項目驅(qū)動的研究生實踐教學(xué)案例庫建設(shè)

胡俊山 方金榮 田威

［摘 要］ 隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，以航空宇航制造為代表的先進(jìn)制造業(yè)對復(fù)合型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。針對航空智能制造專業(yè)學(xué)位研究生現(xiàn)有教學(xué)模式中存在的“重理論，輕實踐”問題，開展項目驅(qū)動的實踐教學(xué)案例庫建設(shè)。在分析專業(yè)特點和實踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討了項目式案例教學(xué)的必要性，構(gòu)建了以增強(qiáng)現(xiàn)實輔助裝配、鉆鉚裝備數(shù)字孿生、機(jī)器人精度補(bǔ)償三個技術(shù)專題為代表的實踐教學(xué)案例庫。實踐表明，教學(xué)案例得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可，有效促進(jìn)了學(xué)生綜合實踐能力的培養(yǎng)，滿足了行業(yè)對創(chuàng)新實踐人才的需求。

［關(guān)鍵詞］ 項目驅(qū)動；航空智能制造；實踐教學(xué)；案例庫

［基金項目］ 2021年度南京航空航天大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項目“面向智能制造的產(chǎn)教融合專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式探索與實踐”（2021YJXGG16）

［作者簡介］ 胡俊山（1988—），男，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授，主要從事飛行器先進(jìn)裝配技術(shù)與智能裝備研究。

［中圖分類號］ G643.2 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）26-0132-04［收稿日期］ 2022-10-21

近年來，隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)裝備制造業(yè)與高新技術(shù)深度融合，逐漸向數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化、高端化方向發(fā)展，全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。綜合了機(jī)械、計算機(jī)、自動化等多融合交叉學(xué)科的航空制造業(yè)，作為高端裝備先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，成為“中國制造2025”的重點發(fā)展領(lǐng)域。航空制造業(yè)具有專業(yè)融合性強(qiáng)、實踐目標(biāo)性強(qiáng)等特點，這對相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)合型人才培養(yǎng)提出了更高的要求，即不僅要重視基礎(chǔ)理論知識的積累，還要注重工程實踐能力的培養(yǎng)，以期發(fā)揮對國家重大戰(zhàn)略項目的支撐作用［1］。然而，目前的教學(xué)模式以教師單向授課為主，存在重理論講解、輕實踐應(yīng)用的弊端，過于抽象深奧的專業(yè)知識不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致教學(xué)效果遠(yuǎn)不及預(yù)期，工程實踐能力不足的缺陷越來越明顯，所培養(yǎng)的人才難以滿足航空智能制造崗位和技術(shù)需求。為了助力我國航空制造業(yè)快速發(fā)展，加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，培養(yǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動能，亟須對航空智能制造專業(yè)的人才培養(yǎng)模式進(jìn)行有效變革，引入項目驅(qū)動式教學(xué)實踐手段，深化協(xié)同創(chuàng)新、產(chǎn)教融合，培養(yǎng)能夠適應(yīng)航空智能制造發(fā)展需求的特色應(yīng)用型和復(fù)合型高素質(zhì)人才。

本文針對航空智能制造專業(yè)人才工程實踐能力與行業(yè)需求不匹配的現(xiàn)狀，探索新工科背景下專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)體系架構(gòu)，以互動性和實踐性為核心，創(chuàng)新性地提出項目驅(qū)動式的教學(xué)案例庫建設(shè)，改變傳統(tǒng)的研究生培養(yǎng)過程中教學(xué)內(nèi)容不直觀、缺乏實踐內(nèi)容、科研平臺條件落后等問題，有效整合校內(nèi)外優(yōu)質(zhì)資源，實現(xiàn)知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一，從而提升學(xué)生在工程項目中分析和解決問題的能力，滿足行業(yè)對新型專業(yè)學(xué)位研究生的人才需求。

一、航空智能制造專業(yè)學(xué)位特點與實踐教學(xué)現(xiàn)狀

專業(yè)學(xué)位研究生不同于一般意義上偏向?qū)W術(shù)研究的研究生教育，前者針對特定行業(yè)和產(chǎn)業(yè)需求，以培養(yǎng)滿足特定需求的特色應(yīng)用型和復(fù)合型高層次人才為目標(biāo)。隨著我國研究生教育培養(yǎng)模式的優(yōu)化變革，專業(yè)學(xué)位研究生因其具有的實踐性、職業(yè)性、應(yīng)用性，逐漸成為面向社會需求的人才主力。從專業(yè)技術(shù)層面分析，專業(yè)學(xué)位研究生需要具備四項核心能力，即實踐能力、創(chuàng)新能力、分析能力和交流溝通能力［2］，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識和實踐技能，獨立分析并解決工程實際中的技術(shù)難題，如圖1所示。對于當(dāng)前社會環(huán)境下研究生培養(yǎng)質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，項目驅(qū)動式的研究生培養(yǎng)模式突顯了較強(qiáng)的適用性及必要性。

