楊祖幸, 陳 艷, 董麗萍

( 四川大學(xué) 實驗室及設(shè)備管理處, 四川 成都 610065)

我國工程訓(xùn)練實踐教學(xué)改革起步于20世紀90年代,隨著“科教興國”戰(zhàn)略方針的實施和多渠道資金對本科實踐教學(xué)和基地建設(shè)的投入,我國工程實踐教育取得了迅猛發(fā)展。但是工程實踐教育的快速發(fā)展和質(zhì)量提升,并不能掩蓋客觀存在的一系列制約工程實踐教育改革和發(fā)展的深層次問題,如缺少具有引領(lǐng)和推動作用的頂層設(shè)計；缺少科學(xué)、系統(tǒng)的課程體系；缺乏對實踐教學(xué)基地長期發(fā)展理論的研究等[1-2]。

以“十五”期間建設(shè)的33家工程訓(xùn)練國家級實驗教學(xué)示范中心為例,目前平均面積大約在1.7萬m2左右,最大的甚至達到3萬m2,設(shè)備資產(chǎn)平均將近5 000萬/個。但在教學(xué)模式上,目前絕大多數(shù)學(xué)校依然按照傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練課程教學(xué)模式運行,大量設(shè)備相對獨立地按照冷、熱工藝方法分類,主要以單機方式運行,教學(xué)內(nèi)容設(shè)計不重視對學(xué)生建立系統(tǒng)概念的引導(dǎo),致使工程類實踐教學(xué)設(shè)備存在布局分散、低層次運行及設(shè)備功能得不到充分發(fā)揮、資源共享程度低的狀況。學(xué)生反映比較集中的問題是,課程內(nèi)容分散、工種相對獨立、工藝流程前后顛倒、課程缺乏系統(tǒng)性和完整性、學(xué)習(xí)目的不夠明確等,不利于他們的自主學(xué)習(xí)和全面掌握知識。與此同時,在現(xiàn)代制造業(yè)朝著系統(tǒng)化、數(shù)字化、技術(shù)集成化和多學(xué)科交叉方向發(fā)展的背景下,一大批先進制造設(shè)備正在進入高校的各類實驗中心,新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備正在成為工程實踐教學(xué)的重要組成部分。如何構(gòu)建新工科背景下多學(xué)科交叉的實驗教學(xué)體系和平臺,以適應(yīng)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展,培養(yǎng)面向“中國制造2025”的高級工程人才,成為工程實踐教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)急需解決的問題[3-7]。

1 四川大學(xué)工程訓(xùn)練中心現(xiàn)狀

1.1 基本狀況

四川大學(xué)工程訓(xùn)練中心是四川省首批省級實驗教學(xué)示范中心,2007年成為國家級實驗教學(xué)示范中心,每年有文理工醫(yī)50余個專業(yè)的4000余名學(xué)生在中心完成不同層次和不同類型的工程訓(xùn)練及創(chuàng)新學(xué)習(xí)。在新工科背景下,工程訓(xùn)練中心以多學(xué)科基礎(chǔ)知識交叉為特色,集基礎(chǔ)訓(xùn)練、先進技術(shù)訓(xùn)練、創(chuàng)新實踐訓(xùn)練和綜合素質(zhì)訓(xùn)練為一體,教學(xué)內(nèi)容注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代、工程與醫(yī)學(xué)和人文社科的結(jié)合,除傳統(tǒng)制造技術(shù)外,已覆蓋先進制造工藝、自動控制技術(shù)、特種加工、數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、CAD/CAM、特種焊接、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)功能材料,以及康復(fù)治療、藝術(shù)、文物修復(fù)及保護、環(huán)境保護和安全教育等多個領(lǐng)域和學(xué)科的基礎(chǔ)知識訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練。全程安全教育、醫(yī)學(xué)功能材料與骨科康復(fù)、快速成形(3D打印)和激光加工及柔性制造系統(tǒng)等多個實驗?zāi)K或平臺處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

