以減速器為對象的機械工程專業縱貫式實踐教學

全球化是當今世界的發展趨勢，經濟國際化、工程大型化，對不同教育背景的人才受教育的實質等效性提出了認證的要求。工程教育專業認證應運而生，它是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。其核心就是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價，即“產出導向(Outcome-basedEducation，OBE)”的教學理念。OBE理念是通過“以學生為主體、教師為主導”的教學活動來體現。面向行業需求，動態設計教學目標，及時調整畢業能力要求，圍繞學生畢業知識、能力、素質需達到的指標全面構建課程體系，進行教學設計和教學資源的配置，并且教學質量監控與評價是以學生學習結果為唯一標準。
北京工業大學機械工程專業分別于2015年、2018年兩次通過了教育部工程教育專業認證，機械工程專業成功納入《華盛頓協議》互認名單。基于OBE理念，以實現對專業認證通用標準中12項能力要求為基本原則，機械工程專業在教學改革中深入探討了機械制造課程群的體系構建與實施。筆者深刻意識到機械工程專業實踐教學必須在培養學生創新能力的基礎上進行具體規劃，才能培養出有較強創新能力的應用型人才。為此，本文對機械工程核心課程、先修課程及后續課程進行了梳理，在滿足12項能力要求的基礎上，重構了“6”模塊實踐教學體系，提出了以減速器為對象的“1+5+1”縱貫式實踐教學模式。
1、機械工程專業“6”模塊實踐教學體系
基于工程教育專業認證的OBE基本理念，以我校兩次機械工程專業認證為契機，嚴格修訂了2015版教學大綱，對機械工程專業實踐教學體系進行了“6”模塊重構(如圖1所示)。六大模塊包括基礎訓練、實驗課程、課程設計、創新實踐、工作實習、畢業設計，重點培養學生工程素質、實踐能力、創新意識和“大工程”觀。一方面，在課程設計中對學生的工程繪圖、機械設計與制造等能力循序漸進、反復訓練，培養學生機械工程基礎實踐動手能力和創新實踐能力；另一方面，以專業課程實踐能力為基礎，逐漸加強實際工程問題解決能力的培養，通過工程訓練、科技實踐、生產實習/工作實習等環節進行解決復雜工程問題能力的培養和工程師素養的培養，在“大工程”層面培養工程項目的參與、實施與管理能力。

圖1 “6”模塊工程實踐教學體系
1.1模塊一：基礎訓練
在該訓練模塊中，以機械工程為教學載體，采用自主實踐訓練的教學模式，將與網絡技術結合的實訓場地作為教學環境，運用“做、悟、異、用”教學理念，在學生完成機械工程相關任務過程中，實施工程基礎教育。該模塊有利于學生通過實踐體驗“敬畏、負責、分享、追求”的基本含義，有利于學生對實踐有真實的感悟，對工程有切實的了解。通過在機械工程訓練中心進行“工大錘”制造活動，培養學生工程意識和機械工程基本技能。工程基礎訓練是北京工業大學所有工程類本科生在大學一年級第二學期的必修實踐課程，每位學生都要學習通過鉗工、車削加工制造一把鋼制手錘，被學生稱為“工大錘”。“工大錘”所代表的“千錘百煉的精神”已經成為每一個北京工業大學畢業生的品質。
1.2模塊二：實驗課程
通過大學物理實驗、機械原理實驗、機械設計實驗等實驗課程模塊，培養學生獨立實驗操作、實驗設計以及實驗分析的基本技能和能力。
1.3模塊三：課程設計
通過工程圖學實踐、機械原理課程設計、機械設計課程設計、互換性與公差配合實踐、機械制造訓練、傳感與測試技術課程設計等模塊，以項目化的團隊組織形式，培養學生面對復雜工程問題時的策劃、實施及管理能力。
1.4模塊四：創新實踐
鼓勵學生參加各類型科技競賽、教師科研工作、創新創業訓練、接受職業技能培訓等，在創新實踐模塊中完成研究能力、創新意識、工程素養的培養。
1.5模塊五：工作實習
該模塊包括生產實習與工作實習，旨在培養學生認識社會、適應社會競爭的能力和應用所學知識服務社會的意識與能力，培養學生面對實際工程問題時的調研分析以及工程技能的綜合應用能力，開闊眼界，培養“大工程”觀。
1.6模塊六：畢業設計
在前五個模塊實踐與積累的基礎上，該模塊引導學生完成選題、文獻綜述、方案論證、系統設計、性能分析、工作交流、論文撰寫等訓練，涵蓋本專業基本能力訓練要素，重點提高解決復雜工程問題能力。畢業設計模塊包括工程設計類、技術開發類、軟件工程類、理論研究類四類，也是對前五個模塊綜合學習的應用與檢驗。
2、以減速器為對象的“1+5+1”縱貫式實踐教學模式
在課程設計的實踐教學環節中，為系統培養學生機械工程基本技能以及現代制造基本技能，初步掌握解決復雜工程問題的策劃、實施及管理能力，制定了以減速器為對象的三層次“1+5+1”縱貫式實踐教學模式，如圖2所示。齒輪減速器是一種典型的裝配體，在機械行業中得到廣泛應用。減速器中包含多種通用零件，如齒輪、軸、軸承、螺紋緊固件、潤滑裝置、密封元件等。學生以小組團隊協作的方式完成減速器的設計、制造、裝配、檢測以及仿真分析項目，逐步培養了綜合運用所學知識來分析和解決復雜實際工程問題的能力。

