基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學改革

趙云偉, 劉曉敏

(北華大學 工程訓(xùn)練中心, 吉林 吉林 132021)

工程實訓(xùn)課程是連接理論知識與實踐應(yīng)用的紐帶,是實踐教學的重要組成部分[1-5]。學生通過工程實習訓(xùn)練,將所學理論應(yīng)用于實際,不僅有助于學生深入理解所學的理論知識,拓寬專業(yè)視野,而且可以幫助學生建立質(zhì)量、環(huán)保和安全等方面的工程意識[6-8]。對于機械類工科學生而言,工程實訓(xùn)是獲取工程經(jīng)驗的手段,是培養(yǎng)學生動手實踐能力、提升綜合素質(zhì)和養(yǎng)成創(chuàng)新意識的重要途徑[9-10]。

如何提高學生解決工程實際問題能力、培養(yǎng)學生產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)新能力是目前工科院校機械類專業(yè)共同面對的問題[11-13]。重慶理工大學工程訓(xùn)練中心正逐步實施創(chuàng)新型工程體系建設(shè)。他們有針對性地設(shè)置實習教學內(nèi)容,通過軟硬件資源的合理配置,提出以學生為主體的引導(dǎo)式教學方式,大大提高了學生的學習積極性[14]。吉林大學的曲興田教授從調(diào)整教學內(nèi)容、轉(zhuǎn)變教學觀念、重視實踐環(huán)節(jié)、改進教學方法等方面對先進制造技術(shù)課程建設(shè)與教學改革進行了實踐與探討,并取得了一定的效果[15]。筆者根據(jù)多年工程實訓(xùn)教學經(jīng)驗,借鑒工程教育改革CDIO工程教育模式,提出以學生為中心,以產(chǎn)品項目為驅(qū)動,以提升工程實訓(xùn)教學質(zhì)量為目標,以提高學生產(chǎn)品設(shè)計制造綜合能力和創(chuàng)新能力為宗旨,逐步建立適應(yīng)社會發(fā)展的先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學體系。

1 學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方案

要根據(jù)學生興趣和學習需要進行針對性教學,要創(chuàng)建豐富的優(yōu)秀創(chuàng)新案例教學模型庫,要進行產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)新訓(xùn)練,將CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用到大學生競賽等實踐活動之中,以此培養(yǎng)學生機械產(chǎn)品設(shè)計與創(chuàng)新能力。圖1為學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方案。

(1) 注重學生基礎(chǔ)能力培養(yǎng)。包含圖形繪制、產(chǎn)品性能分析、制造工藝和機構(gòu)運動原理等基礎(chǔ)能力,并將這些能力應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計過程,對所設(shè)計的產(chǎn)品進行靜力學、運動學和動力學分析,包括材料強度、應(yīng)力應(yīng)變分析等。

(2) 以CAD和CAE軟件為手段,將二者結(jié)合起來應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、分析、加工和裝配過程,提高學生的機械產(chǎn)品設(shè)計能力。

(3) 建立創(chuàng)新案例教學模型庫，擴展學生創(chuàng)新思維,探尋新材料、新工藝、新方法。

(4) 機械產(chǎn)品設(shè)計與創(chuàng)新實踐。根據(jù)學生的學習興趣組建學生科研團隊,應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)進行機械產(chǎn)品設(shè)計,并參加大學生競賽等實踐活動。

圖1 創(chuàng)新能力培養(yǎng)方案

2 先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學改革實踐

2.1 先進制造技術(shù)實訓(xùn)體系

先進制造技術(shù)實訓(xùn)課程是我校工程訓(xùn)練中心的一門重要課程,實訓(xùn)教學體系涉及產(chǎn)品設(shè)計(CAD/CAM)、數(shù)控車削、數(shù)控銑削、特種加工、精密測量和機器人技術(shù)等6大方面[16],共包含22個實訓(xùn)項目,如圖2所示。本課程內(nèi)涵廣泛、學科交叉,不僅要培養(yǎng)學生工程技術(shù)實踐和應(yīng)用能力,還要實現(xiàn)對學生工程意識和創(chuàng)新能力等綜合工程素質(zhì)的教育。

圖2 先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學體系

目前該課程采用分組循環(huán)輪訓(xùn)方式,學生依次學習、實踐各實訓(xùn)項目。在這種運行方式下,各實訓(xùn)項目相對獨立,不利于學生將各實訓(xùn)項目結(jié)合起來應(yīng)用到機械產(chǎn)品的設(shè)計和加工制造當中。對現(xiàn)行的先進制造技術(shù)訓(xùn)練模式進行改革,將各實訓(xùn)項目進行有機融合,對提高實訓(xùn)教學質(zhì)量、培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力具有重要意義。