航空智能制造專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合的顯著特點，綜合性、復(fù)雜性、實踐性強(qiáng)，其核心專業(yè)研究方向包含飛機(jī)裝配技術(shù)與裝備、智能工裝設(shè)計、飛機(jī)自動鉆鉚技術(shù)等諸多領(lǐng)域，旨在培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)的專業(yè)人才。目前，我國的研究生實踐教學(xué)中存在實踐教學(xué)方法陳舊、教學(xué)內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃、綜合實驗平臺老舊，且與科研需求相距甚遠(yuǎn)、教學(xué)實踐效果差等問題。盡管目前部分高校開展了如制孔、鉚接等部分實驗課程，但由于先進(jìn)工藝裝備及耗材成本極高，試驗平臺難以完全復(fù)原，實驗難度與綜合應(yīng)用程度仍明顯落后于實際工程項目，導(dǎo)致航空智能制造專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)大打折扣。因此，必須革新現(xiàn)有的教學(xué)模式，以項目為驅(qū)動、案例為導(dǎo)向，同步提升學(xué)生專業(yè)理論水平和工程實踐能力。

二、項目驅(qū)動式實踐教學(xué)案例庫典例

項目驅(qū)動教學(xué)模式主要依托于具體工程實踐項目，以項目為驅(qū)動，結(jié)合項目的實施進(jìn)程和評價反饋不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)計，讓學(xué)生在跟進(jìn)項目的過程中學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識并強(qiáng)化工程應(yīng)用實踐能力［3］。相比于傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，項目驅(qū)動教學(xué)不僅可以充分激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新潛能和學(xué)習(xí)積極性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生在工程實際中分析和解決問題的綜合能力，還可以有效轉(zhuǎn)變師生交互關(guān)系，幫助實現(xiàn)教學(xué)模式從“教師為主體”向“學(xué)生為主體”的轉(zhuǎn)變，有助于應(yīng)用型和復(fù)合型人才綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)，進(jìn)而滿足行業(yè)對創(chuàng)新人才的需求。同時，航空智能制造專業(yè)具有顯著的綜合性、前沿性和復(fù)雜性，知識體系涵蓋了機(jī)械、電子信息、計算機(jī)、自動化等多個領(lǐng)域，目前尚未形成全面系統(tǒng)的培養(yǎng)模式。通過專業(yè)方向?qū)嵺`教學(xué)案例庫建設(shè)，以具體的項目案例引導(dǎo)學(xué)生多角度、全方位地了解和分析專業(yè)問題，實現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)知識和前沿科研領(lǐng)域的有機(jī)融合，進(jìn)一步強(qiáng)化專業(yè)學(xué)位研究生工程和實踐能力的培養(yǎng)，推動高校研究生培養(yǎng)模式的有效變革［4］。本文以三個案例說明項目驅(qū)動式實踐教學(xué)在航空智能制造專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中的作用。

（一）基于增強(qiáng)現(xiàn)實引導(dǎo)的飛機(jī)輔助裝配案例

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augmented reality， AR）是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展而來的一種新興的人機(jī)交互技術(shù)，其將通過計算機(jī)重建的虛擬場景或真實物體的非幾何信息疊加到真實世界里，“無縫”集成虛實世界以對現(xiàn)實世界進(jìn)行增強(qiáng)補(bǔ)充，可有效提高用戶的感知能力和交互體驗，具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊等突出特征［5］。

飛機(jī)零部件具有種類多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量巨大等特點，在裝配過程中作業(yè)難度大、協(xié)調(diào)關(guān)系繁多、操作復(fù)雜，對裝配人員的專業(yè)技術(shù)要求極高。而受限于多方面的因素，高校較難還原飛機(jī)裝配試驗場地，學(xué)生只能通過課堂理論教學(xué)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料了解相關(guān)知識，無法直觀感受飛機(jī)裝配過程，難以深入理解飛機(jī)裝配技術(shù)及原理。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，可以最大限度地利用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)飛機(jī)裝配過程中的重點難點可視化、形象化，并通過飛機(jī)裝配實踐教學(xué)平臺和可穿戴式顯示設(shè)備開展情境式教學(xué)，大幅提升學(xué)習(xí)者的參與度，以一種更為自然的方式實現(xiàn)與學(xué)習(xí)對象間的交互，激發(fā)學(xué)生的科研興趣和學(xué)習(xí)積極性，有利于創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，同時也為教師提供了全新的教學(xué)模式。

