素質人才的培養提出了更高的要求。針對航空智能制造專業學位研究生現有教學模式中存在的“重理論，輕實踐”問題，開展項目驅動的實踐教學案例庫建設。在分析專業特點和實踐教學現狀的基礎上，探討了項目式案例教學的必要性，構建了以增強現實輔助裝配、鉆鉚裝備數字孿生、機器人精度補償三個技術專題為代表的實踐教學案例庫。實踐表明，教學案例得到了學生的普遍認可，有效促進了學生綜合實踐能力的培養，滿足了行業對創新實踐人才的需求。

［關鍵詞］ 項目驅動；航空智能制造；實踐教學；案例庫

［基金項目］ 2021年度南京航空航天大學研究生教育教學改革研究項目“面向智能制造的產教融合專業學位研究生培養模式探索與實踐”（2021YJXGG16）

［作者簡介］ 胡俊山（1988—），男，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大學機電學院副教授，主要從事飛行器先進裝配技術與智能裝備研究。

［中圖分類號］ G643.2 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）26-0132-04［收稿日期］ 2022-10-21

近年來，隨著智能制造技術的不斷發展，傳統裝備制造業與高新技術深度融合，逐漸向數字化、智能化、系統化、高端化方向發展，全面實現產業的轉型升級。綜合了機械、計算機、自動化等多融合交叉學科的航空制造業，作為高端裝備先進制造技術的典型代表，成為“中國制造2025”的重點發展領域。航空制造業具有專業融合性強、實踐目標性強等特點，這對相關領域的復合型人才培養提出了更高的要求，即不僅要重視基礎理論知識的積累，還要注重工程實踐能力的培養，以期發揮對國家重大戰略項目的支撐作用［1］。然而，目前的教學模式以教師單向授課為主，存在重理論講解、輕實踐應用的弊端，過于抽象深奧的專業知識不利于提高學生的學習積極性，導致教學效果遠不及預期，工程實踐能力不足的缺陷越來越明顯，所培養的人才難以滿足航空智能制造崗位和技術需求。為了助力我國航空制造業快速發展，加快推進產業結構的優化升級，培養經濟發展新動能，亟須對航空智能制造專業的人才培養模式進行有效變革，引入項目驅動式教學實踐手段，深化協同創新、產教融合，培養能夠適應航空智能制造發展需求的特色應用型和復合型高素質人才。

本文針對航空智能制造專業人才工程實踐能力與行業需求不匹配的現狀，探索新工科背景下專業學位研究生培養體系架構，以互動性和實踐性為核心，創新性地提出項目驅動式的教學案例庫建設，改變傳統的研究生培養過程中教學內容不直觀、缺乏實踐內容、科研平臺條件落后等問題，有效整合校內外優質資源，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的多元統一，從而提升學生在工程項目中分析和解決問題的能力，滿足行業對新型專業學位研究生的人才需求。

一、航空智能制造專業學位特點與實踐教學現狀

專業學位研究生不同于一般意義上偏向學術研究的研究生教育，前者針對特定行業和產業需求，以培養滿足特定需求的特色應用型和復合型高層次人才為目標。隨著我國研究生教育培養模式的優化變革，專業學位研究生因其具有的實踐性、職業性、應用性，逐漸成為面向社會需求的人才主力。從專業技術層面分析，專業學位研究生需要具備四項核心能力，即實踐能力、創新能力、分析能力和交流溝通能力［2］，能夠綜合運用所學專業知識和實踐技能，獨立分析并解決工程實際中的技術難題，如圖1所示。對于當前社會環境下研究生培養質量的嚴苛要求，項目驅動式的研究生培養模式突顯了較強的適用性及必要性。

航空智能制造專業具有多學科交叉融合的顯著特點，綜合性、復雜性、實踐性強，其核心專業研究方向包含飛機裝配技術與裝備、智能工裝設計、飛機自動鉆鉚技術等諸多領域，旨在培養寬口徑、厚基礎的專業人才。目前，我國的研究生實踐教學中存在實踐教學方法陳舊、教學內容缺乏系統性規劃、綜合實驗平臺老舊，且與科研需求相距甚遠、教學實踐效果差等問題。盡管目前部分高校開展了如制孔、鉚接等部分實驗課程，但由于先進工藝裝備及耗材成本極高，試驗平臺難以完全復原，實驗難度與綜合應用程度仍明顯落后于實際工程項目，導致航空智能制造專業學位研究生創新實踐能力的培養大打折扣。因此，必須革新現有的教學模式，以項目為驅動、案例為導向，同步提升學生專業理論水平和工程實踐能力。

