以綜合實踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的設(shè)計與制造類課程融合建設(shè)研究

苗淑杰 徐莉 劉春香

摘 要：本文根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的“成果導(dǎo)向”理念， 針對當(dāng)前機械類專業(yè)教學(xué)中存在的設(shè)計和制造類課程之間相對獨立設(shè)置的問題，提出了設(shè)計與制造類課程實踐教學(xué)融合建設(shè)的思路。圍繞機械產(chǎn)品設(shè)計和制造主線，突出設(shè)計制造能力培養(yǎng)設(shè)置理論教學(xué)內(nèi)容。以培養(yǎng)學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力和工程實踐能力為導(dǎo)向，以真實工程環(huán)境為依托，通過項目化實踐教學(xué)的5個階段，即方案設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型零件工藝設(shè)計、零件加工、精度檢測分析及組裝，實施機械類專業(yè)設(shè)計和制造類課程實踐教學(xué)的融合，實現(xiàn)設(shè)計與制造系統(tǒng)化、完整化的綜合實踐教學(xué)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：機械類專業(yè)設(shè)計與制造類課程課程融合建設(shè) 綜合實踐能力 項目化教學(xué)

Research on Integrated Construction of Design and Manufacturing Courses Guided by the Cultivation of Comprehensive Practical Ability

MIAO Shujie ?XU Li ?LIU Chunxiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150030 China）

Abstract：According to the "results-oriented" concept of engineering education certification， this paper puts forward the idea of integrating practical teaching of design and manufacturing courses in view of the relatively independent setting of design and manufacturing courses in the current teaching of mechanical majors.Focus on the main line of mechanical product design and manufacturing， the theoretical teaching content of design and manufacturing ability training is highlighted. Guided by cultivating students' comprehensive knowledge application ability and engineering practice ability， relying on the real engineering environment， the project practice teaching is divided into five stages： Scheme design， component structure design， typical component process design， component processing， precision testing and analysis and assembly are integrated into the practical teaching of mechanical design and manufacturing courses to achieve a complete integrated practice teaching of design and manufacturing.

Key Words： Mechanical majors; Design and manufacturing courses; Curriculum integration construction; Comprehensive practical ability; Project teaching

機械類專業(yè)教學(xué)包括機械設(shè)計和機械制造兩大核心內(nèi)容。如筆者在《機械類專業(yè)設(shè)計與制造類課程的融合建設(shè)》一文中提到的，目前，機械類專業(yè)設(shè)計與制造類課程之間存在彼此相對獨立設(shè)置的問題。設(shè)計與制造類課程教學(xué)內(nèi)容相脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對知識的掌握是零散的，對設(shè)計完成的零部件是否有良好的加工工藝性、是否滿足裝配要求和精度要求等缺乏認(rèn)知和體驗，理論指導(dǎo)工程實踐能力和動手能力欠缺，解決工程問題的能力較弱，設(shè)計與制造類各課程內(nèi)容無法做到融會貫通、靈活應(yīng)用，缺乏知識和實踐能力的綜合訓(xùn)練與培養(yǎng)[1][2]。

為了強化工程實踐教育，提升工程教育質(zhì)量，深化學(xué)生的知識綜合運用能力、工程實踐能力以及創(chuàng)新意識，使得工程教育人才培養(yǎng)適應(yīng)實際生產(chǎn)的需求，我國高等教育開展了本科工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。工程教育認(rèn)證體現(xiàn)了“成果導(dǎo)向”“以學(xué)生為中心”和“持續(xù)改進”3個基本理念，其核心理念是以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心設(shè)計實施教學(xué)活動[3]。為此，機械類專業(yè)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和制造綜合實踐能力為主線，優(yōu)化課程體系，加強工程綜合實踐能力訓(xùn)練和培養(yǎng)。

1 機械類專業(yè)設(shè)計與制造類課程建設(shè)思路

機械類專業(yè)教學(xué)實踐性很強，對學(xué)生既要注重基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識和基本技能的培養(yǎng)，還要注重面向工程的基本思維和基本能力的養(yǎng)成。應(yīng)以工程為引導(dǎo)，以知識獲取能力、工程實踐能力培養(yǎng)為核心，強調(diào)教與學(xué)相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、教學(xué)與工程相結(jié)合的培養(yǎng)方式，強化學(xué)習(xí)與應(yīng)用融合。

