凌 芳， 李翠超

(上海交通大學 工程訓練中心，上海 200240)

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基于斯特林引擎模型制作的工程訓練教學改革

凌 芳， 李翠超

(上海交通大學 工程訓練中心，上海 200240)

傳統(tǒng)的金工實習已經(jīng)不能滿足當代大學生的工程能力培養(yǎng)需要，利用斯特林引擎模型制作，以作品導引工程實踐教學過程，通過方案設計，可行性分析，結構設計，軟件仿真，材料確認，結合自己動手制作，組裝調試，最終制作出斯特林引擎模型。通過制作，學生獲得較完整真實的工程實踐經(jīng)歷，把學徒式的操作技能訓練，改革為自發(fā)探究式學習，從而調動了學生的積極性，提高了學生的創(chuàng)新思維能力、實踐動手能力和解決工程問題的能力。

斯特林引擎； 金工實踐； 教學改革； 能力培養(yǎng)

0 引 言

21世紀高校人才培養(yǎng)的核心是具有自主創(chuàng)新能力的高素質人才[1]。高校的工程訓練是高等教育創(chuàng)新體系中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要組成部分，在培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力，以及提高學生的綜合素質方面發(fā)揮著十分重要的作用[2]。隨著我國高等教育逐步向開放化、社會化、專業(yè)化方向發(fā)展，過去以教師為主導的“師傅帶徒弟”式的傳統(tǒng)實踐教學體系已不能適應自主創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要，實踐教學改革勢在必行。因此，創(chuàng)建適應社會發(fā)展需要、適應高校實踐教學深化改革需要的新型教學模式勢在必行[3]，而探索以學生為中心，面向作品制作，以組合件導引實踐教學過程，是改變傳統(tǒng)實踐教學模式的一個行之有效的方法。

1 斯特林引擎簡介

斯特林引擎是1816年由英國牧師羅伯特·斯特林發(fā)明的一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動機，它與使用特定燃料的內燃機不同，是一種外燃機，利用外部熱源，只要有溫差，無論使用何種燃料，包括太陽能、化學能、核能、地熱等，都可以使其運轉，具有熱效率高、低噪音、低污染和低運行成本等環(huán)保的優(yōu)點,具體原理見圖1[4]。斯特林引擎作為一種典型的熱氣機，其對多種能源具有廣泛適應性，無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源，而發(fā)動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改；同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質含量；另外它對環(huán)境友好，振動噪音低，排放污染小。近年來，由于世界能源緊張、環(huán)境污染等問題，使得斯特林引擎的這些優(yōu)點凸現(xiàn)出來，并逐漸被人們所重視，在某些領域中顯現(xiàn)出發(fā)展的潛力[4]。

圖1 斯特林引擎原理圖

作為一種較為經(jīng)典的機械動力設備，斯特林引擎涉及到機械、熱力學、動力學等工程實踐的各個方面，但其工作原理并不復雜，設計可簡可繁，制作可易可難，利用身邊常見的零件和材料即可制作，也可以自主創(chuàng)新研制[5]。因此，在面向產品制作的創(chuàng)新工程實踐中，可將斯特林引擎作為實踐教學的一個載體，讓學生通過斯特林引擎模型的制作過程，來體驗一個較為完整的工程實踐經(jīng)歷，從構思—設計—加工—組裝—調試，直到最后引擎運行起來。這相比傳統(tǒng)的金工實習的零件單一工種操作訓練，學生更能了解到全制造環(huán)節(jié)的產品開發(fā)流程，從而建立起系統(tǒng)性的設計制造概念[6-7]；而且，斯特林引擎作為一個能實現(xiàn)一定功能的零件組合體，在設計制造一體化訓練中，能讓學生反過來更深刻理解零件設計初期的技術要求、公差要求和裝配要求，而不只是簡單的依照圖樣加工部分孤立零件，使得學生能從系統(tǒng)功能的角度，對各個子部件的功能和技術要求有了更準確和更深入的認識[8]。

2 斯特林引擎模型制作在實踐教學中的嘗試

斯特林引擎模型制作，融合了結構設計、軟件仿真、材料選擇、材料加工等多種學科，是一項切實可行而又非常具有實際意義的工程實踐項目。為此，工程訓練中心結合CDIO實踐教學改革[7]，率先把“斯特林模型創(chuàng)新設計”作為實踐教學內容引入了核心通識課《工程技術探究》中；同時圍繞斯特林引擎模型創(chuàng)新設計，開設了一門面向全校學生的選修課程“斯特林引擎模型創(chuàng)新設計與制作”。該課程內容主要包括斯特林引擎介紹及設計制作斯特林引擎模型。學生通過學習，了解斯特林引擎的基本構成、工作原理和特點，并將所學的機械設計和能量轉換、機械制圖方面的知識綜合運用到斯特林引擎模型的設計與制作中去，最終設計與制作出斯特林引擎模型樣機，實現(xiàn)將熱能轉換成機械動力的過程。