基于AR輔助裝配技術(shù)設(shè)計研發(fā)了智能可穿戴裝配原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標(biāo)識別、場景定位以及虛實融合渲染技術(shù)的研究，結(jié)合飛機(jī)機(jī)翼部件裝配、線纜裝配、機(jī)器人輔助裝配搭建了實驗驗證平臺，如圖2所示，驗證了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在飛機(jī)裝配技術(shù)中的可行性［5］。以機(jī)翼零部件裝配為例，通過Unity將模型信息、裝配順序、裝配位置、裝配路徑等信息封裝到應(yīng)用程序中并在可穿戴設(shè)備上運(yùn)行，即可將信息投射到設(shè)備的透視鏡面，從而對零部件的實際裝配提供直觀形象的安裝引導(dǎo)。同時，裝配過程中通過智能裝配空間采集裝配信息并上傳至云端進(jìn)行融合和處理，自動返回關(guān)鍵點位置信息，方便用戶對完整裝配過程質(zhì)量進(jìn)行控制和分析。在實踐教學(xué)過程中，學(xué)生通過佩戴AR眼鏡與虛擬場景中的飛機(jī)零件進(jìn)行手勢交互，在鏡面裝配信息的引導(dǎo)下，通過各考核關(guān)鍵點處的可交互操作題目，即可完成飛機(jī)零部件的裝配，從而掌握飛機(jī)裝配的相關(guān)知識和實踐能力。讓學(xué)生體驗真實深刻的沉浸式操作，使學(xué)生在游戲般的實踐過程中系統(tǒng)地掌握飛機(jī)裝配技術(shù)原理、裝配工藝以及實驗分析法，培養(yǎng)學(xué)生在工程實際中分析和解決問題的綜合能力［1］。

（二）飛機(jī)鉆鉚裝備數(shù)字孿生案例

數(shù)字孿生的核心是充分利用物理模型、多傳感器信息、歷史進(jìn)程等數(shù)據(jù)，在計算機(jī)虛擬空間中完成對物理實體的映射，形成以孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的工藝裝備智能決策和閉環(huán)控制。數(shù)字孿生技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用實踐性，對學(xué)生的工程能力要求較高，僅通過軟件仿真和查閱資料的學(xué)習(xí)方式無法深入理解技術(shù)細(xì)節(jié)，較難形成全面的知識體系，面對實際項目難題時容易無從下手。通過項目實踐教學(xué)的方式引導(dǎo)學(xué)生提出問題和解決問題，學(xué)生可以完整地參與每一環(huán)節(jié)的技術(shù)調(diào)試，有效培養(yǎng)了在工程實際中分析解決問題的能力。

以六軸機(jī)械臂數(shù)字孿生為例，學(xué)生根據(jù)項目要求完成平臺“上位機(jī)+下位機(jī)”的開發(fā)，如圖3所示。首先采用多傳感器融合技術(shù)，對臂桿應(yīng)力應(yīng)變以及關(guān)節(jié)動態(tài)扭矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，完成多源數(shù)據(jù)可視化實驗。在此過程中，充分考查了學(xué)生對電工電子技術(shù)和傳感檢測技術(shù)的掌握程度，有效排查了知識盲區(qū)，對完善理論知識體系起到了積極作用。隨后基于3DE數(shù)字孿生平臺完成六軸機(jī)械臂仿真模型構(gòu)建，通過ADS通信建立實體與虛擬空間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過編程實現(xiàn)機(jī)械臂姿態(tài)實時檢測、傳感器信息可視化、上位機(jī)指令解耦與控制等功能。經(jīng)過項目推進(jìn)過程中的每一步技術(shù)試錯和功能完善，學(xué)生更加全面系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了包含機(jī)器人控制、物聯(lián)網(wǎng)通信、模型仿真在內(nèi)的多學(xué)科理論知識并加以綜合實踐，加深了對專業(yè)核心技術(shù)的理解，進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生的項目開發(fā)能力和工程實踐能力。

