吳新麗，婁海峰，馬善紅，夏旭東，謝劍云，楊金林

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州)

一 引言

適應(yīng)經(jīng)濟全球化快速發(fā)展的趨勢，各國高等教育部高度重視人才培養(yǎng)質(zhì)量，為了檢驗人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要建立對人才質(zhì)量進行評估和認證的標準，專業(yè)認證就是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生并已經(jīng)成為全球性人才資源互認的重要基礎(chǔ)[1]。但是，很多學(xué)校往往只對通過專業(yè)認證工作很重視，卻忽略了認證中最重要的指向：學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的學(xué)習(xí)訓(xùn)練和能力?！度A盛頓協(xié)議》和《工程教育認證標準》對工程教育專業(yè)認證標準中畢業(yè)要求項目明確指出[2]，畢業(yè)要求應(yīng)完全覆蓋以下內(nèi)容：

1.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對復(fù)雜工程問題的解決方案；

2.研究：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到有效的結(jié)論。

該標準中所提到的“復(fù)雜工程問題”必須具備以下特征：

1.必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決方案；

2.涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；

3.具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

近年來，國內(nèi)諸多高校在工程實踐教育方面都做了有益的改革和探索，一是教學(xué)體制的改革：工科類院校和工科類專業(yè)基于成果為導(dǎo)向，提出的“基于創(chuàng)新能力”、“雙向?qū)熤啤钡冉虒W(xué)培養(yǎng)目標已逐漸成為教學(xué)體制改革的核心，目前本科畢業(yè)生進入社會工作，此舉旨在縮短學(xué)生步入社會工作之后的調(diào)整期，由于在校期間學(xué)習(xí)的知識普遍都理論化，無法與實際工程問題相對接，因此都需要一定的適應(yīng)調(diào)整期[3]。二是課程體系的設(shè)置：一些工科類院校和工科類專業(yè)也同時以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向，開展了精細化的教學(xué)改革：在課程體系設(shè)置和學(xué)分認定方面，《工程教育認證標準》中明確規(guī)定了課程體系中的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程、工程基礎(chǔ)類課程和專業(yè)基礎(chǔ)類課程、工程實踐和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)、人文社會科學(xué)類通識教育課程必須占學(xué)生完成本科學(xué)業(yè)總學(xué)分的比例要求。為此，全國工科類專業(yè)以達成工程教育認證標準要求為目標，需要不斷修改和完善課程教學(xué)體系以及學(xué)分的認定標準[4]。三是教學(xué)模式改革方面：實施以學(xué)生為中心、教師引導(dǎo)的“多向”模式，逐步取締以教師為主導(dǎo)的課堂授課和學(xué)生課后練習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自發(fā)、自主的學(xué)習(xí)習(xí)慣，擁有獨立、創(chuàng)新的思考意識，進而培養(yǎng)學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。雖然很多高校都取得了一系列的改革成果，但從培養(yǎng)的工程人才來看，目前普遍高校的實踐教學(xué)質(zhì)量不高，學(xué)生普遍實踐動手能力和創(chuàng)新能力不足[5]。

我校機械制造及其自動化專業(yè)是省重點建設(shè)專業(yè)，國家級特色專業(yè)，“十二五、十三五”優(yōu)勢專業(yè)，2016年通過中國工程教育專業(yè)認證，在進行專業(yè)認證的過程中，專家反饋回來的意見中第一條就指出針對學(xué)生復(fù)雜工程問題的解決能力培養(yǎng)是如何開展實施的？針對這一問題，目前國內(nèi)學(xué)者普遍都提出了自己的見解，一是認為在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，教師應(yīng)注重檢查學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)成果，把此過程作為評定學(xué)生解決復(fù)雜問題能力的重要依據(jù)[6]；二是認為在教學(xué)結(jié)構(gòu)過程中，教師必須對學(xué)生畢業(yè)時所要達到的能力要求有足夠清晰的認識，然后尋求合適的教學(xué)方法來達到預(yù)期目標，而不是純粹教科書式的教學(xué)，這也是提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的一種有效途徑[7]；三是通過項目實踐教學(xué)途徑，應(yīng)較多地開展實踐教學(xué)活動，包括實踐教學(xué)的改革、與企業(yè)結(jié)合等方式，實踐過程中能切實掌握學(xué)生是否真正理解以及掌握課程所要求的知識和技能，并且在實踐中還能培養(yǎng)創(chuàng)新精神，從而真正培養(yǎng)他們分析和解決復(fù)雜工程問題的能力[8]。

