陳大林

(東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

0 引 言

創(chuàng)新型、實踐型人才的培養(yǎng)是“中國制造2025”對高校人才培養(yǎng)目標的新目標，機械制造實習(xí)及綜合工程訓(xùn)練是機械專業(yè)人才培養(yǎng)的重要組成部分，在綜合型、實踐型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著十分重要的作用。當前，傳統(tǒng)的機械制造實習(xí)課程對于培養(yǎng)當代大學(xué)生的工程綜合能力方面已經(jīng)明顯不足，“手把手教學(xué)、師徒式教學(xué)”等傳統(tǒng)實踐實習(xí)教學(xué)體系亟需改變[1]。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力，建設(shè)基于人才培養(yǎng)為目標的實習(xí)課程內(nèi)容，以學(xué)生為中心，面向產(chǎn)品設(shè)計與制作，探索以無碳小車模型設(shè)計制作引導(dǎo)實習(xí)的教學(xué)課程，實踐項目驅(qū)動實習(xí)課程改革，是實習(xí)課程教學(xué)改革的一個行之有效的方法。

1 無碳小車模型簡介

無碳小車模型來源于全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽賽題[2-3]。無碳小車是一個勢能小車，除重物勢能外不允許使用任何其他形式的能量。要求設(shè)計相應(yīng)結(jié)構(gòu)，保證行走的過程中完成所有動作的能量均由給定的重力勢能轉(zhuǎn)換而得，符合當代環(huán)保無碳的概念。無碳小車該的重力勢能是一個質(zhì)量為1kg、總高89±1mm的標準砝碼(φ50×65 mm, 碳鋼制作)來獲得，砝碼的可下降高度為 400±2 mm，并且任何時候，砝碼都不允許從無碳小車上掉落。無碳小車的結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖 1所示。

圖1 無碳小車模型示意圖

無碳小車要求設(shè)計為三輪結(jié)構(gòu)，其中一輪為轉(zhuǎn)向輪(最大外徑不小于φ30 mm)，另外兩輪為驅(qū)動輪(允許兩輪中的一個為從動輪)。無碳小車必須有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，以適應(yīng)放有不同間距障礙樁的競賽場地。無碳小車的賽道分為“S”環(huán)形型和“8”字形兩種，可以自行選擇相關(guān)賽道，并設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。

無碳小車模型集合了機械原理、機械設(shè)計、工程材料、機械制造技術(shù)等多課程交叉的知識內(nèi)容，能充分體現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。模型結(jié)構(gòu)設(shè)計方面能充分實踐學(xué)生學(xué)習(xí)過的機械設(shè)計和機械原理理論知識，模型制作與裝配能夠充分體現(xiàn)機械制造技術(shù)的理論知識點，同時，制造過程涉及到了車、鉗、磨、數(shù)控加工，3D打印、激光加工等傳統(tǒng)與先進制造技術(shù)。但無碳小車的工作原理其實并不復(fù)雜，設(shè)計方案有一定的彈性，且項目具有一定的延展性，學(xué)生為了提高無碳小車的運行成績，在課程結(jié)束后會有動力繼續(xù)提升優(yōu)化機構(gòu)的設(shè)計方案與制作裝配，達到“做中學(xué)”的目標。因此，在機械制造實習(xí)課程中，將無碳小車模型作為實習(xí)教學(xué)的一個項目載體，讓學(xué)生完成模型設(shè)計、加工、裝配、調(diào)試、答辯等一個完整的制作過程，改變原先機械制造實習(xí)傳統(tǒng)的單一工種操作訓(xùn)練模式，讓學(xué)生參與到制造環(huán)節(jié)的產(chǎn)品開發(fā)全流程，同時，無碳小車模型作為一個勢能驅(qū)動小車，在設(shè)計、制造裝配的一體化訓(xùn)練中，能讓學(xué)生更深刻理解零件設(shè)計的技術(shù)要求、公差、裝配要求，從而使得學(xué)生能從系統(tǒng)功能的角度，對各個子部件的功能和技術(shù)要求有了更準確和更深入的認識。

2 傳統(tǒng)機械制造實習(xí)課程存在的問題

機械制造實習(xí)一直是機械專業(yè)的重要實踐實習(xí)類課程，實習(xí)設(shè)備與實習(xí)件均來源于生產(chǎn)實際，有利于培養(yǎng)學(xué)生的基本職業(yè)技能、綜合工程能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新意識[4]。但目前的機械制造實習(xí)教學(xué)過程，存在著一些典型問題，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新實踐能力。