1.2 建設(shè)思路

四川大學(xué)堅持辦最好的本科教育,努力培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和探索未來的潛質(zhì)、能力。學(xué)校非常重視本科教學(xué)實驗室建設(shè),近幾年年均投入1.2億元,按照世界一流的標準和“先進性、專業(yè)性、課程性、創(chuàng)意性”四位一體的建設(shè)理念,以跨學(xué)科/專業(yè)共建共享的建設(shè)模式和智能化的運行管理手段,搭建了多學(xué)科交叉的智能化教學(xué)實驗平臺。示范中心作為實驗教學(xué)改革、實驗室建設(shè)與運行管理、學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面的引領(lǐng)示范單位,長期以來,學(xué)校從政策、經(jīng)費、管理等方面對示范中心給予了重點支持。

近年來,隨著大批先進制造設(shè)備進入中心,建設(shè)與之相適應(yīng)的新的實驗教學(xué)體系迫在眉睫。中心針對課程內(nèi)容中冷加工與熱加工、傳統(tǒng)與現(xiàn)代等方面比例失調(diào)和缺乏系統(tǒng)性的現(xiàn)象,從示范中心可持續(xù)發(fā)展和新工科建設(shè)層面出發(fā),提出以先進制造技術(shù)和信息技術(shù)為主線,以系統(tǒng)化、集約化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用為技術(shù)手段,以提高效率和效益為目的的“內(nèi)涵式增長”模式,發(fā)揮綜合性大學(xué)多學(xué)科交叉優(yōu)勢，以及提升整體教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量的建設(shè)思路,通過集約化訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè),將工程訓(xùn)練中心建成具有工業(yè)生產(chǎn)氛圍的實踐教學(xué)基地,使學(xué)生從課程學(xué)習(xí)初期就建立起系統(tǒng)概念和學(xué)科交叉概念,進而在學(xué)習(xí)過程中有目的地進行綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練,并為后續(xù)課程做好系統(tǒng)學(xué)習(xí)的準備[8-13]。

2 集約化訓(xùn)練系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容

按照綜合性大學(xué)新工科建設(shè)的內(nèi)涵和要求,集約化訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)，主要體現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容集合優(yōu)化、教學(xué)設(shè)備集中布局、教學(xué)管理集約運作和教學(xué)手段集成應(yīng)用等四個方面。具體建設(shè)途徑是，通過集約化實現(xiàn)實驗空間與設(shè)備的整合與共建共享,搭建多學(xué)科交叉融合的實踐教學(xué)系統(tǒng),為學(xué)生提供在新工科背景下,完成基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合和專業(yè)訓(xùn)練、多學(xué)科交叉及創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科訓(xùn)練、不同層次競賽及多項社會服務(wù)等方面的集約化訓(xùn)練。

2.1 多種工藝的快速成形與快速制造訓(xùn)練系統(tǒng)

四川大學(xué)工程訓(xùn)練中心于上世紀90年代,在世界銀行貸款的支持下,在國內(nèi)最早建成了快速成形制造(3D打印)實驗教學(xué)平臺。此后,又經(jīng)過多次經(jīng)費投入和設(shè)備的集約整合,形成目前多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓(xùn)練系統(tǒng)(設(shè)備及教學(xué)內(nèi)容見表1)。該訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)始終以課程改革為先導(dǎo),以多學(xué)科交叉滲透為特色,采取分層次持續(xù)建設(shè)模式,目前已建成的快速成形與快速制造訓(xùn)練系統(tǒng),處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。除完成本科教學(xué)以外(每年4 000人左右),還可面向全校開出不同層次的多元化訓(xùn)練項目。學(xué)生可利用該訓(xùn)練系統(tǒng)完成基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合和專業(yè)訓(xùn)練、多學(xué)科交叉及創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科訓(xùn)練及不同層次競賽作品制作,如機械產(chǎn)品和模具的快速原型及零件制造、反求工程、人體骨骼與牙齒的構(gòu)建、假肢接收器的CAD建模和制作，以及考古復(fù)原、古文物的綜合修復(fù)等,這是最受學(xué)生歡迎的訓(xùn)練系統(tǒng)之一。

2.2 多種制造技術(shù)集成的特種加工訓(xùn)練系統(tǒng)