目前我校機制專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)基本上都是按照課程類別開設(shè)一些驗證性實驗以及一些綜合性實驗項目，有些實驗項目工程化復(fù)雜化還不夠，有些項目簡單、枯燥，學(xué)生按步驟、照圖接線、測試, 甚至連數(shù)據(jù)記錄表格都設(shè)計好，既談不上實驗的創(chuàng)新，更談不上對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，要滿足專業(yè)認證標準中要求，以往的實踐教學(xué)模式，已遠遠不能滿足。而該問題也是目前所有包含機械類專業(yè)高校所面臨的共性問題，如能較好解決，將起到一定的示范及輻射作用。因此，本文結(jié)合工程教育專業(yè)認證的標準和認證方法，針對高校本科生復(fù)雜工程問題的解決能力培養(yǎng)模式進行分析與探討，提出以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向—機械專業(yè)實踐教學(xué)改革模式。首先，將原先機械基礎(chǔ)實驗的一些實驗項目改造或有機整合成綜合度更高并具有復(fù)雜工程問題特征的若干實驗項目；其次，提出以學(xué)生自主研究——教師按需輔導(dǎo)的實驗教學(xué)實施模式，結(jié)合理論教學(xué)課程貫穿于一整個學(xué)期，替代原有固定項目固定時間統(tǒng)一實驗的教學(xué)方法。

二 構(gòu)建“三層次，三方向”的實踐教學(xué)模式

我校機械設(shè)計及其自動化專業(yè)致力于培養(yǎng)機械工程及其相關(guān)領(lǐng)域從事產(chǎn)品的設(shè)計與制造、應(yīng)用研究和科技開發(fā)、運行管理等工作，能解決復(fù)雜工程問題的工程技術(shù)人才。專業(yè)結(jié)合浙江省產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的需要和本校人才培養(yǎng)的定位，旨在培養(yǎng)學(xué)生具有分析問題、解決問題、組織管理、合作交流和自主學(xué)習(xí)的能力，為此，本專業(yè)提供了“模具技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計、數(shù)字制造”三個培養(yǎng)方向。

為了提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在專業(yè)認證標準的基礎(chǔ)上，以工程素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程能力為主線，從簡單到復(fù)雜，從基礎(chǔ)到提高，從單一到綜合，使學(xué)生逐步掌握解決復(fù)雜工程問題的能力，按照基本技能層、綜合應(yīng)用能力與初步設(shè)計能力層、工程實踐與創(chuàng)新能力層“三層次”以及模具技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計、數(shù)字制造“三個方向”，分層遞階地對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力進行培養(yǎng)，構(gòu)建了圖1 所示“三層次，三方向” 的實踐教學(xué)模式。

本文提出的“三層次、三方向”的實踐教學(xué)培養(yǎng)模式。其中專業(yè)方向平臺包括3個專業(yè)方向為：數(shù)字制造方向、模具技術(shù)方向和現(xiàn)代設(shè)計方向，按照實踐教學(xué)培養(yǎng)模式的3個專業(yè)方向?qū)嵺`教學(xué)劃分為：基本技能層、綜合應(yīng)用能力層、工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)層。