(1) 教學(xué)方法陳舊、教學(xué)內(nèi)容單一 目前課程實習(xí)教學(xué)的模式很多是以示教型、驗證型為主[1]，教學(xué)內(nèi)容多年來以階梯軸、小榔頭等零件為主，創(chuàng)造性不足，忽視了學(xué)生的學(xué)習(xí)的趣味性、主動性與積極性，不利于提升教學(xué)效果與能力培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生實踐制造能力差強人意。

(2) 實習(xí)件缺乏關(guān)聯(lián)性 機械制造實習(xí)課程中學(xué)生需要在多個設(shè)備工種完成實習(xí)件制作。但是實習(xí)工件存在“斷流”現(xiàn)象。比如：在普車工種實習(xí)中，簡單階梯軸是多年來一直使用的實習(xí)件；而簡單階梯軸在后續(xù)工種中都沒有使用，而在銑床、刨床實習(xí)所需要的實習(xí)工件，又需要重新完成，這既是實習(xí)材料的浪費，也不利于充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動性，缺乏對學(xué)生的綜合工程訓(xùn)練能力的系統(tǒng)培養(yǎng)。

(3) 實踐教學(xué)重視度不足 盡管實踐動手能力是理工科學(xué)生必不可少的能力之一，部分師生為實習(xí)課程無關(guān)緊要，僅把實習(xí)教學(xué)看成是理論教學(xué)的補充。多年來的教案、實習(xí)件都是一模一樣。

(4) 實踐教學(xué)的教學(xué)評價體系不成熟 傳統(tǒng)實踐教學(xué)的教學(xué)評價標準主要參照學(xué)生理論學(xué)習(xí)的教學(xué)評價標準，以成績的高低進行評價，由此，無論是教師的教學(xué)能力還是學(xué)生的實踐課成績都沒有被公正而科學(xué)的評定。

當前依據(jù)“中國制造2025” 計劃，國家與社會對創(chuàng)新型、實踐型人才的都提出了新要求，機械制造實習(xí)課程的改革顯得迫在眉睫。我們考慮引入基于無碳小車的機械制造實習(xí)課程改革，提升實習(xí)項目趣味性和知識性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

3 無碳小車模型制作在實習(xí)課程中的應(yīng)用

傳統(tǒng)機械制造實習(xí)工種單一重復(fù)、繁雜[5]，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合工程訓(xùn)練能力與創(chuàng)新思維能力。因此，選擇合適的機械制造實習(xí)課程的項目案例設(shè)計是一個綜合性的挑戰(zhàn)，需要考慮技術(shù)知識覆蓋的特點，既能通過訓(xùn)練學(xué)生的加工制作技能，又可以鞏固機械基礎(chǔ)知識，同時增加學(xué)生主動學(xué)習(xí)的樂趣[6]。

無碳小車的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計需要學(xué)生機械設(shè)計和機械原理理論知識的儲備，將理論與實踐相結(jié)合，采用虛擬設(shè)計、仿真、優(yōu)化，完善模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。模型制作與裝配需要學(xué)生綜合運用機械制造技術(shù)的理論及實踐知識點，綜合多工種、多工序：車、鉗、磨、數(shù)控加工，3D打印、激光加工等傳統(tǒng)與先進制造技術(shù)。讓學(xué)生實現(xiàn)“做中學(xué)”的目標[7]。

因此，在機械制造實習(xí)課程中，將無碳小車模型作為實習(xí)教學(xué)的一個項目載體，以無碳小車設(shè)計制作帶動學(xué)生完成全過程的工程實踐，學(xué)生分組分層次完成模型的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計、工藝設(shè)計、加工制作、裝配調(diào)試、答辯，改變原先機械制造實習(xí)傳統(tǒng)的單一工種操作訓(xùn)練模式，讓學(xué)生參與到制造環(huán)節(jié)的產(chǎn)品開發(fā)全流程。并且可以使學(xué)生能從系統(tǒng)功能的角度，對各個子部件的功能和技術(shù)要求有了更準確和更深入的認識。教學(xué)任務(wù)框圖如圖2所示。

圖2 無碳小車模型項目教學(xué)任務(wù)框圖

無碳小車模型設(shè)計制作的任務(wù)如圖3所示。課程結(jié)合理論教學(xué)知識，采用查找資料、虛擬設(shè)計、小組討論、設(shè)計方案修改、零件制作、答辯等多種教學(xué)方法，通過技術(shù)探究讓學(xué)生和指導(dǎo)教師緊密結(jié)合在一起，學(xué)生自主探究式學(xué)習(xí)以融合理論與實踐的知識，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，不同的零件，不同的材料，分解圖紙與技術(shù)要求，依據(jù)機械制造所學(xué)習(xí)的知識確定各零部件的加工工藝與加工方式，并選擇合適的設(shè)備：車、銑、刨、磨、鍛造、焊接、數(shù)控、線切割等，完成零部件的制造與裝配。在整個教學(xué)過程中，師生互動，教學(xué)相長，學(xué)生以團隊合作的形式完成無碳小車模型的制作[1]。