多層次、多種制造技術(shù)集成的特種加工訓(xùn)練系統(tǒng),借鑒和拓展了快速成形實驗訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)模式,將各類激光加工和已有的數(shù)控線切割、電火花成形加工,以及虛擬仿真、測試技術(shù)等各類設(shè)備進行優(yōu)化、集合(各類設(shè)備及教學(xué)內(nèi)容見表2)。該系統(tǒng)除了能為機械類學(xué)生開出專業(yè)類實驗外,還能為全校其他專業(yè)開出多項創(chuàng)新性實驗項目,例如：機械模具制造、服裝的激光剪裁、產(chǎn)品的嵌入式標記制作、藝術(shù)造型、激光在玻璃體中的焊接與切割、非金屬材料的激光切割、微型小孔的設(shè)計與制作、產(chǎn)品表面激光裝飾設(shè)計與制作等。2015年開出的激光加工學(xué)生自主創(chuàng)意實驗和內(nèi)雕作品實驗,設(shè)備使用率高，學(xué)生受益面大(每年4000人左右),得到學(xué)生的高度好評。本系統(tǒng)成為我校繼快速成形與快速制造訓(xùn)練實驗教學(xué)系統(tǒng)之后,又一個在工程訓(xùn)練教學(xué)中處于國內(nèi)領(lǐng)先水平的實踐訓(xùn)練系統(tǒng)。

表1 工程訓(xùn)練中心快速成形設(shè)備及教學(xué)內(nèi)容一覽表

表2 工程訓(xùn)練中心各類特種加工設(shè)備及教學(xué)內(nèi)容一覽表

2.3 數(shù)字化柔性集成制造訓(xùn)練系統(tǒng)

國家教學(xué)名師、清華大學(xué)傅水根教授指出：“數(shù)字化集成制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中的主流技術(shù)和核心技術(shù)，大學(xué)生應(yīng)該有所接觸，有所感知，有所深入。”四川大學(xué)工程訓(xùn)練中心通過將科學(xué)、人文、工程進行交叉融合，建設(shè)了能夠滿足新工科實驗教學(xué)要求的訓(xùn)練系統(tǒng)，為新工科實驗教學(xué)注入新的理念和內(nèi)涵，推動和促進了“新工科”實驗體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法和手段的改革。

2.3.1 以虛實結(jié)合為特色的焊接柔性制造系統(tǒng)

焊接柔性制造系統(tǒng)由焊接工業(yè)機器人、搬運機器人、立體倉庫貨架及檢測單元等為實體，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，以虛實結(jié)合為特色，能解決目前國內(nèi)高校普遍存在的教學(xué)內(nèi)容重冷加工輕熱加工、焊接對環(huán)境污染嚴重和對學(xué)生身體有一定傷害等問題，同時非常適合采用虛擬仿真教學(xué)手段來表述焊接時微小的熔池冶金過程。學(xué)生可利用該系統(tǒng)進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、加工參數(shù)優(yōu)化等多學(xué)科交叉的訓(xùn)練，從而較全面和系統(tǒng)地提升學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和應(yīng)用能力。該系統(tǒng)在國內(nèi)高校工程訓(xùn)練中心中，是首個具有高集成度、高開放性，真正集光、機、電及信息于一體的，處于領(lǐng)先水平的集約化系統(tǒng)。

2.3.2 文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓(xùn)練系統(tǒng)

目前,國內(nèi)一些高校的工程訓(xùn)練中心的柔性制造系統(tǒng)一般為單一機械制造系統(tǒng)。我校工程訓(xùn)練中心按照學(xué)校在新工科實踐教學(xué)方面應(yīng)提供多層次的學(xué)科交叉型實驗課程和多元化的實驗教學(xué)平臺的要求,采用由經(jīng)濟管理、應(yīng)用理科向工科延伸的技術(shù)方案,構(gòu)建以先進制造技術(shù)柔性系統(tǒng)(含數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控雕銑機、搬運機器人、測試系統(tǒng)、裝配站、碼垛機器人、行走機器人等)為主線,集合工程運作管理柔性制造單元,二者共用倉儲管理平臺、信息管理平臺、CAD/CAM、系統(tǒng)監(jiān)控PC以及立體倉庫的文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓(xùn)練系統(tǒng)(圖1),將設(shè)計(以學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計為主)—制造—工程運作及管理集合為一體。學(xué)生利用該系統(tǒng)可了解機電一體化、先進制造技術(shù)、管理信息、生產(chǎn)物流和質(zhì)量檢測等的基本概念以及現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向,利用多學(xué)科不同的知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng),演繹不同的綜合/創(chuàng)新實驗,進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學(xué)科交叉訓(xùn)練。該系統(tǒng)功能完善,具有高集成度和高開放性,在國內(nèi)高校工程訓(xùn)練中心中,是學(xué)科交叉程度較高、學(xué)生受益面較大的高水平數(shù)字化柔性集成訓(xùn)練系統(tǒng)。