“基本技能層”：包括公共通識課程的實驗，本學(xué)科的學(xué)科基礎(chǔ)課程實驗，包括材料力學(xué)、工程力學(xué)等實驗；金工實習(xí)，電工與電子實習(xí)以及專業(yè)認知實習(xí)，其目的是進行工程類基本技能訓(xùn)練，解決相對簡單的工程問題。“綜合應(yīng)用能力層”：包括機械原理、液壓傳動、數(shù)控技術(shù)等專業(yè)課程的實驗，機械原理、機械設(shè)計等課程的課程設(shè)計；為期一周的專業(yè)綜合實驗；企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)；目的是單科知識綜合應(yīng)用和初步設(shè)計能力的訓(xùn)練，解決較復(fù)雜工程問題?！肮こ虒嵺`與創(chuàng)新能力層”：包含工程項目訓(xùn)練、課外科技活動、畢業(yè)設(shè)計等，目的是進行創(chuàng)新意識與工程實踐能力的訓(xùn)練，提供解決復(fù)雜工程問題的能力?！叭龑哟?，三方向”的實踐教學(xué)模式，涵蓋從簡單的工程問題到復(fù)雜工程問題的實踐教學(xué)，使學(xué)生對工程問題的解決能力培養(yǎng)分層遞進，即：解決簡單工程問題→解決較復(fù)雜工程問題→創(chuàng)新意識與工程實踐能力?！叭龑哟危较颉钡膶嵺`教學(xué)模式，形成了分模塊、分層次、由淺入深的工程實踐教學(xué)體系。

三 實踐教學(xué)模式改革思路

截止目前，我校機械類專業(yè)的綜合實驗教學(xué)項目基本上都是按照課程類別，且大部分都屬于驗證性綜合性實驗項目，如表1所示（見下一頁），雖有綜合性實驗，但都是針對理論課程內(nèi)容簡單地將原先的實驗項目進行單一地整合，并沒有從實際解決復(fù)雜工程問題的主線出發(fā)，因此，有必要跨課程、跨階段地進行整合。

1）改進原有實驗項目，使其達到更高更綜合化程度的實驗項目

原有的一些綜合性實驗項目，可以圍繞復(fù)雜工程問題主線進行改造。如：原機械基礎(chǔ)實驗1中的機組運轉(zhuǎn)及飛輪調(diào)節(jié)實驗動平衡項目，其主要目的是讓學(xué)生掌握速度波動的概念以及飛輪轉(zhuǎn)動慣量與速度波動的關(guān)系，是一個綜合性實驗項目。但是從復(fù)雜工程問題的角度出發(fā)，其包含很多深層次的工程問題：例如機器設(shè)計時實際電動機是如何選型的，實際轉(zhuǎn)速是如何確定的，為什么設(shè)計希望電動機在額定值附近工作而實際速度卻一般控制在75%左右，速度波動和振動之間的關(guān)系，等等，這些實際工程中的問題都可以將原先的實驗項目進行擴展，提高實驗的綜合度，接近實際工程設(shè)計的復(fù)雜程度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2）從解決復(fù)雜工程問題的角度出發(fā)，將現(xiàn)有實驗項目進行跨課程、跨階段地整合

改革的思路是：全程貫穿作品構(gòu)思、設(shè)計到樣機制作和運行整個周期，以機械設(shè)計制造及其自動化的四個方向的專業(yè)綜合實踐教學(xué)課程為平臺，實現(xiàn)作品的“創(chuàng)新構(gòu)思—設(shè)計—加工—裝配—調(diào)試”五位一體的專業(yè)綜合實踐教學(xué)新模式，包括機械系統(tǒng)的設(shè)計、工程材料的選擇與測試、系統(tǒng)的搭建與運行參數(shù)的測定、控制系統(tǒng)編程與控制等內(nèi)容。

在專業(yè)綜合實踐課的整個過程中，使學(xué)生將課程設(shè)計與實踐課緊密結(jié)合起來，從作品設(shè)計、材料購買、零件加工制作、整機裝配，到最后的機電作品調(diào)試，從頭到尾讓學(xué)生自己親自動手，真正做到“學(xué)以致用”。

四 實踐教學(xué)模式改革具體措施

我校機制專業(yè)學(xué)生在大學(xué)三年級第一學(xué)期需要進行為期一周的專業(yè)方向綜合實踐課程。本文主要以專業(yè)綜合實踐課程為載體進行本次實踐教學(xué)模式的改革，以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為目的，我們按照三個專業(yè)方向分別設(shè)計了三個獨立的大型綜合性實驗項目。由學(xué)生自主選擇專業(yè)方向來完成一周的實踐課程內(nèi)容，具體如下所示。