二、項目驅動式實踐教學案例庫典例

項目驅動教學模式主要依托于具體工程實踐項目，以項目為驅動，結合項目的實施進程和評價反饋不斷優化教學內容和課程設計，讓學生在跟進項目的過程中學習專業理論知識并強化工程應用實踐能力［3］。相比于傳統的人才培養模式，項目驅動教學不僅可以充分激發學生的科研創新潛能和學習積極性，變被動學習為主動學習，提高學生在工程實際中分析和解決問題的綜合能力，還可以有效轉變師生交互關系，幫助實現教學模式從“教師為主體”向“學生為主體”的轉變，有助于應用型和復合型人才綜合素質和能力的培養，進而滿足行業對創新人才的需求。同時，航空智能制造專業具有顯著的綜合性、前沿性和復雜性，知識體系涵蓋了機械、電子信息、計算機、自動化等多個領域，目前尚未形成全面系統的培養模式。通過專業方向實踐教學案例庫建設，以具體的項目案例引導學生多角度、全方位地了解和分析專業問題，實現專業基礎知識和前沿科研領域的有機融合，進一步強化專業學位研究生工程和實踐能力的培養，推動高校研究生培養模式的有效變革［4］。本文以三個案例說明項目驅動式實踐教學在航空智能制造專業學位研究生培養過程中的作用。

（一）基于增強現實引導的飛機輔助裝配案例

增強現實技術（Augmented reality， AR）是由虛擬現實技術發展而來的一種新興的人機交互技術，其將通過計算機重建的虛擬場景或真實物體的非幾何信息疊加到真實世界里，“無縫”集成虛實世界以對現實世界進行增強補充，可有效提高用戶的感知能力和交互體驗，具有虛實結合、實時交互、三維注冊等突出特征［5］。

飛機零部件具有種類多樣、結構復雜、數量巨大等特點，在裝配過程中作業難度大、協調關系繁多、操作復雜，對裝配人員的專業技術要求極高。而受限于多方面的因素，高校較難還原飛機裝配試驗場地，學生只能通過課堂理論教學和查閱相關文獻資料了解相關知識，無法直觀感受飛機裝配過程，難以深入理解飛機裝配技術及原理。增強現實技術的應用，可以最大限度地利用數字化技術實現飛機裝配過程中的重點難點可視化、形象化，并通過飛機裝配實踐教學平臺和可穿戴式顯示設備開展情境式教學，大幅提升學習者的參與度，以一種更為自然的方式實現與學習對象間的交互，激發學生的科研興趣和學習積極性，有利于創新實踐能力的培養，同時也為教師提供了全新的教學模式。

基于AR輔助裝配技術設計研發了智能可穿戴裝配原型系統，實現了對目標識別、場景定位以及虛實融合渲染技術的研究，結合飛機機翼部件裝配、線纜裝配、機器人輔助裝配搭建了實驗驗證平臺，如圖2所示，驗證了增強現實技術在飛機裝配技術中的可行性［5］。以機翼零部件裝配為例，通過Unity將模型信息、裝配順序、裝配位置、裝配路徑等信息封裝到應用程序中并在可穿戴設備上運行，即可將信息投射到設備的透視鏡面，從而對零部件的實際裝配提供直觀形象的安裝引導。同時，裝配過程中通過智能裝配空間采集裝配信息并上傳至云端進行融合和處理，自動返回關鍵點位置信息，方便用戶對完整裝配過程質量進行控制和分析。在實踐教學過程中，學生通過佩戴AR眼鏡與虛擬場景中的飛機零件進行手勢交互，在鏡面裝配信息的引導下，通過各考核關鍵點處的可交互操作題目，即可完成飛機零部件的裝配，從而掌握飛機裝配的相關知識和實踐能力。讓學生體驗真實深刻的沉浸式操作，使學生在游戲般的實踐過程中系統地掌握飛機裝配技術原理、裝配工藝以及實驗分析法，培養學生在工程實際中分析和解決問題的綜合能力［1］。

（二）飛機鉆鉚裝備數字孿生案例

數字孿生的核心是充分利用物理模型、多傳感器信息、歷史進程等數據，在計算機虛擬空間中完成對物理實體的映射，形成以孿生數據驅動的工藝裝備智能決策和閉環控制。數字孿生技術具有很強的應用實踐性，對學生的工程能力要求較高，僅通過軟件仿真和查閱資料的學習方式無法深入理解技術細節，較難形成全面的知識體系，面對實際項目難題時容易無從下手。通過項目實踐教學的方式引導學生提出問題和解決問題，學生可以完整地參與每一環節的技術調試，有效培養了在工程實際中分析解決問題的能力。