學(xué)生需同時具備設(shè)計與制造兩方面的知識和實踐能力，其應(yīng)具備的工程實踐能力及達(dá)成的教學(xué)支撐見圖1[4]。

理論教學(xué)環(huán)節(jié)遵循教育教學(xué)規(guī)律，基本以學(xué)科要求設(shè)置課程，以夠用為度優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，圍繞機械產(chǎn)品設(shè)計和制造主線，突出設(shè)計和制造的基本知識、基本原理、基本方法及基本過程等教學(xué)內(nèi)容，強調(diào)知識的應(yīng)用。

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在學(xué)生已經(jīng)具備一定的設(shè)計和制造方面專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，實施設(shè)計類和制造類實踐教學(xué)融合的綜合實踐訓(xùn)練教學(xué)。以真實工程環(huán)境為依托，采用項目化工程案例教學(xué)形式，把計算機繪圖、機械方案設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、加工制造、精度測量等內(nèi)容融合入項目中，實施機械產(chǎn)品從設(shè)計—制造—精度檢驗—組裝的生產(chǎn)流程全過程實踐教學(xué)模式，實現(xiàn)設(shè)計與制造系統(tǒng)化、完整化實踐教學(xué)，強化培養(yǎng)學(xué)生的知識整合能力、綜合知識應(yīng)用能力，提高學(xué)生對機械產(chǎn)品的設(shè)計和制造的整體認(rèn)識。

2 機械類專業(yè)設(shè)計與制造類課程融合建設(shè)實施

2.1設(shè)計與制造類課程理論教學(xué)

針對機械類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備的設(shè)計和制造方面的工程實踐能力，首先需要學(xué)生掌握制圖和工程設(shè)計表達(dá)、方案設(shè)計、材料分析和選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析校核、精度設(shè)計和測量、加工工藝設(shè)計和制造等專業(yè)基礎(chǔ)知識。因此，在設(shè)計制造融合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)開設(shè)前，要有足夠的理論知識來支撐，需要先學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論課程，以獲取相應(yīng)的機械產(chǎn)品設(shè)計和制造的基本知識與技能。

通過機械制圖課程的學(xué)習(xí)，掌握投影、國家標(biāo)準(zhǔn)、機件的表達(dá)、標(biāo)準(zhǔn)件常用件等知識，培養(yǎng)學(xué)生的識圖、制圖及設(shè)計表達(dá)能力;通過工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，掌握運動學(xué)及動力學(xué)分析計算，桿件的內(nèi)力、應(yīng)力分析及強度、剛度計算等知識和理論，培養(yǎng)學(xué)生對機械工程問題進行受力、運動等方面的分析及對桿件進行設(shè)計計算的能力;通過互換性與技術(shù)測量課程的學(xué)習(xí)，掌握標(biāo)準(zhǔn)、機械零件的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度的選用及標(biāo)注，現(xiàn)代測量技術(shù)等知識，培養(yǎng)學(xué)生機械精度設(shè)計及技術(shù)測量能力;通過工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，掌握機械工程材料、組織結(jié)構(gòu)、性能，熱處理工藝、成形工藝等知識，培養(yǎng)學(xué)生合理選材，制定經(jīng)濟合理的熱處理工藝及成形工藝的能力;通過機械原理課程的學(xué)習(xí)，掌握機械原理的基本知識、常用機構(gòu)的設(shè)計原理及方法、機械動力學(xué)基礎(chǔ)等知識，培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)傳動方案設(shè)計及可行性分析能力;通過機械設(shè)計課程的學(xué)習(xí)，掌握傳動零件、軸系零部件、連接件等通用零部件的設(shè)計理論和設(shè)計方法知識，培養(yǎng)學(xué)生通用機械零部件或簡單機械設(shè)計及工作能力分析的能力;通過金屬切削機床與刀具課程的學(xué)習(xí)，掌握金屬切削原理、刀具及機床設(shè)備等知識，培養(yǎng)學(xué)生零件加工的能力;通過機械制造工藝學(xué)課程的學(xué)習(xí)，掌握機械制造工藝、機床夾具設(shè)計、機械加工精度、機械加工表面質(zhì)量及機械裝配工藝等知識，培養(yǎng)學(xué)生機械加工工藝規(guī)程設(shè)計及機床夾具設(shè)計能力。