（三）機(jī)器人綜合精度補(bǔ)償技術(shù)案例

飛機(jī)機(jī)體機(jī)構(gòu)中包含很多大型輕薄構(gòu)件，在復(fù)雜多變的環(huán)境下承受各種作用力，對飛機(jī)綜合性能有很大影響，因此對部件的加工精度和裝配質(zhì)量提出了更高的要求［6］?，F(xiàn)有的自動化裝配技術(shù)中，工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)精度無法滿足設(shè)計需求，因此提出機(jī)器人多級精度綜合補(bǔ)償技術(shù)，要求學(xué)生充分掌握機(jī)器人學(xué)的相關(guān)知識，具備自主設(shè)計機(jī)械加工類綜合實驗以及分析解決問題的能力。但現(xiàn)有的教學(xué)模式與應(yīng)用結(jié)合不緊密，學(xué)生大多停留在表層知識的理解，對實際項目的自主二次設(shè)計和開發(fā)仍存在局限性。以構(gòu)建基于多級精度補(bǔ)償策略的機(jī)器人銑削系統(tǒng)項目為例，實踐試驗平臺如圖4所示。學(xué)生通過搭載了銑削精度補(bǔ)償系統(tǒng)的KUKA KR500機(jī)器人，對復(fù)合材料艙段展開銑削精度實驗，根據(jù)實驗結(jié)果不斷改進(jìn)誤差標(biāo)定模型和精度補(bǔ)償策略以滿足項目預(yù)期目標(biāo)，驗證了技術(shù)方案的可行性。以項目實踐的方式驅(qū)動教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主查閱資料、構(gòu)思設(shè)計方案并優(yōu)化技術(shù)細(xì)節(jié)，提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力，還對原有知識體系進(jìn)行補(bǔ)充和完善，加深了學(xué)生對機(jī)器人精度補(bǔ)償原理及機(jī)械加工方法的理解，使其直觀深刻地體會理論方法的實際意義，真正做到學(xué)以致用。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，其更具明顯的創(chuàng)新性、靈活性、實踐性，可以有效推進(jìn)學(xué)生理論掌握、案例驗證和技術(shù)創(chuàng)新的遞進(jìn)式工程能力訓(xùn)練［7］，充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

結(jié)語

航空智能制造專業(yè)具有綜合性、復(fù)雜性、實踐性強(qiáng)的顯著特點，培養(yǎng)過程中的教學(xué)模式容易走入重理論輕實踐的誤區(qū)，導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，不利于復(fù)合型人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。本文針對航空智能制造專業(yè)人才工程實踐能力與行業(yè)需求不匹配的現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地提出項目驅(qū)動式的教學(xué)案例庫建設(shè)，結(jié)合具體案例實現(xiàn)理論教學(xué)和項目實踐的有機(jī)融合，不僅達(dá)到高層次人才培養(yǎng)的目的，還豐富了航空智能制造專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，為探索新工科背景下專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)體系架構(gòu)提供了更加廣闊的思路。

參考文獻(xiàn)

［1］胡俊山，王忠康，田威，等.基于沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛機(jī)裝配課程教學(xué)實踐研究［J］.當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究（電子刊），2020（23）：168-170.

［2］張巧榮.項目驅(qū)動的混合教學(xué)模式研究與實踐［J］.大眾科技，2022，24（6）：160-163.

［3］陳修龍，盛永超，高順，等.《機(jī)器人技術(shù)》案例庫的建設(shè)研究［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2022，5（11）：161-163.

［4］柴春鵬，尹絢，王姍，等.材料工程專業(yè)學(xué)位研究生實踐能力培養(yǎng)研究［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2022，5（3）：73-75+109.

［5］胡俊山，吳悅雅，王忠康，等.增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在飛機(jī)裝配教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科教導(dǎo)刊，2021（26）：40-42+94.

［6］田威，焦嘉琛，李波，等.航空航天制造機(jī)器人高精度作業(yè)裝備與技術(shù)綜述［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2020，52（3）：341-352.

［7］白永強(qiáng)，朱仲杰.項目驅(qū)動能力培養(yǎng)的專業(yè)碩士教學(xué)改革［J］.科技與創(chuàng)新，2022（17）：149-151.

Case-base Construction of Project-driven Practice Teaching for Graduate Students： Taking the Professional Degree of Aviation Intelligent Manufacturing as an Example

HU Jun-shan， FANG Jin-rong， TIAN Wei

（College of Mechanical & Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： With the transformation and upgradation of Chinas structure of production， the advanced manufacturing industry represented by aerospace manufacturing has put forward higher requirements for the cultivation of compound high-quality talents. Aiming at the problem that the current teaching mode for graduate students in aviation intelligent manufacturing values theoretical knowledge more than practice， a project-driven practice teaching case base has been constructed. On the basis of characterizing the courses of aerospace manufacturing and its unsatisfied current situation， the necessity of project-based case teaching method is highlighted. The cases of augmented reality-assisted assembly， digital twin model of drilling & riveting equipments and the robot precision compensation technology have been presented in detail. It indicates that the project-driven practice teaching method has been widely recognized by graduate students. It promotes the cultivation of students comprehensive practical ability effectively and meets the industrys demand for innovative practical talents.

Key words： project-driven; aviation intelligent manufacturing; practice teaching; case base