（一） CAD/CAM綜合實驗

CAD/CAM綜合型實驗是機制專業(yè)數(shù)字制造方向的重要培養(yǎng)內(nèi)容，本實驗運用機制專業(yè)開設(shè)的數(shù)控加工技術(shù)、計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）及計算機輔助分析（ANSYS）等課程。以齒輪為研究對象，引導(dǎo)學(xué)生完成上述一系列實驗內(nèi)容的綜合性實驗。使學(xué)生了解和掌握基本的產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測一體化過程，讓學(xué)生在自主性、綜合性、創(chuàng)新性及結(jié)合工程實踐等方面都得到較好的鍛煉。圖2（P17)為CAD/CAM綜合型實驗的設(shè)計思路。

1.實驗教學(xué)設(shè)計與組織實施——齒輪的設(shè)計

a）運用機械設(shè)計知識、制造技術(shù)基礎(chǔ)和工程圖學(xué)等知識；

b)采用反求工程方法，將掃描得到的齒輪點云原始數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入后處理軟件，通過數(shù)據(jù)處理重建樣品的三維造型；

c)齒輪傳動承載能力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計；

d)齒輪三維實體造型創(chuàng)新設(shè)計，利用AutoCAD、Solidworks和CATIA等軟件；

e)齒輪的精度設(shè)計。

2.實驗教學(xué)設(shè)計與組織實施——齒輪的制造

a)將齒輪的三維模型導(dǎo)入Mastercam X9軟件，設(shè)置加工刀具參數(shù)和刀具路徑，生成數(shù)控加工G代碼；

b)利用個人便攜式數(shù)控機床（PPCNC）載入加工G代碼加工齒輪。

2.實驗教學(xué)設(shè)計與組織實施——齒輪的檢測

a)根據(jù)齒輪的檢測指標，選擇儀器，了解儀器的結(jié)構(gòu)，測量原理；

b)動手測量，數(shù)據(jù)處理，判斷齒輪是否合格；

c)若不合格，分析產(chǎn)生的原因。

表1 現(xiàn)有實驗項目列表

（二） 動平衡設(shè)計實驗

本實驗是一個動力學(xué)綜合性的實驗，同時融入動平衡設(shè)計計算和實際動平衡機試驗的實踐性環(huán)節(jié)，使教學(xué)內(nèi)容和方法手段體現(xiàn)工程化特色，實現(xiàn)了將理論教學(xué)融入了工程實驗中的理念[9]，符合機制專業(yè)現(xiàn)代設(shè)計這一專業(yè)方向，可以提高學(xué)生對實驗的興趣，充分體會理論計算和工程實踐之間的差別。

1.實驗教學(xué)設(shè)計與組織實施——零件的動平衡設(shè)計

①動平衡設(shè)計原理

在轉(zhuǎn)子的設(shè)計階段，尤其是設(shè)計高速及精密轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時，必須進行平衡計算，以檢查慣性力和慣性力矩是否平衡。若不平衡，則需要在結(jié)構(gòu)上采取措施以消除不平衡慣性力的影響，這一過程即是轉(zhuǎn)子的平衡設(shè)計[10]。

②動平衡設(shè)計對象

本實驗采用一種自制的組合式剛性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子軸安裝有四個已知偏心角度和偏心距的圓盤，各偏心圓盤通過鍵與軸連接，由于偏心質(zhì)量不在轉(zhuǎn)子軸線上，故轉(zhuǎn)子產(chǎn)生已知可計算的動不平衡，所以需要對其進行動平衡計算。

③動平衡設(shè)計實驗組織

本實驗共有8組由偏心圓盤組成的不同的組合方案，相應(yīng)的有平衡的配重塊若干，各有不同質(zhì)量，可在轉(zhuǎn)子兩端面安裝。學(xué)生分成不同的實驗小組，隨機抽取實驗方案編號，然后根據(jù)已知條件和數(shù)據(jù)，確定平衡基面，列動平衡方程式，求解兩個配重的質(zhì)量和相位。

2.實驗教學(xué)設(shè)計與組織實施——零件的動平衡實驗

經(jīng)過上述平衡設(shè)計的剛性回轉(zhuǎn)件在理論上是完全平衡的。但是由于計算、制造和裝配上的誤差以及材料質(zhì)量不均勻等原因，實際的回轉(zhuǎn)件往往達不到原設(shè)計的要求。因此，在工程上均需用試驗的方法加以平衡[11]，這種實驗是在硬支撐動平衡機上完成的。

