基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工程訓(xùn)練改革與實(shí)踐

張建恒

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)工程訓(xùn)練課程內(nèi)容單一且教學(xué)模式固定陳舊，缺乏與專業(yè)理論課程知識(shí)體系相互結(jié)合等問(wèn)題，提出以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為教學(xué)內(nèi)容的綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。將專業(yè)理論與實(shí)踐課程有效結(jié)合，構(gòu)建“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)訓(xùn)課程的分工協(xié)作，使學(xué)生掌握先進(jìn)制造技術(shù)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐操作能力。實(shí)踐表明，開展綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)一步增加工程訓(xùn)練課程內(nèi)容的創(chuàng)新性和豐富性，對(duì)于提高學(xué)生實(shí)際工程能力有重要的意義。

Abstract： In view of the problems such as the single content of traditional engineering training course， the fixed teaching mode and the lack of the integration with the knowledge system of professional theoretical courses，This paper proposes a comprehensive innovative training project with Stirling engine as the teaching content，The teaching mode of "project driven" is constructed by the effective combination of professional theory and practical courses，Through the division of labor and cooperation of practical training courses， students can master advanced manufacturing technology and improve their innovation ability and practical operation ability.The practice shows that it is of great significance to develop comprehensive innovative practical training courses to further increase the innovation and richness of the content of engineering training courses to improve students' practical engineering ability.

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);創(chuàng)新實(shí)訓(xùn);項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式

Key words： engineering training;stirling engine;innovative training;project driven

0? 引言

面對(duì)現(xiàn)有工程訓(xùn)練課程教學(xué)內(nèi)容單一、教學(xué)模式較為陳舊、學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣低、動(dòng)手能力薄弱、創(chuàng)新能力不足等諸多問(wèn)題，開展具有創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)體系，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的工程師，提升工程綜合實(shí)踐能力已成為工程訓(xùn)練課程改革的必要方向[1-3]。隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展升級(jí)，以往的教學(xué)方法和教學(xué)模式并沒(méi)有進(jìn)行轉(zhuǎn)變。盡管現(xiàn)有工程訓(xùn)練課程有一定的實(shí)踐操作課程，但基本模式都是教師進(jìn)行示范性的教學(xué)，即教師做，學(xué)生看，缺乏學(xué)生主動(dòng)性學(xué)習(xí)。并且分散實(shí)訓(xùn)課程使不同工種之間缺乏聯(lián)系，學(xué)生對(duì)零件加工工藝的整體認(rèn)識(shí)不足。近年來(lái)，本校工程訓(xùn)練中心借鑒其他學(xué)校實(shí)訓(xùn)課程改革的成功經(jīng)驗(yàn)，堅(jiān)持以“新工科”建設(shè)為工程教育改革要求[4-5]，以專業(yè)課程為理論依據(jù)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力為目標(biāo)[6]。構(gòu)建“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”的實(shí)踐教學(xué)模式[7]，將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容任務(wù)化[8]，具體化，充分利用工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有設(shè)備資源，使學(xué)生在完成常規(guī)工訓(xùn)課程的同時(shí)，能夠完成CAD建模、CAE分析、繪制工程圖紙、工藝設(shè)計(jì)、制造檢查、裝配調(diào)試等學(xué)習(xí)任務(wù)，加強(qiáng)訓(xùn)練的連續(xù)性。并且整個(gè)教學(xué)過(guò)程以學(xué)生為主體，教師為輔，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，使工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

1? 創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)改革的主要目的

工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐操作相結(jié)合的綜合能力，提高工科學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練都是依照固定的教學(xué)方案和教學(xué)大綱，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容都是不變的，這樣的實(shí)訓(xùn)方式缺少鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)。在實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束后，學(xué)生不知道一個(gè)零件從毛坯到成品需要哪些工序、哪些工藝加工，沒(méi)有足夠的綜合能力訓(xùn)練，從而面對(duì)一個(gè)新的零件加工圖紙時(shí)就不知所措。所以這樣的實(shí)訓(xùn)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和工程應(yīng)用能力。

構(gòu)建“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”的綜合創(chuàng)新工程訓(xùn)練的目的就是改變現(xiàn)有工程訓(xùn)練方法的不足，使以學(xué)生主體和項(xiàng)目任務(wù)為教學(xué)任務(wù)的中心，合理利用傳統(tǒng)加工設(shè)備，將單一的訓(xùn)練任務(wù)相互結(jié)合起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力。使學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐操作能力得到提高。通過(guò)教師理論講授和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，課程主要以學(xué)生小組自發(fā)討論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)選定、模型設(shè)計(jì)、圖紙制作、自主加工和裝配調(diào)試等流程。課程激發(fā)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)方法和團(tuán)隊(duì)配合，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐操作能力。