在該課程教學中，以斯特林引擎模型制作帶動工程實踐，學生以小組的形式完成模型的構思設計、結構工藝設計、加工制作、裝配調試等全過程，最終做出一個模型樣機，寫出研制報告、最后通過答辯。具體教學過程設計見圖2。

圖2 斯特林引擎模型制作教學過程框圖

課程教學采用課堂與實踐相結合，以實踐為主的方式進行自主探究式學習，同時結合課堂討論，采用虛擬設計、操作實踐、查找資料、寫技術報告、作設計方案、小組討論和答辯等多種教學手段。學生和指導教師緊密結合在一起探究技術問題，不同的零件要選擇不同的材料，采用不同的加工方式，加工精度的高低將影響引擎的摩擦以及密封性能等。在整個教學過程中，師生互動，教學相長。學生以團隊的形式完成一個共同的作品，各小組制作的產品又各不相同，在通過工程實踐的全過程中，每個學生的工程綜合能力和團隊協(xié)作能力得到提高[9]。

整個實踐教學過程，將斯特林引擎作為實踐教學的載體，將理論與實踐融為一體, 學生在教師指導下，獨立思考、繪制圖紙，綜合運用金工實習中所學習的工藝知識來加工所需要的零件，如車床加工飛輪、軸套，銑床加工連接板，鉗工鉆孔、攻螺紋和裝配等。學生在模型制作的過程中，能切身體會到如何綜合運用學到的工程知識，尋求解決實際工程問題的途徑，從而有效培養(yǎng)學生批判性思維能力、系統(tǒng)解決問題的能力，知識整合能力和溝通交流能力。這種面向產品制作的綜合創(chuàng)新工程實踐模式，更有利于調動學生的積極性，發(fā)揮學生的主觀能動性，學生不再處于被動接受知識的局面，而是主動地進行學習與探索[10-11]。在“做中學，學中做”的過程中，學生真正成為工程實踐的主體。

3 斯特林引擎模型制作實踐教學拓展

在斯特林引擎模型樣機制作完成實踐教學的基礎上，為了吸引更多的學生參加工程訓練，讓更多的學生接觸機械制造技術和裝備，除了課程教學外，工程訓練中心積極創(chuàng)造條件，開展以斯特林引擎模型制作為基礎的各類學生科技創(chuàng)新項目及工程實踐能力競賽。

中心在校內主辦了2010“東揚杯”和2012“歐姆龍杯”斯特林引擎小車設計競賽，吸引了來自機動學院、航空航天、聯(lián)合學院、環(huán)境、船建、電子信息學院等多個學院的學生參加。競賽命題是要求設計制造出一臺以斯特林引擎為動力的小車。參賽學生以小組的形式，利用課余時間，在工程訓練中心的實學創(chuàng)新工坊[13]，歷經(jīng)知識培訓、方案設計、小車建模、確定材料、加工制作、組裝調試等過程，最終設計制造出結構各異的以斯特林引擎為動力的小車模型。評委按比賽規(guī)則從作品設計、制作加工、性能測試、答辯匯報等方面對參賽選手進行考核。通過競賽活動，學生的理論、設計、工藝、操作、溝通、管理等方面的工程素質以及解決實際工程問題的能力得到了顯著提高，同時也拓展了訓練中心的實踐教育功能。

除此之外，結合學校本科生研究項目(簡稱PRP項目)，先后開展了4期以斯特林引擎模型制作為基礎的PRP項目，為學生科研訓練提供了機會，如第19期“以斯特林引擎為動力的風扇制作”，第21期“以斯特林引擎為動力的小車制作”，第23期“斯特林引擎小車性能測定與分析”等項目都已驗收結題，部分項目被評為優(yōu)秀。在PRP項目開展過程中，學生的學習主動性得到充分發(fā)揮，從選題、開題、項目實施到論文寫作、考核答辯，學生對科研的全過程有了全面的認識和體驗，部分學生也以此發(fā)表了論文。