教學(xué)中，精簡各理論課程教學(xué)內(nèi)容，刪除重復(fù)內(nèi)容，對于實踐性較強或結(jié)合實物易于理解的內(nèi)容，如工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)課程中熱加工零件毛坯制造部分的基本知識，金屬切削機床與刀具和機械制造工藝學(xué)課程中有關(guān)金屬切削刀具、加工設(shè)備、機械加工工藝及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面基本知識，適合于現(xiàn)場講授的內(nèi)容盡量安排在實習(xí)中講解。

2.2以實踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的設(shè)計與制造類課程融合的綜合實踐教學(xué)

綜合實踐教學(xué)即將兩門或兩門以上的實踐課程合并在一起，融合各門課程的主要教學(xué)內(nèi)容，形成綜合實踐訓(xùn)練的教學(xué)模式，以便學(xué)生系統(tǒng)、全面、綜合地掌握專業(yè)知識技能。綜合實踐教學(xué)融合原傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容有：機械原理課程設(shè)計、機械設(shè)計課程設(shè)計、機械制造工藝課程設(shè)計及機械制造工藝實習(xí)，還增加了精度測量分析內(nèi)容。

在進行綜合實踐教學(xué)前，需完成計算機輔助設(shè)計和工程訓(xùn)練實踐技能訓(xùn)練。通過計算機輔助設(shè)計實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用CAD軟件表達(dá)機械結(jié)構(gòu)的能力，為后續(xù)設(shè)計機械結(jié)構(gòu)儲備技能;通過工程訓(xùn)練實踐教學(xué)對典型產(chǎn)品的制造加工過程，使學(xué)生了解零件加工方法和工藝過程，培養(yǎng)學(xué)生加工操作技能，為后續(xù)零件工藝設(shè)計及加工奠定實踐基礎(chǔ)。

在綜合實踐教學(xué)中，按照專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，堅持成果導(dǎo)向教育理念，以設(shè)計制造能力培養(yǎng)為主線，運用、整合所學(xué)的知識和技能，交互融合理論教學(xué)與實踐教學(xué)，使學(xué)生得到逐步遞進式的產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行的全過程系統(tǒng)性綜合訓(xùn)練[5]。

2.2.1項目實踐教學(xué)的任務(wù)要求

在進行綜合實踐教學(xué)前，需向?qū)W生布置詳細(xì)的工作任務(wù)。項目選擇實際工程機械，如產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線、輸送線布料裝置、分度沖壓機、曲柄壓力機、顎式破碎機、絞肉機、提升機、抽油機等。學(xué)生需完成項目的方案設(shè)計、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型零件工藝設(shè)計及加工、精度檢測分析、組裝、技術(shù)文件編寫等綜合性的設(shè)計制造內(nèi)容。

2.2.2項目實踐教學(xué)實施

按照機械產(chǎn)品設(shè)計制造的生產(chǎn)過程，項目實踐教學(xué)分為如下幾個階段進行。

第一階段：方案設(shè)計。學(xué)生以組為單位，分別完成任務(wù)書中上述不同的項目案例的機械方案設(shè)計。進行機構(gòu)選型和組合，研究運動形式的變換，并對機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析和性能比較，根據(jù)機械的用途、功能、工藝要求及機構(gòu)運動規(guī)律要求，確定設(shè)計方案，繪制方案的機構(gòu)運動簡圖，編寫設(shè)計說明書。培養(yǎng)學(xué)生初步的方案設(shè)計能力。

第二階段：零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計。從第一階段設(shè)計的方案中，選擇1個或2個典型部件，如變速器、減速器等完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。運用機械設(shè)計原理和方法，依據(jù)工作技術(shù)要求，選用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進行電動機選擇、部件及其中零件的尺寸設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用CAD等軟件繪制裝配圖及部分典型零件工作圖，編寫設(shè)計說明書。培養(yǎng)學(xué)生初步的簡單機械裝置設(shè)計能力。

第三階段：典型零件工藝設(shè)計。從第二階段設(shè)計的部件結(jié)構(gòu)中，選擇已完成設(shè)計的2個具有配合關(guān)系的典型零件，如齒輪和軸、連桿和軸等完成工藝設(shè)計。運用機械制造的基本理論和方法，分析零件的加工工藝要求，設(shè)計機械零件加工工藝規(guī)程，編寫工藝過程卡片及工序卡片，編寫設(shè)計說明書。培養(yǎng)學(xué)生初步的工藝設(shè)計能力。

