基于OBE理念的塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

何敏 黃傳輝 王樹臣 石端虎 楊峰

[摘 要]課題組基于OBE理念培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的本科生，結(jié)合具有工程機(jī)械背景的材料成型及控制工程專業(yè)特點(diǎn)，以學(xué)生為中心，改革實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。秉承“創(chuàng)新不是無水之源”的改革理念，課題組在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)并引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)合作，改以往的“領(lǐng)跑”式教學(xué)模式為“助推”式教學(xué)模式，以開放式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為引導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容安排上不再使用以往外購“黑匣子”式的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而使用自制的開放內(nèi)部結(jié)構(gòu)和源代碼的教學(xué)儀器。課題組指出指導(dǎo)教師應(yīng)詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思路，利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造和研究的能力。課題組還指出配備具有“雙師資格”的師資力量作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，利用專業(yè)課程的課堂實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)和非技術(shù)能力，可以使各畢業(yè)要求具有可衡量性和可操作性。

[關(guān)鍵詞]塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì);工程教育認(rèn)證;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）05-0065-04

工程教育專業(yè)認(rèn)證是對(duì)工程類專業(yè)教育實(shí)施的專門性認(rèn)證，是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[1]，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)高校在人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)方面的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向。我國(guó)自2006年全面啟動(dòng)工程教育認(rèn)證工作以來，經(jīng)過十余年的發(fā)展[2]，已經(jīng)形成了較為完善的體系，其核心目標(biāo)是把學(xué)生培養(yǎng)成滿足社會(huì)需要的工程人才，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向，要求專業(yè)課程體系設(shè)置、師資隊(duì)伍配備、辦學(xué)條件配置等都“以學(xué)生為中心” [3]，圍繞學(xué)生畢業(yè)要求、培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成這一核心任務(wù)展開，并強(qiáng)調(diào)建立專業(yè)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制以保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力。

在教學(xué)活動(dòng)中，如何將課堂理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用背景[4]，是新形勢(shì)下高校教學(xué)活動(dòng)中面臨的主要課題。本文以材料成型及控制工程專業(yè)核心課塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革為例，根據(jù)工程教育要求，結(jié)合培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，開展了系列的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革活動(dòng)。課題組秉承“創(chuàng)新不是無水之源”的改革理念，在實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)并引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)合作，探索改革途徑和效果，以畢業(yè)要求內(nèi)涵引導(dǎo)課程實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)置[5]，使畢業(yè)要求具有可衡量性和可操作性。

一、改革思路及實(shí)踐環(huán)節(jié)安排

（一）改革以往 “領(lǐng)跑”式教學(xué)模式為“助推”式教學(xué)模式

以往基于理論知識(shí)掌握為目標(biāo)的專業(yè)課學(xué)習(xí)“以教學(xué)為中心”，教師教在前，學(xué)生學(xué)在后。由于專業(yè)課理論多，公式多，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的推進(jìn)，學(xué)生參與度不夠，會(huì)出現(xiàn)部分學(xué)生掉隊(duì)跟不上，而教師仍然在“前面”“領(lǐng)跑”的現(xiàn)象。工程教育“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念的倡導(dǎo)，促使教師在專業(yè)課的實(shí)踐教學(xué)中，以項(xiàng)目帶動(dòng)學(xué)生，注意觀察掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)節(jié)奏，在“后面”“助推”。

（二）采用開放式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

明確的學(xué)習(xí)目的會(huì)極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、持久度和專注度，有利于對(duì)知識(shí)的掌握，將學(xué)生帶入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)中。開放式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生提供更多面向工程問題的實(shí)踐機(jī)會(huì)，使學(xué)生知道為什么學(xué)，學(xué)什么，增加學(xué)習(xí)過程的自主性并激發(fā)創(chuàng)造性，有利于學(xué)生理解含混晦澀的專業(yè)名詞和專業(yè)理論。我們不再使用以往外購“黑匣子”式的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而使用自制的開放內(nèi)部結(jié)構(gòu)和源代碼的教學(xué)儀器。教學(xué)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理一目了然，指導(dǎo)教師能夠詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思路，利于幫助學(xué)生設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造和研究的能力，以往一臺(tái)設(shè)備做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，寫一個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生知其然不知其所以然的局面得以改變。