前述已分組的學(xué)生根據(jù)已計算好的在兩個校正平面上的配重質(zhì)量與相位，選取相近質(zhì)量的標準配重安裝在轉(zhuǎn)子上，在把轉(zhuǎn)子安裝在動平衡機的支架上，裝好傳動皮帶與光電系統(tǒng)開始測量，若電測箱顯示有不平衡質(zhì)量，則使用天平秤重橡皮泥平衡，如此重復(fù)操作直至合格。

（三） 模具設(shè)計綜合實驗

根據(jù)機械類人才培養(yǎng)中模具設(shè)計這一方向所需要的完整知識鏈及我校的特點，“為打造材料成型裝備先進制造業(yè)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、高科技內(nèi)涵材料成型裝備專業(yè)人才”，模具設(shè)計綜合實驗按課堂教學(xué)、實體實驗教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(xué)3個模塊、8個實驗設(shè)計，如表2所示（見下一頁）。實現(xiàn)從產(chǎn)品概念設(shè)計、產(chǎn)品反求變型設(shè)計、模具設(shè)計與制造、以及產(chǎn)品模具成型加工乃至快速成型蠟?zāi)＞T一個完整的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程，其中虛擬仿真實驗按照“機械機構(gòu)——控制分析——性能測試”進行建設(shè)，形成了“開放式教學(xué)、專業(yè)實體實驗和虛擬仿真實驗”的層次實驗教學(xué)內(nèi)容，分別培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科專業(yè)基本素質(zhì)、工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力，形成了自主式、啟發(fā)式和研究式的教學(xué)模式，實現(xiàn)了校企培訓(xùn)、合作、服務(wù)社會和國際合作交流。

五 實施效果

2016年第二學(xué)期末至2018年第一學(xué)期初，新的教學(xué)模式在我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并收到了明顯的教學(xué)效果。改革以后的專業(yè)綜合實踐教學(xué)新模式更加受到本科生歡迎，學(xué)生參與的積極性和主動性提高，自主學(xué)習(xí)和主觀能動性得到加強，解決復(fù)雜工程問題的能力得到鍛煉。圖3（P19）為學(xué)生實際參與實驗的過程以及部分學(xué)生作品。其中，利用模具設(shè)計綜合實驗這個平臺，兩年內(nèi)共有8名同學(xué)完成了模具方面課題的本科論文工作，并在畢業(yè)之后也選擇從事模具行業(yè)。

本次專業(yè)綜合實踐課按照三個方向，通過三個大型綜合性實驗，由學(xué)生親自構(gòu)思、設(shè)計、制作和成功調(diào)試了10 余件創(chuàng)新作品，圖3（P19）為實際制作過程的圖片和部分作品圖片。依托該實踐課程，組織學(xué)生創(chuàng)作的優(yōu)秀作品參加課外科技競賽，其中一件作品獲得第七屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽全國一等獎，同時申請5項國家發(fā)明和實用新型專利，通過該實踐課程，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力也得到充分鍛煉，同時也較大地提高了綜合創(chuàng)新能力。

表2 模具設(shè)計綜合實驗列表

六 結(jié)束語

本文基于工程教育認證標準，分析了國內(nèi)工科院校的教育教學(xué)現(xiàn)狀，提出以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向的機械類專業(yè)“三層次、三方向”的實踐教學(xué)新模式，同時基于新模式提出了實踐教學(xué)改革的思路和具體措施，最后，以機械制造及其自動化專業(yè)綜合實踐課程為實踐教改實施的載體，設(shè)計了三個專業(yè)方向的大型綜合性實驗，在實踐教學(xué)過程中強調(diào)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計、主動參與，獨立自主完成零件的加工、裝配和調(diào)試。本文提出的實踐教學(xué)新模式，對我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在工程素質(zhì)教育認證通過后的持續(xù)改進起到非常大的推動作用，對相同或相似類型的本科專業(yè)實踐教學(xué)建設(shè)具有示范作用和借鑒意義，為新形勢下高等工科本科生實踐能力培養(yǎng)探索出一條新路。