圖3 無碳小車模型設(shè)計制作任務(wù)框圖

在實習(xí)過程中，根據(jù)學(xué)生能力、專業(yè)知識差異，安排學(xué)生進行分組教學(xué)。項目小組任務(wù)分工主要由組長負責(zé)統(tǒng)籌，小組成員發(fā)揮其各自的特長，協(xié)作完成資料搜集、設(shè)計、繪圖、建模、測量、加工制造等任務(wù)，成功裝配后，通過調(diào)換角色，學(xué)生互助的方法再重新完成項目一次或若干次，以達到綜合訓(xùn)練項目的目的。

部分小組同學(xué)，完成無碳小車“S路線”行走機構(gòu)設(shè)計與制作后，按照全國大學(xué)生工程訓(xùn)練競賽的要求，在賽道上比賽，總結(jié)經(jīng)驗，不斷優(yōu)化設(shè)計，直至取得最好成績距離；部分小組同學(xué)，要求完成無碳小車“S路線”賽道運行距離不少于1m的要求；部分小組同學(xué)，挑戰(zhàn)“8字形”賽道的無碳小車機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，挑戰(zhàn)繞“8字形”賽道10圈的成績。對學(xué)生考核，以完成既定任務(wù)，學(xué)習(xí)到機械制造實踐知識為目標。

學(xué)生通過這種面向產(chǎn)品的設(shè)計制作實踐，能切身體會到如何綜合運用學(xué)到的機械制造工程知識，尋求解決實際工程問題的辦法[8]。無碳小車模型設(shè)計制作相比傳統(tǒng)的金工項目，更有利于調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生能主動地參與到學(xué)習(xí)與探索中。

4 無碳小車模型制作項目的實踐與拓展

將無碳小車模型設(shè)計制作項目引入到機械學(xué)院機械制造實習(xí)課程，取得了很好的效果。經(jīng)過學(xué)生反饋，能獨立思考，提升CAD工程圖紙繪制、三維建模及裝配、工藝分析及基礎(chǔ)金工實習(xí)中，鑄造、車削、銑削、鉗工等加工制作等基礎(chǔ)能力。比如：車床與數(shù)控車床分別加工飛輪、軸、軸套等零件，銑床加工底板，鉗工鉆孔、攻螺紋裝配等。在模型的設(shè)計與制作過程中，學(xué)生通過分工協(xié)作，能切實體會到工程知識如何運用到實際生產(chǎn)中，碰到問題，能從多方面途徑尋求解決實際工程問題，培養(yǎng)了學(xué)生的知識整合能力、創(chuàng)新實踐能力與合作交流的能力。

無碳小車模型項目教學(xué)調(diào)動了學(xué)生的積極性、學(xué)習(xí)主觀能動性。在東南大學(xué)的校級工程訓(xùn)練競賽中，無碳小車項目的比賽獲獎選手均是參加過課程實習(xí)的同學(xué)，實踐證明，基于無碳小車模型的機械制造實習(xí)課程，增強了機械類學(xué)生的綜合工程訓(xùn)練能力，通過“做中學(xué)，學(xué)中做”，使學(xué)生真正成為了工程實踐的主體，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了良好基礎(chǔ)。

5 總結(jié)與展望

基于無碳小車項目的教學(xué)改革與實踐，改變了傳統(tǒng)的機械制造實習(xí)中單個零件加工的操作技能訓(xùn)練模式，將“學(xué)徒式”的設(shè)備操作技能訓(xùn)練變?yōu)閷W(xué)生自主探究性的學(xué)習(xí)。采用無碳小車模型創(chuàng)新教學(xué)融入到各實習(xí)教學(xué)模塊，增加了機械制造實習(xí)課程學(xué)習(xí)樂趣，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合工程訓(xùn)練能力，有效促進了實踐教學(xué)課內(nèi)與課外結(jié)合，促進實驗室創(chuàng)新實驗平臺的建設(shè)與開放。

任何項目都存在著其一定的局限性與時效性，并且新的實踐教學(xué)方式對師資的綜合能力及理論水平提出了更高的要求，對實驗中心實驗室的開放與管理也提出了更高的要求。希望通過多方不懈的努力，使得基于無碳小車模型的教學(xué)方法進一步擴大應(yīng)用范圍，更好的提升學(xué)習(xí)的興趣與動力，取得更好的教學(xué)效果，為學(xué)生的學(xué)習(xí)以及職業(yè)成長給出指引，達到培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目的。