（三）采用基于項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式

采用項(xiàng)目教學(xué)法，其使用零件簡(jiǎn)單，過程完整且復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)內(nèi)容以解決一個(gè)實(shí)際問題為基礎(chǔ)，具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題，包括工藝和設(shè)計(jì)問題的全周期、全流程，有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)，有確切的實(shí)驗(yàn)提交方法和結(jié)果。6個(gè)學(xué)生為一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，在7個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選擇項(xiàng)目修滿16個(gè)學(xué)時(shí)，組內(nèi)學(xué)生推選一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)耗材、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、實(shí)驗(yàn)安排、疑問答疑與同組同學(xué)和指導(dǎo)教師交流溝通。實(shí)驗(yàn)采用交叉分組的方式進(jìn)行，充分利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和儀器設(shè)備，培養(yǎng)了學(xué)生個(gè)人與團(tuán)隊(duì)的能力。

（四）實(shí)踐環(huán)節(jié)安排

塑性成形工藝及模具設(shè)計(jì)是材料成型及控制工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，主要講述金屬體積、板料成形工藝，模具結(jié)構(gòu)，模具設(shè)計(jì)流程及方法，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合零件特征合理選擇塑性成形工藝、設(shè)計(jì)，以及分析、協(xié)作、就專業(yè)問題交流的能力。課程任務(wù)是使學(xué)生完成工藝選擇、模具設(shè)計(jì)，并且能夠正確選配標(biāo)準(zhǔn)件，安裝維護(hù)好模具，完成基于零件特征的模具的全周期、全流程設(shè)計(jì)。

為提高學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝、使用與維護(hù)方面的能力，更快融入工程實(shí)踐活動(dòng)，課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)應(yīng)面向全體學(xué)生。因此，在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容和開展形式上應(yīng)充分考慮實(shí)驗(yàn)分組能讓組內(nèi)所有學(xué)生都動(dòng)手，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能讓組內(nèi)所有學(xué)生都動(dòng)腦，實(shí)驗(yàn)效果能讓實(shí)驗(yàn)所有學(xué)生都了解實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)全流程、全周期，并保持合理進(jìn)程和秩序。

實(shí)踐課的選擇采用開放式，學(xué)生從所列的26個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中選擇16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。課程實(shí)驗(yàn)依托于國(guó)家級(jí)工程實(shí)踐教育中心、江蘇省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省工程實(shí)驗(yàn)室、江蘇省工程技術(shù)研究中心，有足夠的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)儀器。

與課程任務(wù)對(duì)應(yīng)設(shè)立3個(gè)課程目標(biāo)：

課程目標(biāo)1：理解典型體積金屬開式鍛造、閉式鍛造、精密模鍛、擠壓和板料金屬?zèng)_裁、彎曲、拉深、覆蓋件等成形工藝，掌握體積金屬和板料金屬相關(guān)成形制造工藝過程。掌握典型的模具結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，能夠設(shè)計(jì)典型的金屬體積成形和板料成形模具。

課程目標(biāo)2：掌握模具材料的選擇、模具的制造技術(shù);掌握與材料成形設(shè)備的連接方式、模具的安裝、拆卸及維修技能。以個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的形式考慮制造、連接、安裝、拆卸、維修等因素，優(yōu)選模具設(shè)計(jì)方案以解決實(shí)際工程問題。

課程目標(biāo)3：根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，在對(duì)復(fù)雜材料成形工程問題開展測(cè)試、實(shí)驗(yàn)等研究工作時(shí)，能夠設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?。了解材料加工領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠分析材料加工領(lǐng)域中新技術(shù)、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)社會(huì)、健康、環(huán)境、安全、法律及文化的影響，并做出合理評(píng)價(jià)，理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