圖2 基于減速器實踐教學體系框圖
2.1第一層次：“1”繪圖基本功
通過工程圖學實踐的減速器裝配圖、零件圖繪制，培養學生工程圖樣繪制、閱讀機械設計圖的初步能力，培養學生計算機輔助設計的初步能力，夯實機械工程專業基本功。
2.2第二層次：設計、制造、裝配、檢測、分析“5”大核心技能
第一，通過減速器的設計，培養學生對機械結構、零件的選型、計算和設計知識應用的能力，以及創新機械設計的能力。
第二，通過減速器箱體及零件的加工，培養學生依據減速器的功能和用途為各零件選擇適用的工程材料，正確評價零件的結構工藝性；根據現有生產條件制定箱體、各零件的加工工藝方案和標準件的采購方案；通過減速箱體消失模的制作以及齒輪、傳動軸、端蓋、箱體的切削加工，完成冷熱加工工藝的實踐與應用，讓學生掌握切削加工、鑄造工藝、熱處理工藝等冷熱加工工藝，理解工程管理原理與經濟決策方法。
在機械制造訓練環節中，北京工業大學依托機械工程訓練中心，提供了有利的工程實踐環境與條件，包括普通車床4臺、數控車床2臺、數控銑床2臺、精密臥式加工中心1臺、精密立式加工中心1臺、齒輪滾齒機1臺、鉆床4臺等。為了讓學生對箱體鑄造工藝進行實踐應用，一方面，學校與外協鑄造公司建立了長期的合作關系，帶領學生進行消失模鑄造車間參觀實習；另一方面，通過學校的國家虛擬仿真重點實驗室，讓學生進行鑄造工藝仿真。學生繪制箱體毛坯鑄造工藝圖，并利用聚苯乙烯泡沫材料進行箱體制造(如圖3所示)，委托外協公司進行鑄造。對于軸類、端蓋等盤套類零件以及齒輪零件的加工，學生按照小組進行分工，制定了加工工藝卡片及技術文件，掌握了數控加工技術的編程技能和基本操作技能，并在機械工程訓練中心進行實際加工(如圖3所示)。結題以團隊項目答辯的形式進行，將團隊協作與管理能力的鍛煉貫穿于整個制造過程中。

圖3 減速器制造現場及成品圖
第三，通過互換性與公差配合實踐減速器的整體裝配，讓學生掌握互換性與公差配合的基礎理論及其應用，培養學生獲取檢測信息和數據信息處理的能力和尋找工程要點的能力。
第四，通過傳感與測試技術課程設計減速器傳動性能及動靜態特性的檢測，讓學生進一步掌握各類傳感器及現代檢測系統的構成，培養學生對傳感技術、檢測技術等的應用實踐能力。圖4中左邊是修完本課程后學生自主設計的減速器性能檢測實驗臺三維模型，右邊是依據學生設計方案經教師修改后制造的實驗臺實體，實現了教學反哺。該實驗臺可以檢測減速器的輸出轉矩與轉速，同時利用加速度傳感器檢測減速器的動靜態力學性能。

圖4 減速器性能檢測實驗臺
第五，通過有限元分析與應用減速器動靜態特性的仿真分析，培養學生利用計算機輔助分析軟件對機械結構動靜態性能進行分析的能力。分析結果可與本層次檢測實踐結果進行對比分析，以驗證本部分仿真分析的有效性與合理性，同時對減速器的設計方案的合理性進行了雙重驗證。
2.3第三層次：“1”綜合素質
通過學習減速器設計與制造的過程管理，培養團隊溝通與協作能力、組織能力及成本管理等解決復雜工程問題的能力。同時，該能力的培養也是貫穿于整個課程設計的實踐教學中，全面實現學生綜合素質的提升。
3、結語
實踐教學環節是機械工程專業教學的重要組成部分，是培養高級人才不可或缺的基本環節。只有通過理論與實踐教學的深入結合，才能讓學生具備一定的實踐動手能力和創新能力。北京工業大學改革探索了基于減速器的機械工程專業三層次“1+5+1”縱貫式實踐教學模式，在大一機械基礎實踐教學的基礎上，通過以減速器為對象的課程設計教學實踐，使學生系統掌握機械零件設計、機械零件冷熱加工制造、機械零件裝配、機電產品檢測、機械結構仿真分析等知識，通過實踐操作培養學生的職業素質和專業能力。
在工程教育專業認證以及新工科的大背景下，基于OBE教學理念，北京工業大學利用機械工程專業兩次通過工程教育專業認證的契機，重構了“6”模塊的機械工程專業實踐教學體系。通過縱貫式實踐教學體系的實施，學生具備了解決復雜機械工程問題的能力，極大程度提高了學習積極性，增強了發現問題、解決問題的能力，并通過項目協作錘煉了團隊協作能力和溝通管理能力。