基于斯特林发动机的工程训练改革与实践

张建恒

摘要：针对传统工程训练课程内容单一且教学模式固定陈旧，缺乏与专业理论课程知识体系相互结合等问题，提出以斯特林发动机为教学内容的综合创新实训项目。将专业理论与实践课程有效结合，构建“项目驱动式”教学模式，通过实训课程的分工协作，使学生掌握先进制造技术，提高学生的创新能力和实践操作能力。实践表明，开展综合创新实训课程进一步增加工程训练课程内容的创新性和丰富性，对于提高学生实际工程能力有重要的意义。

Abstract： In view of the problems such as the single content of traditional engineering training course， the fixed teaching mode and the lack of the integration with the knowledge system of professional theoretical courses，This paper proposes a comprehensive innovative training project with Stirling engine as the teaching content，The teaching mode of "project driven" is constructed by the effective combination of professional theory and practical courses，Through the division of labor and cooperation of practical training courses， students can master advanced manufacturing technology and improve their innovation ability and practical operation ability.The practice shows that it is of great significance to develop comprehensive innovative practical training courses to further increase the innovation and richness of the content of engineering training courses to improve students' practical engineering ability.

关键词：工程训练;斯特林发动机;创新实训;项目驱动式

Key words： engineering training;stirling engine;innovative training;project driven

0  引言

面对现有工程训练课程教学内容单一、教学模式较为陈旧、学生主动学习兴趣低、动手能力薄弱、創新能力不足等诸多问题，开展具有创新实践的教学体系，培养适应现代制造业的工程师，提升工程综合实践能力已成为工程训练课程改革的必要方向[1-3]。随着工业制造技术的发展升级，以往的教学方法和教学模式并没有进行转变。尽管现有工程训练课程有一定的实践操作课程，但基本模式都是教师进行示范性的教学，即教师做，学生看，缺乏学生主动性学习。并且分散实训课程使不同工种之间缺乏联系，学生对零件加工工艺的整体认识不足。近年来，本校工程训练中心借鉴其他学校实训课程改革的成功经验，坚持以“新工科”建设为工程教育改革要求[4-5]，以专业课程为理论依据，以培养学生创新思维和实践能力为目标[6]。构建“项目驱动式”的实践教学模式[7]，将实训内容任务化[8]，具体化，充分利用工程训练中心现有设备资源，使学生在完成常规工训课程的同时，能够完成CAD建模、CAE分析、绘制工程图纸、工艺设计、制造检查、装配调试等学习任务，加强训练的连续性。并且整个教学过程以学生为主体，教师为辅，充分发挥学生的学习积极性和主动性。提高学生的创新能力和动手实践能力，使工程训练教学质量显著提高。

1  创新实训改革的主要目的

工程训练实践教学旨在培养学生理论知识和实践操作相结合的综合能力，提高工科学生的专业素质。传统的工程训练都是依照固定的教学方案和教学大纲，实训内容都是不变的，这样的实训方式缺少锻炼学生独立思考的机会。在实训课程结束后，学生不知道一个零件从毛坯到成品需要哪些工序、哪些工艺加工，没有足够的综合能力训练，从而面对一个新的零件加工图纸时就不知所措。所以这样的实训方法不利于培养学生创新思维和工程应用能力。

构建“项目驱动式”的综合创新工程训练的目的就是改变现有工程训练方法的不足，使以学生主体和项目任务为教学任务的中心，合理利用传统加工设备，将单一的训练任务相互结合起来，充分调动学生学习积极性和自主学习能力。使学生创新能力和实践操作能力得到提高。通过教师理论讲授和学生的自主学习相结合，课程主要以学生小组自发讨论学习和创新设计完成斯特林发动机的参数选定、模型设计、图纸制作、自主加工和装配调试等流程。课程激发学生自主性学习方法和团队配合，进一步培养学生的创新设计能力和实践操作能力。

