面向機械工程訓練的學習工廠平臺建設

文章編號：1671-489X（2025）06-0020-04 DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.020

0 引言

學習工廠是指基于真實的生產與運營管理過程，面向高校、企業(yè)和研究機構的多種功能整合的實踐學習場所，旨在呈現(xiàn)真實的生產過程，創(chuàng)造直接指向產品生產過程的學習環(huán)境。學習工廠不是對工業(yè)生產型工廠的簡單復制，而是在強調實踐和基于問題學習的教學論基礎上，為學生提供的一種優(yōu)化學習過程[1]。學習工廠創(chuàng)新組織結構，通過模擬真實的工程環(huán)境，依據(jù)工業(yè)生產流程，設計具體的工程實踐內容，實現(xiàn)工業(yè)生產與工程教育的有機融合，教學效果顯著。2019年8月，教育部工程訓練教學指導委員會組織了首次“學習工廠研修班”，赴德國羅伊特林根大學和波鴻魯爾大學進行研修，參加人員包括清華大學、上海交通大學、大連理工大學、大學等國內15所高校的16名骨干教師，旨在學習德國工程教育經驗，促進我國工程訓練教學改革。

眾所周知，工程訓練中心作為工科高校中教學規(guī)模最大、學生受眾人數(shù)最多的綜合性工程實踐與創(chuàng)新教學新模式載體，形成了融通識教育、工程教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和社會服務于一體的功能定位[2]。工程訓練課程的初衷是培養(yǎng)學生的工程實踐能力，因此，以工程認識訓練、工程基礎訓練、綜合訓練和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)作為主要教學內容。目前，新工科建設明確要求深化產教融合，加強校企合作[3]。近年來，經過多方努力，我國產教融合在體制機制、政策規(guī)劃、專業(yè)設置等宏觀改革上取得了突破性進展，但在課程設置、教學實施、學習活動等微觀層面上問題依舊突出，工程教育學術化現(xiàn)象依舊明顯，特別是將產業(yè)需求轉化為工程訓練具體教學內容，目前尚未形成系統(tǒng)有效的方法和路徑[4]。此外，校企合作穩(wěn)定性也不高[5。由于雙方培養(yǎng)目標不統(tǒng)一，育人過程中雙主體對各自需要承擔的教學責任不明確，難以在理念和行動上達到深度融合[6]。

大學機械工程國家級實驗教學示范中心借鑒德國波鴻魯爾大學學習工廠的教學理念，構建了無限逼近真實應用的產品批量生產工學結合平臺，實踐內容覆蓋產品設計與工業(yè)生產的全流程，在真實的工程實踐環(huán)境中實現(xiàn)產教深度融合，架設教育界與產業(yè)界的橋梁，為產教融合、學科交叉融合提供了新途徑。

1產品設計

學習工廠是一種學習環(huán)境，在這種環(huán)境中，流程和技術基于真實的工業(yè)步驟，允許直接進入產品創(chuàng)建流程。波鴻魯爾大學學習工廠生產的產品為一款紅酒保鮮塞，面向工業(yè)工程專業(yè)的學生開展工業(yè)4.0下的精益生產教學，包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和物聯(lián)網等教學內容。考慮到知識產權、設備資源、教學內容、教學對象等諸多因素，對產品進行了再設計（圖1）。在確保產品滿足使用要求且符合行業(yè)規(guī)范的前提下，設計的產品及零件結構簡化，適合學生制作，加工過程也更加體現(xiàn)機械工程訓練的課程要求。

該產品由塞體、膠圈、壓環(huán)、旋鈕和徽標等五個零件組成。按照食品行業(yè)規(guī)范要求，塞體和壓環(huán)選用304不銹鋼材料。膠圈外購，選用食品級硅膠材料。由于旋鈕不跟紅酒接觸，故選用硬鋁或塑料均可。徽標選用鏡面不銹鋼板，用激光切割出圓片并打標。

