基于复杂工程问题的机械产品设计制造综合实践研究

关跃奇　魏克湘　彭浩舸

摘 要 解决复杂工程问题是工程教育认证要求学生毕业所具备的一种能力，机械产品设计制造综合实践是我校机械设计制造及其自动化专业学生校内的一个重要的实践教学环节，需解决机械类产品的三维装配设计，零、部件的工程图设计、工艺设计和加工制造的四个过程，培养了学生的创新意识、工程素质、人际交往能力及在团队中发挥作用的能力和解决复杂工程问题的能力，是现代机械类人才培养过程中非常重要的环节。

关键词 工程教育认证 综合实践 复杂工程问题

中图分类号：TH122 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.023

工程教育认证是我国目前开展高等教育教学评估的一项重点工作，表明我国工程教育的质量得到了国际社会的认可，标志着我国工程教育质量有很大提高。随着我国高等工程教育认证的逐步推进，新形势下经济发展对工程应用型人才工程素养与能力提出了新的要求，迫切需要工程应用型大学抓住工程教育专业认证体系构建这一机遇，重构工程应用型人才的培养模式，改革探索我国应用型大学工程教育专业认证体系构建的之路，扎实推进高校工程教学改革工作，提升高校工程类专业建设水平和人才培养质量。

工程教育认证实施的目的是促进工程教育创新与改革，提高我国工程教育人才培养的质量，重新构建我国高等工程教育体系，以期促进我国工程教育强国迈进。湖南工程学院作为一所应用型中部地方高校，有着深厚机电行业背景，推进工程教育改革并积极参与工程教育认证，探索工程人才培养新模式。我校机械设计制造及其自动化专业（简称机械设计专业）2010年获批教育部首批实施“卓越计划”试点专业、2012年获批湖南省专业综合改革试点专业，2015年被教育部工程教育认证中心受理了认证申请。为适应新形势的需求，本专业以学生为中心，基于成果导向教育理念，以培养具有创新意识和解决复杂工程问题的能力人才为目标，在教学体系重构、专业行业特色、工程实践教学、创新意识培养等环节展开积极的探索和改革，得到同行的高度认可，取得了良好的效果。

2015版工程教育认证毕业要求通用标准12条中，有8条提及“复杂工程问题”；所谓“复杂工程问题”是指必须运用深入的工程原理，并经过分析才可能得到解决的问题，且须同时具备下列6个特征中的部分或全部：它涉及多个工程、技术及其它方面的因素，各因素间可能会有一些冲突；需通过建立适当合理的并能体现出一定的创造性抽象模型才能将冲突问题予以解决；问题中涉及的部分因素没能完全包含在本专业工程实践的标准或规范中；不是仅靠一般的方法就能够将问题完全解决的；问题相关各方利益不完全一致；包含多个相互关联的子问题并有一定的综合性。同时要求在课程作业、课程设计、综合练习、综合实验、企业生产实习、毕业设计、科技训练等教学环节中，应主动将工程问题的复杂性融入到教学内容中。

机械产品设计制造综合实践是我校培养大学生实践技能、创新意识和解决复杂工程问题的大型综合实践环节。对我校机械设计专业的学生而言，机械产品设计制造综合实践，是本专业多门专业课程的综合应用环节，对培养学生工程实践技能、创新意识和解决复杂工程问题能力具有独特的优势。对丰富学生生产实践知识，巩固和加深所学理论知识。熟悉现代加工制造全过程，培养科学、认真、细致的工作作风有着非常重要的作用。

1 基于解决复杂工程问题能力的培养，构建“三层次”实践教学模式

我校机械设计专业的工程教育认证体系是基于工程应用型机械类人才培养定位、培养规格和毕业能力通用标准的要求而开展的，它遵循了机械类工程师培养的基本原则和学生的对知识的认知规律，目的在于建立一个与机械类工程师的基本素质训练内容相互衔接、循序渐进的实践教育体系。为此，我校机械设计制造及其自动化专业按照基本技能层、综合应用能力与初步设计能力层、工程实践与创新能力层“三层次”，分层递进对学生的解决复杂工程问题与实际工程能力进行培养，构建了图1所示“三层次”实践教学模式。

