基于创新能力培养的先进制造技术实训教学改革

赵云伟, 刘晓敏

(北华大学 工程训练中心, 吉林 吉林 132021)

工程实训课程是连接理论知识与实践应用的纽带,是实践教学的重要组成部分[1-5]。学生通过工程实习训练,将所学理论应用于实际,不仅有助于学生深入理解所学的理论知识,拓宽专业视野,而且可以帮助学生建立质量、环保和安全等方面的工程意识[6-8]。对于机械类工科学生而言,工程实训是获取工程经验的手段,是培养学生动手实践能力、提升综合素质和养成创新意识的重要途径[9-10]。

如何提高学生解决工程实际问题能力、培养学生产品设计和创新能力是目前工科院校机械类专业共同面对的问题[11-13]。重庆理工大学工程训练中心正逐步实施创新型工程体系建设。他们有针对性地设置实习教学内容,通过软硬件资源的合理配置,提出以学生为主体的引导式教学方式,大大提高了学生的学习积极性[14]。吉林大学的曲兴田教授从调整教学内容、转变教学观念、重视实践环节、改进教学方法等方面对先进制造技术课程建设与教学改革进行了实践与探讨,并取得了一定的效果[15]。笔者根据多年工程实训教学经验,借鉴工程教育改革CDIO工程教育模式,提出以学生为中心,以产品项目为驱动,以提升工程实训教学质量为目标,以提高学生产品设计制造综合能力和创新能力为宗旨,逐步建立适应社会发展的先进制造技术实训教学体系。

1 学生创新能力培养方案

要根据学生兴趣和学习需要进行针对性教学,要创建丰富的优秀创新案例教学模型库,要进行产品设计和创新训练,将CAD/CAE技术应用到大学生竞赛等实践活动之中,以此培养学生机械产品设计与创新能力。图1为学生创新能力培养方案。

(1) 注重学生基础能力培养。包含图形绘制、产品性能分析、制造工艺和机构运动原理等基础能力,并将这些能力应用于产品设计过程,对所设计的产品进行静力学、运动学和动力学分析,包括材料强度、应力应变分析等。

(2) 以CAD和CAE软件为手段,将二者结合起来应用于产品设计、分析、加工和装配过程,提高学生的机械产品设计能力。

(3) 建立创新案例教学模型库，扩展学生创新思维,探寻新材料、新工艺、新方法。

(4) 机械产品设计与创新实践。根据学生的学习兴趣组建学生科研团队,应用CAD/CAE技术进行机械产品设计,并参加大学生竞赛等实践活动。

图1 创新能力培养方案

2 先进制造技术实训教学改革实践

2.1 先进制造技术实训体系

先进制造技术实训课程是我校工程训练中心的一门重要课程,实训教学体系涉及产品设计(CAD/CAM)、数控车削、数控铣削、特种加工、精密测量和机器人技术等6大方面[16],共包含22个实训项目,如图2所示。本课程内涵广泛、学科交叉,不仅要培养学生工程技术实践和应用能力,还要实现对学生工程意识和创新能力等综合工程素质的教育。

图2 先进制造技术实训教学体系

目前该课程采用分组循环轮训方式,学生依次学习、实践各实训项目。在这种运行方式下,各实训项目相对独立,不利于学生将各实训项目结合起来应用到机械产品的设计和加工制造当中。对现行的先进制造技术训练模式进行改革,将各实训项目进行有机融合,对提高实训教学质量、培养学生创新思维和实践能力具有重要意义。

2.2 先进制造技术实训教学改革方案

笔者与课程组教师在总结多年实践教学经验基础上,提出了以“产品项目”为载体的教学改革实践方法。即将一个完整的“产品项目”的设计与加工制造贯穿于实践教学始终,旨在提高学生对学科知识的系统掌握,促进学生探索和创新精神养成。具体教学改革方案如图3所示。在实训过程中,各实训项目指导教师联动配合,有效利用教学资源和仪器设备,努力达到理论教学与实践操作的最优化配合。

每组学生(3、5名学生一组)要经历“确定实习任务—制定工艺路线—产品制作加工—检查考核评估—总结归档”等5个阶段，如图4所示。各小组成员之间相互交流合作,积极动脑思考,动手实践制作,最终完成产品设计制作任务,并以成果的形式予以展现。实习任务或项目选题主要来源于学生的自主设计,或将大学生创新创业项目和各类机械创新设计竞赛引入到实训课堂,使每位学生亲历产品设计、加工制造及产品调试过程,让学生在产品制造过程中学会发现问题、提出问题和解决问题,培养学生解决工程实际问题能力和创新能力。

图3 实训教学改革方案

图4 以产品项目为载体的先进制造技术实训过程

3 教学改革成效与学生创新能力提高成效

3.1 先进制造技术实训教学改革成效

教学改革实践首先在机械制造及自动化专业学生中进行,并取得一定成效。在先进制造技术实训过程中,教师尽量不干预学生项目的实施,更多地是担任导师和裁判的角色,针对学生提出的问题与建议,进行方向性的指引和疏导,引导学生讨论、分析和总结产品的设计、加工制造、检测和调试进程,提高学生参与的积极性,注重学生产品设计能力和创新能力培养,尽量使每一位学生都有所提高。部分学生实训作品见图5。

图5 学生实习作品实例

通过教学改革,大大提高了学生的学习兴趣,增强了学生实践动手能力。学生根据自己的兴趣和特长设计开发产品,采用团队协作方式,结合CAD、CAE、CAM软件,完成整个产品的加工、制造、检测和调试。在经过先进制造技术实训后,学生学会了分析问题和解决问题的方法,团队协作能力也大大增强。

3.2 学生设计能力和创新能力提高成效

以ADAMS动力学仿真软件应用为例,学生不再以实验为主要设计手段,而是采用CAE、CAM软件进行产品设计优化,大大提高了产品设计能力。学生参赛和作品见图6。图6(a)为学生参加国家级大创赛项目,应用ADAMS进行机器人腿部关节运动学仿真,优化腿部各杆件和关节结构尺寸,提高机器人运动性能; 图6(b)为学生研制的等速无冲击直线往复运动机构,运用软件仿真逆向设计,获得机械创新大赛省级二等奖; 图6(c)为无碳小车的转向系统优化设计,可有效利用动能提高小车行进距离,在工程技能大赛中获国家级三等奖。

图6 部分学生参赛作品

综上所述,学生依托实训项目产品,结合CAD、CAE、CAM软件教学改革和大学生创新实践等活动,可以提高学生产品设计制造综合能力,对学生的后续学习和就业有诸多助益。

4 结语

以产品项目为驱动的先进制造技术实训教学，改变了传统的按部就班式的实训教学方式,将学习主动权交给学生,激发了学生的学习兴趣。在注重学生基础能力培养的同时,辅以创新案例教学模型库,通过组建兴趣团队、分组训练、参加创新活动等方式,加强对学生工程素质及产品设计能力和创新能力的培养。

截至目前,已完成2门工程实训课程改革,1门ADAMS软件教学课程改革。在机械13级学生中,学生依托项目产品,成功申报国家级和省级大学生创新创业项目各1项,申报校级项目3项; 获机械创新大赛省级二等奖1项、三等奖2项; 有两组学生在工程技能大赛中分别获得国家级三等奖和省级一等奖。