4 教學效果與分析

幾年來，基于斯特林引擎模型制作的實踐教學，取得了很好的教學效果，深受學生歡迎。在2012“歐姆龍杯”斯特林引擎小車設計競賽中脫穎而出的兩支隊伍被選送參加第二屆上海市大學生工程訓練綜合能力競賽，取得了一、二等獎的佳績；在第23期PRP項目完成后，學生發(fā)表論文1篇，并被核心期刊收錄。學生普遍對這種教學模式及課程內容表示滿意，認為制作自己設計的零件，將引擎從構思—設計—加工—組裝—調試到最后運行起來，這個過程很有意義。該課程使他們真正體會到了如何用理論知識解決實際問題，感受到自身的工程意識和工程能力得到較大提高。

5 結 語

基于斯特林引擎模型制作的實踐教學，將傳統(tǒng)的單個零件加工的操作技能訓練模式，改革為以產品導引實踐教學過程的綜合創(chuàng)新實踐模式，將“學徒式”操作技能訓練變?yōu)樽园l(fā)探究性的學習，較好體現(xiàn)了當今教學改革中對實踐類課程提出的綜合性和設計性要求，對學生創(chuàng)新思維能力，工程綜合應用能力培養(yǎng)方面有著傳統(tǒng)實訓無法企及的優(yōu)勢，是一種行之有效的實踐教學方式；而且這種教學模式，有效促進了教學課內與課外結合，促進了開放式工程實踐教學平臺及創(chuàng)新實踐教學平臺的建設，促進了實驗室開放。“斯特林小車制作”作為大學生工程綜合能力的一種訓練方式越來越得到許多大學的重視。但是，這種實踐教學方式對教師綜合實踐能力及理論水平提出了更高的要求，對中心的開放管理也提出了更高的要求，需要更多的材料準備和設備儲備。未來還需進一步加強對這種實踐教學形式的研究和完善，以期使這種模式在工程訓練中發(fā)揮更大作用。

[1] 李 林,陸靈云,沈明霞，等.SRT計劃創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(2):8-11.

[2] 邢運民.本科教育應重視實踐性教學環(huán)節(jié)[J].高等教育研究,2006,22(2):44-46.

[3] 黃 凱.優(yōu)化實驗教學體系建設 促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索, 2008,27(9):79-81.

[4] (日)濱口和洋,戶田富士夫.平田宏一著，斯特林引擎模型制作[M]. 曹其新,凌芳等譯.上海交通大學出版社，2010.

[5] 李子峰,任立群,崔 明.斯特林發(fā)動機模型制作在項目課程中的應用[J].北方經(jīng)貿,2013(6):203.

[6] 劉德忠,傅水根,郎 洪，等.親歷工程能力的項目培養(yǎng)[J].高等工程教育研究,2008(5):43-45.

[7] 郝智秀,季林紅,馮 娟.基于CDIO的低年級學生工程能力培養(yǎng)探索[J].高等工程教育研究,2009(5):36-40.

[8] 邱玉江,張洪峰.工程項目教學法在機械設計課程教學中的應用[J].高教論壇,2010(2):84-86.

[9] 陶澤柳,朱華炳,曹 斌，等.工程訓練教學中的創(chuàng)新制作訓練初探[J].廣西輕工業(yè),2007(6):112-113.

[10] 莫海軍,藍民華,曾 儀.基于創(chuàng)新作品制作的工程訓練教學改革與實踐[J].裝備制造技術,2009(8):173-175.

[11] 于兆勤,吳福根,郭鐘寧，等.基于項目驅動的現(xiàn)代工程訓練方法研究[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):131-133.

[12] 韓同樣,張若達,邢書明，等.以大賽為導向，提升學生工程訓練綜合能力[J].實驗技術與管理,2012,29(3):225-228.

[13] 陸順壽,曹其新.新穎的創(chuàng)新實踐場所“實學創(chuàng)新工坊”建設[J].實驗室研究與探索,2012,31(2):98-100.

The Teaching Reform in Metalworking Practice Based on Stirling Engine Model Production

LINGFang,LICui-chao

(Engineering Training Center，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

The traditional metalworking practice cannot satisfy the needs of contemporary university students’ engineering ability training. Model production of Stirling engine is used to drive the practical teaching process. Through scheme design, feasibility analysis, structure design, software simulation, materials selection, students are required “do-it-yourself”. They are required to complete assembly, commissioning, and eventually to produce Stirling engine model. This exercise gives student a true and complete engineering practice experience, and this teaching method changes the apprentice mode of engineering training to inquiry learning, can motivate students’ interest, improve students’ creative thinking ability, practical skills as well as engineering problem solving skills.

Stirling engine; metalworking practice; teaching reform; ability training

2016-02-10

凌 芳(1968-),女,上海人,本科,實驗師,研究方向為機械制造基礎,實驗技術與實驗室管理。

Tel.:021-54742932-826,13661995504;E-mail:fling@sjtu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0232-03