二、綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容開發(fā)

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)體現(xiàn)項(xiàng)目性和協(xié)作性

1.板料成形性實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆毡“錐LC成形極限圖實(shí)驗(yàn)及繪制方法。

（1）完成一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要10張板料，試樣的厚度為1mm，長(zhǎng)度為180mm，寬度分別為20mm、40mm、60mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、160mm和180mm。板料的切割準(zhǔn)備由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師完成，按組領(lǐng)取材料。試樣放在熱處理爐中加熱至340℃，保溫1小時(shí)，然后讓試樣在熱處理爐里進(jìn)行冷卻（板料已被預(yù)處理，時(shí)間不計(jì)入實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)）。

（2）采用電化學(xué)腐蝕法印制網(wǎng)格：網(wǎng)格大小采用Φ2的圓形網(wǎng)格，在板料全區(qū)域印制網(wǎng)格。印制網(wǎng)格如圖1所示。

（3）實(shí)驗(yàn)所用模具：基于Nakazima凸模脹形的模具安裝在10噸電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成脹形件的壓制，方便操作。

（4）用于脹形的Nakazima模具及完成脹形壓制后單組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量及成形極限圖的繪制

采用網(wǎng)格應(yīng)變分析法測(cè)定試樣上的極限應(yīng)變，先測(cè)量出頸縮部位或破裂部位的臨界網(wǎng)格圓的直徑變化，再計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變，臨界網(wǎng)格圓是用于測(cè)量和計(jì)算極限應(yīng)變的網(wǎng)格圓。一個(gè)板料上選取3個(gè)臨界網(wǎng)格圓進(jìn)行測(cè)量，選取的網(wǎng)格圓應(yīng)該盡量相鄰或靠近，并且屬于同一種臨界網(wǎng)格圓。

臨界網(wǎng)格圓選好以后，將試樣平放在桌上，用游標(biāo)卡尺測(cè)量臨界網(wǎng)格圓的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度d1、d2，測(cè)量時(shí)游標(biāo)卡尺的刻度線要與橢圓相切，并且與橢圓的長(zhǎng)短軸保持垂直，讀數(shù)時(shí)視線要垂直于橢圓的長(zhǎng)軸，以便減小測(cè)量誤差。按照下列公式計(jì)算塑性失穩(wěn)極限應(yīng)變：

工程應(yīng)變

[e1=d1-d0d0×100%]? ? ? ? 式（1）

[e2=d2-d0d0×100%]? ? ? ? 式（2）

換算為真應(yīng)變：

[ε1=lnd1d0=ln（1+e1）]? ? ? ? ?式（3）

[ε2=lnd2d0=ln（1+e2）]? ? ? ? 式（4）

測(cè)量、計(jì)算出所有的數(shù)值以后，繪制成試驗(yàn)數(shù)據(jù)表，之后繪制成形極限圖（FLC），如圖3所示。

2.成形零件應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諔?yīng)力-應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)及成形零件殘余應(yīng)力測(cè)量方法。

（1）實(shí)驗(yàn)原理基于小孔釋放法，實(shí)驗(yàn)耗材按組領(lǐng)取：測(cè)量試樣（帶有殘余應(yīng)力的塑性變形試樣）、砂紙、應(yīng)變計(jì)、靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試儀、電子萬用表、手持焊接電烙鐵、焊錫絲、導(dǎo)線若干、502膠水、膠帶、酒精棉球、鑷子、筆、直尺。

（2）測(cè)點(diǎn)定位：為了方便鉆孔和貼片，在需要測(cè)量殘余應(yīng)力位置處用筆和直尺畫一個(gè)十字線，貼片時(shí)使應(yīng)變片的中心十字花與在試樣表面畫的十字線中心位置相重合，確保測(cè)量位置的準(zhǔn)確性，也為鉆孔時(shí)提供參考點(diǎn)。