三个层次内容为：“基本技能层”：包括大学化学、大学物理等公共通识课程的实验，本学科的学科基础课程实验，工程制图零部件测绘课程设计，金工实习，电工与电子实习，专业认知实习；其目的是进行工程类基本技能训练，解决相对简单的工程问题。“综合应用能力与初步设计能力层”：包括机械原理、液压传动等专业课程的实验，机械原理、机械设计课程设计，液压传动与控制技术课程设计，企业生产实习；目的是单科知识综合应用和初步设计能力的训练，解决较复杂工程问题。“工程实践与创新能力层”：包含工程项目训练、机械产品设计与制造、课外科技活动、毕业设计等，目的是进行创新意识与工程实践能力的训练，解决复杂工程问题。

“三层次”的实践教学体系，包含了由相互独立到科学融合，由相对简单的工程问题到复杂工程问题的实践教学体系，使学生对工程问题的解决能力培养分层递进，即：基本技能训练、解决简单工程问题→较复杂应用能力、初步设计能力培养，解决较复杂工程问题→创新意识与工程实践能力，解决复杂工程问题。“三层次”的实践教学体系，分模块、分层次、由浅入深的进行工程实践教学训练，形成了“理论到实践-再理论到再实践”渐近式推进的实践教学新模式。

2 适应社会需求，探索基于产品设计制造的综合实践内容与模式

地方工程应用型大学培养的人才是直接为企业、行业服务的一线应用型人才。按照以素质能力为核心的理念培养人才。通过制定一整套科学合理的、具有可操作性的、系统化的人才培养标准来规范整个培养过程。我校机械设计专业的人才培养目标是：坚持以学生为中心，强调知识、能力、素质协调发展的教学理念和努力做到与企业用人要求“无缝对接”。因此，针对本专业设立以“机械CAD/CAM”和“工艺装备”为特色的专业教学项目，以培养解决复杂工程问题能力为教学重点。在综合实践教学环节中，探索机械产品设计制造的课程的新模式（即综合实践）非常必要，且能够满足工程教育认证学生毕业能力的现实要求。

“机械产品设计与制造”课程设计是我校机械设计制造及其自动化专业学生毕业前在学校进行的一项极具综合性的实践项目，在校内所有理论课程学习完成后，要求学生综合运用所学的知识完成具备一定功能、用途的产品总体设计、零件设计、工艺设计、加工制造、检验、装配，并对加工、装配进行质量分析，并撰写设计说明书。我校2009年在2006级机械设计专业开始实施“综合实践”课程实践教学环节，近六年来，我们对综合实践内容及模式不断进行的改革和探索，形成了一套行之有效的实践方案。根据2010-2015届毕业学生跟踪调查可知，我校开设的综合实践项目是成功的。现将我校开设机械产品设计制造综合实践教学中的基本思路和具体做法作一简单介绍。

综合实践作为训练平台的目的是培养创新意识、人际交往能力及在团队中发挥作用的能力，积累工程经验，培养分析、解决复杂工程问题的能力；结合我校机械工程学院的现状，只有改革与创新大型实践环节的教学内容，才能达到本环节预定的教学目标。在此所讲的改革与创新教学内容有两方面的意思：一是实训项目选择上的改革与创新，结合机械设计专业的工程实际情况进行实训项目的精心筛选；我们选择一些技术难度恰当的机械产品、装置作为实训项目如：传统保留项目有各类一级减（升）速器、齿轮泵、液压工作缸、机床夹具、冷冲模夹具，另外机械创新设计的竞赛项目如无碳小车、指导老师科研子项目都是我们实训项目的选择对象；所选项目要保证利用机械工程学院的现有设备资源即可制造出来。若选择汽车发动机作为实训选项虽具有大的工程实际意义，但其技术难度太大、学院设备资源尚不具备这样的加工能力，它不能有效达成实训的教学目标；若采用单个的机械零件作为实训选项，其设计及装配调试训练达不到机械产品、装置所具有的实训效果。二是教学要求的改革与创新，本环节完全模拟工厂生产实际的标准进行工程化的综合训练。综合实践以专业班级为单位，每8～14位学生为一项目团队选择一种机械产品、装置作为实训项目，按项目组成合作团队，实行项目组长负责制，团队成员分工合作；以机械产品研制的过程划分成四个模块：即产品设计模块（含产品三维造型、工程图设计）、工艺设计模块、加工制造模块、装配调试及设计说明书撰写模块。在综合实训的四个模块段，不同模块段有不同的任务和不同的教学训练重点，但四个模块段为一个有机的整体。整个实训环节完成后，各团队成员共同协作完成指定项目的设计制造及整体装配，每个学生均独立完成任务并需撰写一份课程设计说明书。