圖1 文理工科交叉融合的數(shù)字化柔性集成制造訓(xùn)練系統(tǒng)

3 集約化訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)成效

3.1 有利于教學(xué)內(nèi)容的頂層設(shè)計及拓展

通過新購教學(xué)儀器設(shè)備與原有設(shè)備的集成,建設(shè)了3個以先進制造技術(shù)為核心的集成訓(xùn)練系統(tǒng),多學(xué)科交叉融合程度高。新增實驗項目20余個,受益學(xué)生2 000余人/年,實踐教學(xué)人時數(shù)40 000余人·時/年,大大地提高了設(shè)備的使用效率,擴大了學(xué)生受益面。

3個集成訓(xùn)練系統(tǒng)具有多學(xué)科交叉的特色,為教學(xué)內(nèi)容的頂層設(shè)計提供了很好的技術(shù)支持。通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)備和教學(xué)技術(shù)的整體集約化,提升了軟硬件教學(xué)能力,實現(xiàn)了以提高教學(xué)效率和效益為目的的“內(nèi)涵式增長”。這3個工程實踐訓(xùn)練系統(tǒng),將設(shè)計(以學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計為主)—制造—工程運作及管理集成為一體,學(xué)生在焊接柔性制造系統(tǒng)及虛擬仿真教學(xué)平臺上可進行作品(產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝制定、工程管理方案選擇和成本分析與計算等多學(xué)科交叉訓(xùn)練；可在多層次、多種工藝的快速成形與快速制造訓(xùn)練系統(tǒng)和多層次、多種制造技術(shù)集成的特種加工訓(xùn)練系統(tǒng),學(xué)習(xí)先進的前沿技術(shù),了解新技術(shù)和新工藝的發(fā)展趨勢,訓(xùn)練綜合應(yīng)用先進制造技術(shù)和多學(xué)科交叉基礎(chǔ)知識的能力,例如將快速成形技術(shù)與醫(yī)學(xué)、電加工與模具制造、模型數(shù)字化采集與激光加工相結(jié)合等。

3.2 對國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)具有示范輻射作用

我校工程訓(xùn)練中心經(jīng)過多年建設(shè),在完成本校教學(xué)、科研任務(wù)及相關(guān)專業(yè)卓越工程師校內(nèi)工程實踐訓(xùn)練的同時,充分利用優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,發(fā)揮示范輻射作用。中心為四川大學(xué)中外合作辦學(xué)的匹茲堡學(xué)院的相關(guān)3個專業(yè)提供1—4年級的全程實踐教學(xué)和創(chuàng)新訓(xùn)練,幫助和指導(dǎo)西部地區(qū)高校工程訓(xùn)練中心建設(shè)和課程改革,承擔(dān)西南民族大學(xué)、四川大學(xué)錦城學(xué)院、四川大學(xué)錦江學(xué)院等兄弟院校學(xué)生實習(xí)和教師培訓(xùn),進行成都市中小學(xué)教師工程能力培訓(xùn)、全國青少年夏令營和中學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練等社會服務(wù)。我校先進制造技術(shù)集約化訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)取得的教學(xué)研究成果,將對以新工

科為背景進行工程實踐教學(xué)改革的兄弟院校具有積極的示范作用。

4 結(jié)語

新工科研究和實踐應(yīng)圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展,最終必須回歸到工程上來。我校工程訓(xùn)練中心充分發(fā)揮學(xué)科綜合優(yōu)勢,推動多學(xué)科的交叉融合和跨界整合,以建設(shè)多個先進制造技術(shù)集約化訓(xùn)練系統(tǒng)為切入點,將中心建成具有工業(yè)生產(chǎn)氛圍的實踐教學(xué)基地,從而為學(xué)生學(xué)習(xí)先進制造技術(shù)、信息技術(shù)以及管理技術(shù)提供支持。與此同時,拓展了課程教學(xué)體系的頂層設(shè)計空間,并推動了國家級實驗教學(xué)示范中心從基礎(chǔ)型向綜合型、集約型的內(nèi)涵式發(fā)展,提升了中心的整體水平和區(qū)域服務(wù)能力。