工程訓練中心先進制造技術(shù)集約化訓練系統(tǒng)建設(shè)

楊祖幸, 陳 艷, 董麗萍

( 四川大學 實驗室及設(shè)備管理處, 四川 成都 610065)

我國工程訓練實踐教學改革起步于20世紀90年代,隨著“科教興國”戰(zhàn)略方針的實施和多渠道資金對本科實踐教學和基地建設(shè)的投入,我國工程實踐教育取得了迅猛發(fā)展。但是工程實踐教育的快速發(fā)展和質(zhì)量提升,并不能掩蓋客觀存在的一系列制約工程實踐教育改革和發(fā)展的深層次問題,如缺少具有引領(lǐng)和推動作用的頂層設(shè)計；缺少科學、系統(tǒng)的課程體系；缺乏對實踐教學基地長期發(fā)展理論的研究等[1-2]。

以“十五”期間建設(shè)的33家工程訓練國家級實驗教學示范中心為例,目前平均面積大約在1.7萬m2左右,最大的甚至達到3萬m2,設(shè)備資產(chǎn)平均將近5 000萬/個。但在教學模式上,目前絕大多數(shù)學校依然按照傳統(tǒng)的工程訓練課程教學模式運行,大量設(shè)備相對獨立地按照冷、熱工藝方法分類,主要以單機方式運行,教學內(nèi)容設(shè)計不重視對學生建立系統(tǒng)概念的引導,致使工程類實踐教學設(shè)備存在布局分散、低層次運行及設(shè)備功能得不到充分發(fā)揮、資源共享程度低的狀況。學生反映比較集中的問題是,課程內(nèi)容分散、工種相對獨立、工藝流程前后顛倒、課程缺乏系統(tǒng)性和完整性、學習目的不夠明確等,不利于他們的自主學習和全面掌握知識。與此同時,在現(xiàn)代制造業(yè)朝著系統(tǒng)化、數(shù)字化、技術(shù)集成化和多學科交叉方向發(fā)展的背景下,一大批先進制造設(shè)備正在進入高校的各類實驗中心,新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備正在成為工程實踐教學的重要組成部分。如何構(gòu)建新工科背景下多學科交叉的實驗教學體系和平臺,以適應新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展,培養(yǎng)面向“中國制造2025”的高級工程人才,成為工程實踐教學內(nèi)涵建設(shè)急需解決的問題[3-7]。

1 四川大學工程訓練中心現(xiàn)狀

1.1 基本狀況

四川大學工程訓練中心是四川省首批省級實驗教學示范中心,2007年成為國家級實驗教學示范中心,每年有文理工醫(yī)50余個專業(yè)的4000余名學生在中心完成不同層次和不同類型的工程訓練及創(chuàng)新學習。在新工科背景下,工程訓練中心以多學科基礎(chǔ)知識交叉為特色,集基礎(chǔ)訓練、先進技術(shù)訓練、創(chuàng)新實踐訓練和綜合素質(zhì)訓練為一體,教學內(nèi)容注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代、工程與醫(yī)學和人文社科的結(jié)合,除傳統(tǒng)制造技術(shù)外,已覆蓋先進制造工藝、自動控制技術(shù)、特種加工、數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、CAD/CAM、特種焊接、基礎(chǔ)醫(yī)學、醫(yī)學功能材料,以及康復治療、藝術(shù)、文物修復及保護、環(huán)境保護和安全教育等多個領(lǐng)域和學科的基礎(chǔ)知識訓練和綜合訓練。全程安全教育、醫(yī)學功能材料與骨科康復、快速成形(3D打印)和激光加工及柔性制造系統(tǒng)等多個實驗模塊或平臺處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1.2 建設(shè)思路