2? 創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合理的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容是整個(gè)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的關(guān)鍵，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的好壞直接影響教學(xué)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)決定質(zhì)量，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)該緊扣學(xué)生所學(xué)內(nèi)容，要合理的將專業(yè)課理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)課程結(jié)合起來(lái)，制定可行的符合實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容，不能只是走過(guò)場(chǎng)，并且能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

基于以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型[9]作為教改的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，其中滿足以下幾點(diǎn)要求：

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性

首先應(yīng)該和學(xué)生課程所學(xué)或生活所見(jiàn)的內(nèi)容相關(guān)，使學(xué)生有興趣參與，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要原理結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。比如其中的基本運(yùn)動(dòng)原理就是學(xué)生熟悉的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這種較為熟悉的主要原理能很大程度上的加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和自信心。并且學(xué)生也能依靠工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有條件完成設(shè)計(jì)和制作。

2.2 項(xiàng)目的難度要合理

進(jìn)行創(chuàng)新工程訓(xùn)練的年級(jí)大多為大二學(xué)生，大部分學(xué)生都缺少實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目過(guò)難或者過(guò)低都會(huì)降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)不到教學(xué)目的，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

2.3 綜合能力的體現(xiàn)

以前工程訓(xùn)練內(nèi)容是制作榔頭，尺寸形狀唯一，學(xué)生只需要按部就班的跟著步驟完成即可，沒(méi)有自我發(fā)揮空間?；谒固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要學(xué)生每個(gè)人參與其中，每個(gè)除了完成各自分配好的工作，還需要充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，通過(guò)查閱資料和討論，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工。每一臺(tái)完成的產(chǎn)品都體現(xiàn)不同小組學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和工程能力。

以單缸式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型主要包括配氣缸體、配氣活塞、工作缸體、工作活塞、傳動(dòng)連桿、配重部件、支架、底板和其他標(biāo)準(zhǔn)件。學(xué)生通過(guò)分組設(shè)計(jì)并加工，最后目標(biāo)是成功運(yùn)轉(zhuǎn)。教學(xué)任務(wù)過(guò)程中，模型制做難度不高，如何成功運(yùn)轉(zhuǎn)就需要學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，也是本次教學(xué)任務(wù)的難點(diǎn)之一。

3? 創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施方式

教學(xué)內(nèi)容改革主要是通過(guò)加強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造相結(jié)合，以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型為載體作為綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目課程的教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與專業(yè)課程的知識(shí)緊密結(jié)合。圖1是綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)的流程圖。

按照“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”的工程訓(xùn)練新模式的要求，將整個(gè)實(shí)習(xí)過(guò)程分成兩個(gè)階段，第一階段是常規(guī)的工訓(xùn)實(shí)習(xí)階段，要求學(xué)生將多種加工制造設(shè)備或方法逐個(gè)學(xué)習(xí)實(shí)踐，掌握各個(gè)加工設(shè)備的基本操作。第二階段為綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)階段，將制作斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為實(shí)訓(xùn)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)分組完成斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。整個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)與專業(yè)課程緊密結(jié)合，并與第一階段的常規(guī)實(shí)訓(xùn)任務(wù)相互聯(lián)系。以下是綜合創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程：

①項(xiàng)目闡述，由教師在課堂上介紹斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)類型。分析發(fā)動(dòng)機(jī)中典型零件的工藝要求，提出發(fā)動(dòng)機(jī)中設(shè)計(jì)和加工的難點(diǎn)。

②分組方案設(shè)計(jì)，一是收集資料和設(shè)計(jì)方案，這一階段與小組指導(dǎo)教師進(jìn)行交流討論確定方案，教師需要從設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)方面去檢查方案的可制造性與創(chuàng)新性。主要是確保方案能夠在工程訓(xùn)練中現(xiàn)有設(shè)備下能夠制造并且優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。二是利用線下自主學(xué)習(xí)繪制三維模型，并通過(guò)CAE分析檢查方案機(jī)械結(jié)構(gòu)可行性。由于實(shí)訓(xùn)時(shí)間有限，大二年級(jí)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)有限，所以工程訓(xùn)練中心提供部分參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，適當(dāng)降低實(shí)訓(xùn)任務(wù)的難度。這一階段指導(dǎo)教師將定期和小組成員交流討論，保證在制造階段有成型的設(shè)計(jì)圖紙。