第四階段：零件加工。在校工程訓(xùn)練中心完成第三階段工藝設(shè)計的典型零件的加工制造，將設(shè)計的零件實物化。按照零件設(shè)計的加工工藝及經(jīng)過工程訓(xùn)練所掌握的裝備操作技能和零件加工方法，合理選擇零件加工的設(shè)備和工具，根據(jù)零件的尺寸、結(jié)構(gòu)形狀及精度要求，加工出滿足設(shè)計要求的零件。培養(yǎng)學(xué)生按工藝要求加工零件的操作技能和解決現(xiàn)場工藝問題的能力，增強學(xué)生對零件設(shè)計結(jié)果的直觀感性認(rèn)識。

第五階段：精度檢測分析及組裝。根據(jù)第四階段加工零件的測量指標(biāo)，完成尺寸精度測量。合理選用計量器具，根據(jù)零件精度的測量技術(shù)方法，結(jié)合零件的尺寸及尺寸精度、幾何精度、表面粗糙度等設(shè)計要求，對已經(jīng)加工完成的具有配合關(guān)系的兩零件進行精度檢測，并對測量結(jié)果數(shù)據(jù)進行判定，是否滿足設(shè)計指標(biāo)要求。對精度測量合格的軸、孔零件進行配合組裝，其結(jié)果可能會出現(xiàn)滿足配合公差要求的合格加工件和不滿足配合公差要求的不合格加工件兩種情況。出現(xiàn)配合公差不合格的情況原因有兩種：一種是軸、孔配合公差設(shè)計不合理;另一種是軸、孔配合公差設(shè)計合理，但零件設(shè)計中尺寸公差與配合公差標(biāo)準(zhǔn)不一致。因此，最后要求學(xué)生對精度測量不滿足設(shè)計指標(biāo)要求的不合格數(shù)據(jù)及不滿足配合公差要求的不合格軸、孔加工件進行問題分析，找出問題出現(xiàn)的原因和環(huán)節(jié)，是設(shè)計階段還是加工階段，提出修改方法或措施，做出改進分析報告。培養(yǎng)學(xué)生機械精度技術(shù)測量、數(shù)據(jù)分析處理及解決產(chǎn)品質(zhì)量問題的能力。

通過設(shè)計與制造相融合的綜合實踐教學(xué)，將教學(xué)場地從教室擴展到工程訓(xùn)練車間及實驗室，讓工程教育回歸工程實踐[6]。實踐能力的培養(yǎng)貫穿于項目教學(xué)全過程，避免了“紙上談兵”，切實培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實的精神，增強學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計的責(zé)任感，有效檢驗學(xué)生設(shè)計與加工的合理性。

2.3教學(xué)環(huán)節(jié)進程安排

根據(jù)設(shè)計與制造類課程先修與后續(xù)課程之間的相互支撐關(guān)系，各教學(xué)環(huán)節(jié)進程安排及支撐情況如圖2所示。

3 教學(xué)建設(shè)需進一步完善之處

為了更好地實施課程建設(shè)，有些問題需要進一步完善。

（1）修改專業(yè)人才培養(yǎng)方案，從頂層設(shè)計優(yōu)化實踐教學(xué)體系，設(shè)置課程融合的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

（2）改善實踐教學(xué)條件，加大對零件加工基礎(chǔ)設(shè)施的投入力度，增加設(shè)備的種類和臺套數(shù)。

（3）加強教師與工程訓(xùn)練中心指導(dǎo)教師的協(xié)調(diào)配合，共同參與實踐教學(xué)的全過程。

（4）如有條件，可以在項目中融入電氣控制部分內(nèi)容，實現(xiàn)設(shè)計、制造、控制類課程相融合的機電一體化綜合實踐課程建設(shè)[7]。

（5）形成開放式的工程實踐訓(xùn)練模式。項目最好延伸到企業(yè)，學(xué)生可以體驗企業(yè)真實的生產(chǎn)環(huán)境，感受企業(yè)工程文化。

4 結(jié)語

設(shè)計與制造類課程融合改革建設(shè)中，重點對傳統(tǒng)的實踐課程進行了重新整合，以綜合工程實踐能力培養(yǎng)為主線重構(gòu)實踐課程體系。以機械工程項目教學(xué)為導(dǎo)向，建立新的開放式工程實踐訓(xùn)練模式，學(xué)生自主完成項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)等完整的設(shè)計制造過程，符合機械類專業(yè)人才培養(yǎng)需求。

參考文獻

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