2.2 先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學改革方案

筆者與課程組教師在總結(jié)多年實踐教學經(jīng)驗基礎(chǔ)上,提出了以“產(chǎn)品項目”為載體的教學改革實踐方法。即將一個完整的“產(chǎn)品項目”的設(shè)計與加工制造貫穿于實踐教學始終,旨在提高學生對學科知識的系統(tǒng)掌握,促進學生探索和創(chuàng)新精神養(yǎng)成。具體教學改革方案如圖3所示。在實訓(xùn)過程中,各實訓(xùn)項目指導(dǎo)教師聯(lián)動配合,有效利用教學資源和儀器設(shè)備,努力達到理論教學與實踐操作的最優(yōu)化配合。

每組學生(3、5名學生一組)要經(jīng)歷“確定實習任務(wù)—制定工藝路線—產(chǎn)品制作加工—檢查考核評估—總結(jié)歸檔”等5個階段，如圖4所示。各小組成員之間相互交流合作,積極動腦思考,動手實踐制作,最終完成產(chǎn)品設(shè)計制作任務(wù),并以成果的形式予以展現(xiàn)。實習任務(wù)或項目選題主要來源于學生的自主設(shè)計,或?qū)⒋髮W生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和各類機械創(chuàng)新設(shè)計競賽引入到實訓(xùn)課堂,使每位學生親歷產(chǎn)品設(shè)計、加工制造及產(chǎn)品調(diào)試過程,讓學生在產(chǎn)品制造過程中學會發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題,培養(yǎng)學生解決工程實際問題能力和創(chuàng)新能力。

圖3 實訓(xùn)教學改革方案

圖4 以產(chǎn)品項目為載體的先進制造技術(shù)實訓(xùn)過程

3 教學改革成效與學生創(chuàng)新能力提高成效

3.1 先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學改革成效

教學改革實踐首先在機械制造及自動化專業(yè)學生中進行,并取得一定成效。在先進制造技術(shù)實訓(xùn)過程中,教師盡量不干預(yù)學生項目的實施,更多地是擔任導(dǎo)師和裁判的角色,針對學生提出的問題與建議,進行方向性的指引和疏導(dǎo),引導(dǎo)學生討論、分析和總結(jié)產(chǎn)品的設(shè)計、加工制造、檢測和調(diào)試進程,提高學生參與的積極性,注重學生產(chǎn)品設(shè)計能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng),盡量使每一位學生都有所提高。部分學生實訓(xùn)作品見圖5。

圖5 學生實習作品實例

通過教學改革,大大提高了學生的學習興趣,增強了學生實踐動手能力。學生根據(jù)自己的興趣和特長設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品,采用團隊協(xié)作方式,結(jié)合CAD、CAE、CAM軟件,完成整個產(chǎn)品的加工、制造、檢測和調(diào)試。在經(jīng)過先進制造技術(shù)實訓(xùn)后,學生學會了分析問題和解決問題的方法,團隊協(xié)作能力也大大增強。

3.2 學生設(shè)計能力和創(chuàng)新能力提高成效

以ADAMS動力學仿真軟件應(yīng)用為例,學生不再以實驗為主要設(shè)計手段,而是采用CAE、CAM軟件進行產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計能力。學生參賽和作品見圖6。圖6(a)為學生參加國家級大創(chuàng)賽項目,應(yīng)用ADAMS進行機器人腿部關(guān)節(jié)運動學仿真,優(yōu)化腿部各桿件和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸,提高機器人運動性能; 圖6(b)為學生研制的等速無沖擊直線往復(fù)運動機構(gòu),運用軟件仿真逆向設(shè)計,獲得機械創(chuàng)新大賽省級二等獎; 圖6(c)為無碳小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計,可有效利用動能提高小車行進距離,在工程技能大賽中獲國家級三等獎。

圖6 部分學生參賽作品

綜上所述,學生依托實訓(xùn)項目產(chǎn)品,結(jié)合CAD、CAE、CAM軟件教學改革和大學生創(chuàng)新實踐等活動,可以提高學生產(chǎn)品設(shè)計制造綜合能力,對學生的后續(xù)學習和就業(yè)有諸多助益。

4 結(jié)語

以產(chǎn)品項目為驅(qū)動的先進制造技術(shù)實訓(xùn)教學，改變了傳統(tǒng)的按部就班式的實訓(xùn)教學方式,將學習主動權(quán)交給學生,激發(fā)了學生的學習興趣。在注重學生基礎(chǔ)能力培養(yǎng)的同時,輔以創(chuàng)新案例教學模型庫,通過組建興趣團隊、分組訓(xùn)練、參加創(chuàng)新活動等方式,加強對學生工程素質(zhì)及產(chǎn)品設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

截至目前,已完成2門工程實訓(xùn)課程改革,1門ADAMS軟件教學課程改革。在機械13級學生中,學生依托項目產(chǎn)品,成功申報國家級和省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目各1項,申報校級項目3項; 獲機械創(chuàng)新大賽省級二等獎1項、三等獎2項; 有兩組學生在工程技能大賽中分別獲得國家級三等獎和省級一等獎。