③綜合制作階段，要求小組分工詳細(xì)，每個(gè)學(xué)生明確各自的工作任務(wù)，并根據(jù)實(shí)際的工種進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，在工種統(tǒng)一訓(xùn)練結(jié)束后完成各自小組的設(shè)計(jì)零件，最后進(jìn)行裝配調(diào)試。這一階段要求學(xué)生與指導(dǎo)教師充分交流確定各個(gè)零件的加工工藝和原材料，對(duì)應(yīng)學(xué)生需要充分學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)工種的基本操作，完成自己規(guī)定的零件加工，并保證加工精度。通常情況零件并不是一次加工成功，在制造和裝配過(guò)程中會(huì)有很多問(wèn)題，比如公差要求或者結(jié)構(gòu)形狀。在反復(fù)的修改與設(shè)計(jì)制造過(guò)程也鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力和抗壓能力。零件加工完成后小組進(jìn)行裝配調(diào)試，成員共同參與，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修改。

④評(píng)估階段，重視小組的答辯環(huán)節(jié)，各個(gè)小組根據(jù)完成的實(shí)際情況將整個(gè)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)過(guò)程進(jìn)行匯報(bào)，實(shí)訓(xùn)中心所有老師對(duì)各小組成品進(jìn)行檢查和提問(wèn)，最后進(jìn)行打分，作為創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的綜合成績(jī)。

4? 綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課程解決的主要問(wèn)題

基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)17級(jí)機(jī)械專業(yè)學(xué)生作為試點(diǎn)，教學(xué)實(shí)踐改革效果顯著，解決傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)以下5個(gè)問(wèn)題。

①緊密結(jié)合理論課程知識(shí)體系，融合機(jī)械專業(yè)多門學(xué)科的重點(diǎn)知識(shí)理論。整個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)從學(xué)生自主設(shè)計(jì)到分工制作并裝配的過(guò)程中將所學(xué)的如工程制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、金屬切削加工、三維建模、互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)等實(shí)際開設(shè)課程合理的結(jié)合。

②解決以往單一式的工程訓(xùn)練課程模式，將不同工種的訓(xùn)練課程相結(jié)合。使得分散實(shí)習(xí)和集中實(shí)習(xí)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。并將傳統(tǒng)加工設(shè)備和先進(jìn)加工設(shè)備相結(jié)合，合理利用工程訓(xùn)練中心設(shè)備資源。

③建立以學(xué)生自主實(shí)踐為主、教師指導(dǎo)為輔，集中講解和專門指導(dǎo)相互結(jié)合的教學(xué)模式，打破以往的教師做、學(xué)生看的手把手的上課形式。通過(guò)“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)模式鼓勵(lì)學(xué)生在教師一定的指導(dǎo)下自主設(shè)計(jì)，分析加工工藝完成加工，激發(fā)學(xué)生大膽創(chuàng)新和實(shí)踐的潛能。

④工程訓(xùn)練中心師資隊(duì)伍的教學(xué)能力加強(qiáng)，通過(guò)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)開展，使教師不斷強(qiáng)化自身專業(yè)的理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力，更好地履行教師職責(zé)[11]。

⑤通過(guò)開展綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的工程訓(xùn)練模式，課程建立完整的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造流程，使得學(xué)生更為全面的掌握機(jī)械專業(yè)的理論知識(shí)和實(shí)踐操作。從一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)、三維建模、模型裝配和CAE分析再到圖紙繪制、生產(chǎn)制造、測(cè)量檢測(cè)以及最后的裝配調(diào)試。課程難度由易到難，教學(xué)內(nèi)容從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐操作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐能力的逐步鍛煉。通過(guò)以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為教學(xué)載體，構(gòu)建了較為完整的工程訓(xùn)練課程體系和實(shí)踐教學(xué)體系。使得學(xué)生在完成指定的學(xué)習(xí)任務(wù)過(guò)程中體會(huì)到機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，提升了創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐操作能力。

5? 結(jié)語(yǔ)

2018年的全國(guó)高等學(xué)校本科教育會(huì)議上，教育部部長(zhǎng)就提出了要適當(dāng)對(duì)大學(xué)生“增負(fù)”，提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加課程難度，擴(kuò)大課程選擇性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)樂(lè)趣。工程訓(xùn)練中心作為學(xué)生實(shí)踐的重要基地，需要積極推進(jìn)“新工科”的建設(shè)要求，通過(guò)構(gòu)建項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的工程實(shí)訓(xùn)課程，結(jié)合基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容，將原本分散獨(dú)立的工種緊密結(jié)合，合理利用了中心已有資源，并與專業(yè)理論課程相聯(lián)系，使理論知識(shí)和實(shí)踐操作有效的整合起來(lái)。激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的工程能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐操作能力，極大的提高學(xué)生工程思維，提升了中心應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量[12]，為培養(yǎng)新工科專業(yè)人才做鋪墊。

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