2教學平臺建設

2.1零件加工工藝方案制定

依據(jù)零件材料和形狀特征，制定紅酒塞零件加工工藝方案（表1）。

2.2產品生產線建設

為構建“服務學習、真實體驗”的工程實踐學習情境，按照產品批量生產的要求配置零件加工設備。塞體加工分為兩個工序，分別在兩臺數(shù)控車床上完成，第一道工序是加工螺紋端三個臺階軸和螺紋，第二道工序是加工塞體的錐體部分。壓環(huán)加工選用車削中心，一個工序就可完成主體加工，去毛刺安排在裝配生產線工位1完成。旋鈕外形和底孔加工在一臺斜床身數(shù)控車床上完成，旋鈕鍶孔和攻絲安排在裝配生產線上完成。徽標選用鏡面不銹鋼材料，首先用金屬激光切割機切出圓片，然后用激光打標機制作標識。產品包裝采用亞克力透明瓶，用3D打印制作酒塞底托，在瓶蓋上激光打印校徽或學生設計的個性化圖案。

產品裝配規(guī)劃建設六個工位。工位1：壓環(huán)去毛刺；工位2：粘貼標牌處旋鈕孔；工位3：旋鈕攻絲；工位4：標牌粘貼；工位5：產品組裝；工位6：產品包裝。紅酒塞生產線如圖2所示。按照企業(yè)產品批量生產要求，裝配線 1～4 工位的鉗工操作全部設計制作專用工裝夾具，確保零件加工質量和生產效率。

3項目式教學主要知識點設計

項目式教學是在教師指導下，以學生為中心，通過完成一個完整的實踐性項目而進行的教學活動。它要求學生運用已有的知識和經驗，親歷實踐過程，在具體情境中解決實際問題，進而鍛煉提高自身的綜合能力[]。作為產教融合、學科交叉的工程訓練教學平臺，該項目包含了機械制造、工業(yè)工程、工業(yè)設計等專業(yè)諸多知識點。

3.1掌握專業(yè)知識和操作技能

產品生產需要設計制造或優(yōu)化相關的工裝夾具，組織生產需要運用工業(yè)工程相關知識，零件加工需要使用數(shù)控車床、車削中心、3D打印機、金屬激光切割機、激光打標機等多種設備，這些都是機械工程師必備的專業(yè)知識和操作技能。

3.2編制完備的生產文件

按照企業(yè)產品批量生產要求，制定標準作業(yè)程序。編寫每個加工單元的職能，人員崗位職責，部門工作流程，跨區(qū)域協(xié)作流程，生產工藝流程，設備操作和維修規(guī)范，現(xiàn)場管理和作業(yè)秩序管理制度，產品裝配圖、零件圖、工藝卡、工序卡等技術文件。

3.3配備專用工裝夾具、量具

不同于單件生產，批量生產為了獲得較高的生產效率和加工精度，大多選用專用工裝夾具，如彈簧卡套等；除了配備通用量具外，在生產過程中更多使用專用量具，比如通規(guī)、止規(guī)等。

3.4合理配置生產要素

工程訓練為了確保安全，車削用量選擇比較保守，很少使用或僅用毛刷涂抹切削液，這樣加工零件不僅效率低，表面粗糙度也往往較差。產品生產體驗按照企業(yè)批量生產的要求，根據(jù)加工材料選用相應的可轉位刀片，選擇高轉速、合理的背吃刀量和進給量，全程使用切削液，以提高刀具使用壽命，保證加工質量，提高加工效率。

3.5推行精益生產管理模式

精益生產是運用現(xiàn)代管理方法和手段，充分發(fā)揮人的作用和資源的配置作用，通過最大程度地減少浪費、優(yōu)化流程來提高生產效率的一種新型生產方式[8]。其基本含義就是通過持續(xù)改進措施，在整個企業(yè)范圍內降低所有生產活動中的各種資源消耗并使之最小化的生產哲學。在布局加工設備和裝配線時，綜合考慮人、機、料、法、環(huán)等五種因素，最大限度地減少浪費。依靠自動化和準時化兩大支柱，對生產的各個環(huán)節(jié)進行有效的資源配置與管理，最大限度降低成本，提高效率。