四川大學堅持辦最好的本科教育,努力培養(yǎng)學生的想象力、創(chuàng)造力和探索未來的潛質(zhì)、能力。學校非常重視本科教學實驗室建設(shè),近幾年年均投入1.2億元,按照世界一流的標準和“先進性、專業(yè)性、課程性、創(chuàng)意性”四位一體的建設(shè)理念,以跨學科/專業(yè)共建共享的建設(shè)模式和智能化的運行管理手段,搭建了多學科交叉的智能化教學實驗平臺。示范中心作為實驗教學改革、實驗室建設(shè)與運行管理、學生綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面的引領(lǐng)示范單位,長期以來,學校從政策、經(jīng)費、管理等方面對示范中心給予了重點支持。

近年來,隨著大批先進制造設(shè)備進入中心,建設(shè)與之相適應的新的實驗教學體系迫在眉睫。中心針對課程內(nèi)容中冷加工與熱加工、傳統(tǒng)與現(xiàn)代等方面比例失調(diào)和缺乏系統(tǒng)性的現(xiàn)象,從示范中心可持續(xù)發(fā)展和新工科建設(shè)層面出發(fā),提出以先進制造技術(shù)和信息技術(shù)為主線,以系統(tǒng)化、集約化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用為技術(shù)手段,以提高效率和效益為目的的“內(nèi)涵式增長”模式,發(fā)揮綜合性大學多學科交叉優(yōu)勢，以及提升整體教學和人才培養(yǎng)質(zhì)量的建設(shè)思路,通過集約化訓練系統(tǒng)的建設(shè),將工程訓練中心建成具有工業(yè)生產(chǎn)氛圍的實踐教學基地,使學生從課程學習初期就建立起系統(tǒng)概念和學科交叉概念,進而在學習過程中有目的地進行綜合訓練和創(chuàng)新訓練,并為后續(xù)課程做好系統(tǒng)學習的準備[8-13]。

2 集約化訓練系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容

按照綜合性大學新工科建設(shè)的內(nèi)涵和要求,集約化訓練系統(tǒng)建設(shè)，主要體現(xiàn)在教學內(nèi)容集合優(yōu)化、教學設(shè)備集中布局、教學管理集約運作和教學手段集成應用等四個方面。具體建設(shè)途徑是，通過集約化實現(xiàn)實驗空間與設(shè)備的整合與共建共享,搭建多學科交叉融合的實踐教學系統(tǒng),為學生提供在新工科背景下,完成基礎(chǔ)訓練、綜合和專業(yè)訓練、多學科交叉及創(chuàng)新訓練、學科訓練、不同層次競賽及多項社會服務(wù)等方面的集約化訓練。

2.1 多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統(tǒng)

四川大學工程訓練中心于上世紀90年代,在世界銀行貸款的支持下,在國內(nèi)最早建成了快速成形制造(3D打印)實驗教學平臺。此后,又經(jīng)過多次經(jīng)費投入和設(shè)備的集約整合,形成目前多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統(tǒng)(設(shè)備及教學內(nèi)容見表1)。該訓練系統(tǒng)建設(shè)始終以課程改革為先導,以多學科交叉滲透為特色,采取分層次持續(xù)建設(shè)模式,目前已建成的快速成形與快速制造訓練系統(tǒng),處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。除完成本科教學以外(每年4 000人左右),還可面向全校開出不同層次的多元化訓練項目。學生可利用該訓練系統(tǒng)完成基礎(chǔ)訓練、綜合和專業(yè)訓練、多學科交叉及創(chuàng)新訓練、學科訓練及不同層次競賽作品制作,如機械產(chǎn)品和模具的快速原型及零件制造、反求工程、人體骨骼與牙齒的構(gòu)建、假肢接收器的CAD建模和制作，以及考古復原、古文物的綜合修復等,這是最受學生歡迎的訓練系統(tǒng)之一。

2.2 多種制造技術(shù)集成的特種加工訓練系統(tǒng)