四个模块段的具体任务分别是：第一个模块机械产品、装置的设计，主要任务是按给定的项目（指导老师给定功能及技术要求），学生运用所学知识及掌握的设计工具设计出给定产品三维图及零件工程图设计并给出相对完整技术要求；教学重点是培养创新意识、工程设计能力及解决设计中的复杂问题的能力。每个团队按给定功能及技术参数设计出两个以上不同方案，并从中选择一个方案作为团队后续三模块段的实施方案。第二个模块零、部件的工艺设计，主要任务是按零、部件工程图的要求，结合机械工程学院现有设备的加工能力及精度，设计零、部件的工艺文件；教学重点是培养工程制造能力及解决制造中的复杂问题的能力；按单个零件作分工作小组，各工作小组应完成相应零件的加工工艺过程卡及工序卡的编制，其中每位学生至少完成一道以上工序文件（工序文件参照工程格式进行，装夹定位、切削用量等工艺要素必须齐全）的编制。第三个模块是零件加工制造，主要任务是操作机床加工零件，并进行加工质量检验，同时进行加工质量分析；教学重点是训练独立操作机床的动手能力和解决工程制造过程中问题的能力。以零件分工作小组，按零件各工序文件以工序为单元操作机床完成制造，以此验证所编工艺的合理性，即对各工作小组的零件进行加工制造，对加工制造中出现的问题进行分析处理。第四个模块为装配调试及设计说明撰写，主要任务是对实训产品装配调试同时撰写课程设计说明书，重点是产品装配调试的动手能力和解决工程装配干涉能力的培养；以项目团队为单位，完成机械产品、装置加工制造后的装配调试工作，最后撰写课程设计说明书。

3 加强过程管理，创新考核评价标准

综合实践环节有很强的专业性，尤其采用“工程化”的模式，为此，必须加强过程指导，确保本环节的有效性。综合实践不单只看实训产品的最终研制结果，更要注重本环节的实施过程中学生基本技能的掌握及分析、解决工程实际问题的能力。综合实践应更好地模拟工程环境，从工程实际出发，使学生感受工程实际的氛围，积累工程经验，提高工程素质。对本环节中出现的各种工程问题，指导老师应及时引导学生深入运用所学的专业知识来分析、解决，更好地培养学生解决复杂工程问题的能力。

本环节时间跨度大，实训内容多。引导学生积极参与，成绩评定采用自评、互评相结合，注重相互间的人际交流及在团队中发挥作用，更是其考核评价建设的关键。只有加强过程管理，创新考核评价标准才能达到综合实训的最终目标。我们采用可量化的评价指标，突出能力的培养，注重实施过程，建立了分模块的评价制度。即考核评价也分四个模块进行，每模块均采用五级评分制，在四个模块实训中以个人最擅长，能力最强的模块评价成绩作为本环节的总成绩。将实训过程中的能力培养和素质提高与考核评价相结合，在本环节中即使出现了工程技术问题的同样可以评为优，只要学生能够运用所学的知识解决或部分解决所出现的工程技术问题，并在说明书中能对其处理过程进行详细分析即可。从而使参加本环节的每位同学得到客观、公正的评价。

4 结束语

通过六年的探索实施，我们初步摸索出基于解决复杂工程问题能力的机械产品设计制造大型综合实践的教学模式，收到了良好的教学效果，使每位学生掌握了机械产品的研制基本流程，学会了如何运用所掌握的知识来解决复杂工程问题，积累了工程经验，提高了工程实践能力，培养了学生科学、认真、细致的工作作风，增强了学生毕业后的求职能力；一部分学生就是凭着综合实践环节的训练从而通过了用人单位的能力测试。因此，这些年我校机械设计专业的毕业生就业率都在90%以上，就业率一直位居我校各专业的前三名，这也从一个侧面表明我们的教学改革方向是正确的，培养的学生与企业用人要求实现“无缝对接”。但某些方面需进一步完善，如课题能够与企业的产品开发或技改相结合将更具价值和工程实际意义，部分课题工程复杂难度略显不足等。

总之，机械产品设计与制造综合实践，实现了产品设计、零件设计、加工制造和装配的全过程。提高了大型综合实践的适应性和综合水准，加强了学生实际动手能力、解决复杂工程问题能力和创新意识的培养。我们相信，一定能培养出满足企业要求具有创新意识和具备解决复杂工程问题能力的新型机械类人才。

；湖南省教育厅普通高校实践教学建设项目（湘教通[2015] 274号）

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