3.6實行5S現(xiàn)場管理

5S是指在生產現(xiàn)場中對人員、機器、材料等生產要素通過開展整理、整頓、清掃、清潔等活動進行有效管理的一種方法[9]。5S是企業(yè)實施現(xiàn)場管理的有效方法。具體而言，工作區(qū)域不得擺放與生產無關的雜物；所有工裝卡具、量具、原材料、半成品、成品等必要物品按照三定原則（定點、定容、定量），有序放置，標識顯著；環(huán)境清掃制度化、規(guī)范化，做到有章可循、有據(jù)可依；確保加工區(qū)域環(huán)境整潔、干凈，并能長久保持，其目的是通過宣導和要求培養(yǎng)規(guī)矩意識，促進良好工作習慣的養(yǎng)成。5S現(xiàn)場管理模式如圖3所示。

3.7開展專業(yè)相關研究

學習工廠聚焦整體，面向過程和跨學科，構建具體化、場景化和任務式的工程實踐學習環(huán)境，以“做中學”、基于問題和行動導向的教育理念開展實踐教學。項目涵蓋產品批量生產的完整工作過程，融合不同學科與領域知識，涉及具體情境，因而，工程實踐的知識不但涉及顯性的理論知識，還涉及技能和意志、態(tài)度、動機等過程性、情境性的知識。參與者要根據(jù)自己的興趣和未來職業(yè)規(guī)劃，植根實踐，面向現(xiàn)實需求，著力培養(yǎng)工程觀、質量觀、系統(tǒng)觀[10]。

3.8探索以學生為中心的多元化學習方式

學習工廠改變了以往灌輸式的教學方法，教師角色從傳統(tǒng)課堂的主導者變?yōu)橛蟹椒ā⒂杏媱澋膮f(xié)助者［11]。從學生角度看，它是一種新的模式，注重學生體驗，讓學生利用各種資源，通過多元化的學習方式解決實際問題。

1）體驗式學習。在項目執(zhí)行過程中，學生依次體驗機床操作工、產品工程師和企業(yè)經理三種不同角色，開展機床操作、零件加工、創(chuàng)新設計、工藝優(yōu)化和產品優(yōu)化、提質增效等工作，通過親身實踐，分析并理解獲得的理論知識和專業(yè)技術知識，將其用于解決實際的工程問題。

2）基于問題的學習。在實踐中提出問題，分析、討論問題，運用相關理論知識和實踐技能，通過參與者的行動和互動，最終解決問題。

3）基于項目的學習。以項目為載體，依靠團隊合作，通過構思、設計、實施、運行，達到優(yōu)化目標，推動項目持續(xù)改進。

4）研究性學習。在真實生產流程中，通過確定研究問題，查閱文獻，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，構建模型，最終產生研究結果。

多元化的學習方式應用于生產實踐，旨在培養(yǎng)學生的設計能力、溝通能力、團隊合作精神和創(chuàng)新意識，提升學生的綜合工程實踐能力。圖4為學生生產的部分產品。

3.9構建學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺

鼓勵學生團隊依托平臺開展創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐。面向市場需求，將訂單管理、設備管理、耗材管理、能源管理、人力資源管理等精益管理方面的知識與產品生產相結合，通過一個批量產品生產過程的完整體驗，開展產品設計、工藝設計、成本分析、項目管理、產品銷售、團隊協(xié)作等產品全生命周期的探索。將產教融合的培育培訓轉為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模式[12]，實現(xiàn)從產品生產體驗向公司運營體驗的過渡，培養(yǎng)勇于投身實踐的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。

4結束語

大學機械工程國家級實驗教學示范中心建成的無限逼近真實應用的學習工廠，匯集了生產制造、教學培訓、研發(fā)探究等多元功能。依據(jù)工業(yè)生產和管理的全流程與生涯發(fā)展的全過程確定學習內容，設計組織“目標一過程一方法”相協(xié)同的教學實踐，在組織結構上實現(xiàn)工業(yè)生產與工程實踐教學內容有機融合，將工程實踐過程轉化為具體的工程訓練教學內容。從模擬工廠到模擬公司，為全方位鍛煉學生的認知能力、溝通能力、產品設計能力、實踐動手能力和團隊協(xié)作能力提供穩(wěn)定的產教融合實踐教學平臺。

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