以六軸機械臂數字孿生為例，學生根據項目要求完成平臺“上位機+下位機”的開發，如圖3所示。首先采用多傳感器融合技術，對臂桿應力應變以及關節動態扭矩等數據進行監測，完成多源數據可視化實驗。在此過程中，充分考查了學生對電工電子技術和傳感檢測技術的掌握程度，有效排查了知識盲區，對完善理論知識體系起到了積極作用。隨后基于3DE數字孿生平臺完成六軸機械臂仿真模型構建，通過ADS通信建立實體與虛擬空間的數據傳輸通道，通過編程實現機械臂姿態實時檢測、傳感器信息可視化、上位機指令解耦與控制等功能。經過項目推進過程中的每一步技術試錯和功能完善，學生更加全面系統地學習了包含機器人控制、物聯網通信、模型仿真在內的多學科理論知識并加以綜合實踐，加深了對專業核心技術的理解，進一步強化了學生的項目開發能力和工程實踐能力。

（三）機器人綜合精度補償技術案例

飛機機體機構中包含很多大型輕薄構件，在復雜多變的環境下承受各種作用力，對飛機綜合性能有很大影響，因此對部件的加工精度和裝配質量提出了更高的要求［6］。現有的自動化裝配技術中，工業機器人的作業精度無法滿足設計需求，因此提出機器人多級精度綜合補償技術，要求學生充分掌握機器人學的相關知識，具備自主設計機械加工類綜合實驗以及分析解決問題的能力。但現有的教學模式與應用結合不緊密，學生大多停留在表層知識的理解，對實際項目的自主二次設計和開發仍存在局限性。以構建基于多級精度補償策略的機器人銑削系統項目為例，實踐試驗平臺如圖4所示。學生通過搭載了銑削精度補償系統的KUKA KR500機器人，對復合材料艙段展開銑削精度實驗，根據實驗結果不斷改進誤差標定模型和精度補償策略以滿足項目預期目標，驗證了技術方案的可行性。以項目實踐的方式驅動教學，引導學生自主查閱資料、構思設計方案并優化技術細節，提高了學生分析問題解決問題的能力，還對原有知識體系進行補充和完善，加深了學生對機器人精度補償原理及機械加工方法的理解，使其直觀深刻地體會理論方法的實際意義，真正做到學以致用。相較于傳統的教學方式，其更具明顯的創新性、靈活性、實踐性，可以有效推進學生理論掌握、案例驗證和技術創新的遞進式工程能力訓練［7］，充分培養學生的創新實踐能力。

結語

航空智能制造專業具有綜合性、復雜性、實踐性強的顯著特點，培養過程中的教學模式容易走入重理論輕實踐的誤區，導致無法達到預期的教學效果，不利于復合型人才綜合素質的培養。本文針對航空智能制造專業人才工程實踐能力與行業需求不匹配的現狀，創新性地提出項目驅動式的教學案例庫建設，結合具體案例實現理論教學和項目實踐的有機融合，不僅達到高層次人才培養的目的，還豐富了航空智能制造專業的教學內容，為探索新工科背景下專業學位研究生的培養體系架構提供了更加廣闊的思路。

參考文獻

［1］胡俊山，王忠康，田威，等.基于沉浸式虛擬現實技術的飛機裝配課程教學實踐研究［J］.當代教育實踐與教學研究（電子刊），2020（23）：168-170.

［2］張巧榮.項目驅動的混合教學模式研究與實踐［J］.大眾科技，2022，24（6）：160-163.

［3］陳修龍，盛永超，高順，等.《機器人技術》案例庫的建設研究［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（11）：161-163.

［4］柴春鵬，尹絢，王姍，等.材料工程專業學位研究生實踐能力培養研究［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（3）：73-75+109.

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［6］田威，焦嘉琛，李波，等.航空航天制造機器人高精度作業裝備與技術綜述［J］.南京航空航天大學學報，2020，52（3）：341-352.

［7］白永強，朱仲杰.項目驅動能力培養的專業碩士教學改革［J］.科技與創新，2022（17）：149-151.

Case-base Construction of Project-driven Practice Teaching for Graduate Students： Taking the Professional Degree of Aviation Intelligent Manufacturing as an Example

HU Jun-shan， FANG Jin-rong， TIAN Wei

（College of Mechanical & Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： With the transformation and upgradation of Chinas structure of production， the advanced manufacturing industry represented by aerospace manufacturing has put forward higher requirements for the cultivation of compound high-quality talents. Aiming at the problem that the current teaching mode for graduate students in aviation intelligent manufacturing values theoretical knowledge more than practice， a project-driven practice teaching case base has been constructed. On the basis of characterizing the courses of aerospace manufacturing and its unsatisfied current situation， the necessity of project-based case teaching method is highlighted. The cases of augmented reality-assisted assembly， digital twin model of drilling & riveting equipments and the robot precision compensation technology have been presented in detail. It indicates that the project-driven practice teaching method has been widely recognized by graduate students. It promotes the cultivation of students comprehensive practical ability effectively and meets the industrys demand for innovative practical talents.

Key words： project-driven; aviation intelligent manufacturing; practice teaching; case base