多層次、多種制造技術(shù)集成的特種加工訓練系統(tǒng),借鑒和拓展了快速成形實驗訓練系統(tǒng)的建設(shè)模式,將各類激光加工和已有的數(shù)控線切割、電火花成形加工,以及虛擬仿真、測試技術(shù)等各類設(shè)備進行優(yōu)化、集合(各類設(shè)備及教學內(nèi)容見表2)。該系統(tǒng)除了能為機械類學生開出專業(yè)類實驗外,還能為全校其他專業(yè)開出多項創(chuàng)新性實驗項目,例如：機械模具制造、服裝的激光剪裁、產(chǎn)品的嵌入式標記制作、藝術(shù)造型、激光在玻璃體中的焊接與切割、非金屬材料的激光切割、微型小孔的設(shè)計與制作、產(chǎn)品表面激光裝飾設(shè)計與制作等。2015年開出的激光加工學生自主創(chuàng)意實驗和內(nèi)雕作品實驗,設(shè)備使用率高，學生受益面大(每年4000人左右),得到學生的高度好評。本系統(tǒng)成為我校繼快速成形與快速制造訓練實驗教學系統(tǒng)之后,又一個在工程訓練教學中處于國內(nèi)領(lǐng)先水平的實踐訓練系統(tǒng)。

表1 工程訓練中心快速成形設(shè)備及教學內(nèi)容一覽表

表2 工程訓練中心各類特種加工設(shè)備及教學內(nèi)容一覽表

2.3 數(shù)字化柔性集成制造訓練系統(tǒng)

國家教學名師、清華大學傅水根教授指出：“數(shù)字化集成制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中的主流技術(shù)和核心技術(shù)，大學生應該有所接觸，有所感知，有所深入?！彼拇ù髮W工程訓練中心通過將科學、人文、工程進行交叉融合，建設(shè)了能夠滿足新工科實驗教學要求的訓練系統(tǒng)，為新工科實驗教學注入新的理念和內(nèi)涵，推動和促進了“新工科”實驗體系、教學內(nèi)容及教學方法和手段的改革。

2.3.1 以虛實結(jié)合為特色的焊接柔性制造系統(tǒng)

焊接柔性制造系統(tǒng)由焊接工業(yè)機器人、搬運機器人、立體倉庫貨架及檢測單元等為實體，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，以虛實結(jié)合為特色，能解決目前國內(nèi)高校普遍存在的教學內(nèi)容重冷加工輕熱加工、焊接對環(huán)境污染嚴重和對學生身體有一定傷害等問題，同時非常適合采用虛擬仿真教學手段來表述焊接時微小的熔池冶金過程。學生可利用該系統(tǒng)進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、加工參數(shù)優(yōu)化等多學科交叉的訓練，從而較全面和系統(tǒng)地提升學生的知識結(jié)構(gòu)和應用能力。該系統(tǒng)在國內(nèi)高校工程訓練中心中，是首個具有高集成度、高開放性，真正集光、機、電及信息于一體的，處于領(lǐng)先水平的集約化系統(tǒng)。

2.3.2 文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓練系統(tǒng)

目前,國內(nèi)一些高校的工程訓練中心的柔性制造系統(tǒng)一般為單一機械制造系統(tǒng)。我校工程訓練中心按照學校在新工科實踐教學方面應提供多層次的學科交叉型實驗課程和多元化的實驗教學平臺的要求,采用由經(jīng)濟管理、應用理科向工科延伸的技術(shù)方案,構(gòu)建以先進制造技術(shù)柔性系統(tǒng)(含數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控雕銑機、搬運機器人、測試系統(tǒng)、裝配站、碼垛機器人、行走機器人等)為主線,集合工程運作管理柔性制造單元,二者共用倉儲管理平臺、信息管理平臺、CAD/CAM、系統(tǒng)監(jiān)控PC以及立體倉庫的文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓練系統(tǒng)(圖1),將設(shè)計(以學生自主創(chuàng)新設(shè)計為主)—制造—工程運作及管理集合為一體。學生利用該系統(tǒng)可了解機電一體化、先進制造技術(shù)、管理信息、生產(chǎn)物流和質(zhì)量檢測等的基本概念以及現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向,利用多學科不同的知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng),演繹不同的綜合/創(chuàng)新實驗,進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學科交叉訓練。該系統(tǒng)功能完善,具有高集成度和高開放性,在國內(nèi)高校工程訓練中心中,是學科交叉程度較高、學生受益面較大的高水平數(shù)字化柔性集成訓練系統(tǒng)。