（3）貼應(yīng)變計(jì)及連接導(dǎo)線。

（4）測(cè)試硬件及數(shù)據(jù)處理軟件：采用帶磁力座可即時(shí)開合地進(jìn)行鉆孔。鉆孔裝置、數(shù)據(jù)采集及處理軟件如圖4、圖5所示。

（二）師資配備

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)配備雙師型教師，指導(dǎo)并檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)踐指導(dǎo)教師應(yīng)具有足夠的工程背景和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)具備解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程問題的能力。

雙師型教師指具有教師和工程師雙重資格的老師。雙師型教師必須經(jīng)過校人事處師資科認(rèn)定并頒發(fā)證書，他們必須具有講師及以上高校教師職稱證書，并具有如下條件之一：

（1）具有其他行業(yè)中級(jí)及以上專業(yè)技術(shù)職稱（含行業(yè)特殊的資格）證書;

（2）具有中級(jí)及以上執(zhí)業(yè)資格、專業(yè)資格、專業(yè)技能考評(píng)員資格等證書;

（3）具有在企業(yè)第一線從事本專業(yè)實(shí)際工作的經(jīng)歷（兩年以上）;

（4）應(yīng)用技術(shù)研究成果被企業(yè)應(yīng)用。

三、評(píng)價(jià)體系

（一）成績(jī)?cè)u(píng)定

本課程成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)由平時(shí)考核和期末考試兩部分組成，實(shí)踐環(huán)節(jié)占40%，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

（二）學(xué)習(xí)效果分析

將改革后的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用于2015 級(jí)材料成型及控制工程專業(yè)，與未實(shí)施教學(xué)改革的2014級(jí)學(xué)生成績(jī)相比。2014級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為50～87 分，平均成績(jī)72 分，其中： 60 分以下（不及格）占16%;60～69 分（及格）占27%，70～79 分（中等）占56%，80～89分（良好）占20%， 90 分以上（優(yōu)秀）無。2015級(jí)分?jǐn)?shù)區(qū)間為40～93 分，平均成績(jī)78 分，其中： 60 分以下（不及格）占1%; 60～69 分（及格）占29%，70～79 分（中等）占53%，80～89分（良好） 占15%，90 分以上（優(yōu)秀）占2%。從以上2年的試卷統(tǒng)計(jì)分析可以看出， 2015級(jí)學(xué)生期末考試成績(jī)及反映出來的課程目標(biāo)達(dá)成度比2014級(jí)全面提高，說明了該課程在工程教育認(rèn)證體系下以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)效果顯著。另外，平時(shí)在課堂上與老師互動(dòng)，問問題的學(xué)生明顯多了，證明學(xué)生通過實(shí)踐教學(xué)改革開始自己思考問題了，并想要去解決問題了。

四、結(jié)語

工程教育認(rèn)證以“學(xué)生為中心”“產(chǎn)出為導(dǎo)向”，形成“持續(xù)改進(jìn)”機(jī)制。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)是完成課程目標(biāo)，達(dá)成畢業(yè)要求的重要基礎(chǔ)單元，以畢業(yè)要求內(nèi)涵引導(dǎo)課程設(shè)置，課程目標(biāo)需支撐學(xué)生達(dá)成畢業(yè)要求，利用技術(shù)類課程的課堂教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生各項(xiàng)技術(shù)能力。

認(rèn)證不是目的而是手段。通過工程教育認(rèn)證可以推進(jìn)我國(guó)工程教育改革，提高高校工程教育質(zhì)量，有針對(duì)性地培養(yǎng)企業(yè)、社會(huì)發(fā)展需要的有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的畢業(yè)生，還可以結(jié)合學(xué)校背景進(jìn)行探索和實(shí)踐，將課堂理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.第一份《中國(guó)工程教育質(zhì)量報(bào)告》“問世”[EB/OL].[2014-11-14]（2020-02-10）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s7600/201411/t20141114_1782

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]