圖1 文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓練系統(tǒng)

3 集約化訓練系統(tǒng)建設(shè)成效

3.1 有利于教學內(nèi)容的頂層設(shè)計及拓展

通過新購教學儀器設(shè)備與原有設(shè)備的集成,建設(shè)了3個以先進制造技術(shù)為核心的集成訓練系統(tǒng),多學科交叉融合程度高。新增實驗項目20余個,受益學生2 000余人/年,實踐教學人時數(shù)40 000余人·時/年,大大地提高了設(shè)備的使用效率,擴大了學生受益面。

3個集成訓練系統(tǒng)具有多學科交叉的特色,為教學內(nèi)容的頂層設(shè)計提供了很好的技術(shù)支持。通過教學內(nèi)容、教學設(shè)備和教學技術(shù)的整體集約化,提升了軟硬件教學能力,實現(xiàn)了以提高教學效率和效益為目的的“內(nèi)涵式增長”。這3個工程實踐訓練系統(tǒng),將設(shè)計(以學生自主創(chuàng)新設(shè)計為主)—制造—工程運作及管理集成為一體,學生在焊接柔性制造系統(tǒng)及虛擬仿真教學平臺上可進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學科交叉訓練；可在多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓練系統(tǒng)和多層次、多種制造技術(shù)集成的特種加工訓練系統(tǒng),學習先進的前沿技術(shù),了解新技術(shù)和新工藝的發(fā)展趨勢,訓練綜合應用先進制造技術(shù)和多學科交叉基礎(chǔ)知識的能力,例如將快速成形技術(shù)與醫(yī)學、電加工與模具制造、模型數(shù)字化采集與激光加工相結(jié)合等。

3.2 對國家級實驗教學示范中心建設(shè)具有示范輻射作用

我校工程訓練中心經(jīng)過多年建設(shè),在完成本校教學、科研任務(wù)及相關(guān)專業(yè)卓越工程師校內(nèi)工程實踐訓練的同時,充分利用優(yōu)質(zhì)教學資源,發(fā)揮示范輻射作用。中心為四川大學中外合作辦學的匹茲堡學院的相關(guān)3個專業(yè)提供1—4年級的全程實踐教學和創(chuàng)新訓練,幫助和指導西部地區(qū)高校工程訓練中心建設(shè)和課程改革,承擔西南民族大學、四川大學錦城學院、四川大學錦江學院等兄弟院校學生實習和教師培訓,進行成都市中小學教師工程能力培訓、全國青少年夏令營和中學生創(chuàng)新訓練等社會服務(wù)。我校先進制造技術(shù)集約化訓練系統(tǒng)建設(shè)取得的教學研究成果,將對以新工

科為背景進行工程實踐教學改革的兄弟院校具有積極的示范作用。

4 結(jié)語

新工科研究和實踐應圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展,最終必須回歸到工程上來。我校工程訓練中心充分發(fā)揮學科綜合優(yōu)勢,推動多學科的交叉融合和跨界整合,以建設(shè)多個先進制造技術(shù)集約化訓練系統(tǒng)為切入點,將中心建成具有工業(yè)生產(chǎn)氛圍的實踐教學基地,從而為學生學習先進制造技術(shù)、信息技術(shù)以及管理技術(shù)提供支持。與此同時,拓展了課程教學體系的頂層設(shè)計空間,并推動了國家級實驗教學示范中心從基礎(chǔ)型向綜合型、集約型的內(nèi)涵式發(fā)展,提升了中心的整體水平和區(qū)域服務(wù)能力。