2  创新实训教学内容的设计

设计合理的实训教学内容是整个驱动式教学的关键，实训内容的好坏直接影响教学结果。标准决定质量，实训内容应该紧扣学生所学内容，要合理的将专业课理论知识与实训课程结合起来，制定可行的符合实际的教学内容，不能只是走过场，并且能充分激发学生的学习兴趣。

基于以斯特林发动机模型[9]作为教改的实训内容，其中满足以下几点要求：

2.1 项目设计的可行性

首先应该和学生课程所学或生活所见的内容相关，使学生有兴趣参与，斯特林发动机作为一种外燃式发动机，其主要原理结构相对简单。比如其中的基本运动原理就是学生熟悉的曲柄滑块机构，这种较为熟悉的主要原理能很大程度上的加强学生的学习动力和自信心。并且学生也能依靠工程训练中心现有条件完成设计和制作。

2.2 项目的难度要合理

进行创新工程训练的年级大多为大二学生，大部分学生都缺少实际工程经验。项目过难或者过低都会降低学生学习的积极性，达不到教学目的，不利于培养学生的工程能力和创新能力。

2.3 综合能力的体现

以前工程训练内容是制作榔头，尺寸形状唯一，学生只需要按部就班的跟着步骤完成即可，没有自我发挥空间。基于斯特林发动机的创新实训项目需要学生每个人参与其中，每个除了完成各自分配好的工作，还需要充分发挥自主学习能力，通过查阅资料和讨论，完成产品的设计和加工。每一台完成的产品都体现不同小组学生的设计能力和工程能力。

以单缸式发动机为例，斯特林发动机模型主要包括配气缸体、配气活塞、工作缸体、工作活塞、传动连杆、配重部件、支架、底板和其他标准件。学生通过分组设计并加工，最后目标是成功运转。教学任务过程中，模型制做难度不高，如何成功运转就需要学生学会发现问题并解决问题，也是本次教学任务的难点之一。

3  创新实训教学实施方式

教学内容改革主要是通过加强设计与制造相结合，以斯特林发动机模型为载体作为综合创新实训项目课程的教学任务和目标，在教学实践过程中将实训内容与专业课程的知识紧密结合。图1是综合创新实训的流程图。

按照“项目驱动式”的工程训练新模式的要求，将整个实习过程分成两个阶段，第一阶段是常规的工训实习阶段，要求学生将多种加工制造设备或方法逐个学习实践，掌握各个加工设备的基本操作。第二阶段为综合创新实训阶段，将制作斯特林发动机作为实训任务，学生根据分组完成斯特林发动机的设计和制造。整个实训环节与专业课程紧密结合，并与第一阶段的常规实训任务相互联系。以下是综合创新项目的实施过程：

①项目阐述，由教师在课堂上介绍斯特林发动机的基本原理和结构类型。分析发动机中典型零件的工艺要求，提出发动机中设计和加工的难点。

②分组方案设计，一是收集资料和设计方案，这一阶段与小组指导教师进行交流讨论确定方案，教师需要从设计和制造两个方面去检查方案的可制造性与创新性。主要是确保方案能够在工程训练中现有设备下能够制造并且优化设计方案。二是利用线下自主学习绘制三维模型，并通过CAE分析检查方案机械结构可行性。由于实训时间有限，大二年级学生专业基础有限，所以工程训练中心提供部分参数作为设计依据，适当降低实训任务的难度。这一阶段指导教师将定期和小组成员交流讨论，保证在制造阶段有成型的设计图纸。

③综合制作阶段，要求小组分工详细，每个学生明确各自的工作任务，并根据实际的工种进行学习训练，在工种统一训练结束后完成各自小组的设计零件，最后进行装配调试。这一阶段要求学生与指导教师充分交流确定各个零件的加工工艺和原材料，对应学生需要充分学习实训工种的基本操作，完成自己规定的零件加工，并保证加工精度。通常情况零件并不是一次加工成功，在制造和装配过程中会有很多问题，比如公差要求或者结构形状。在反复的修改与设计制造过程也锻炼学生的实践操作能力和抗压能力。零件加工完成后小组进行装配调试，成员共同参与，发现问题并及时修改。

④评估阶段，重视小组的答辩环节，各个小组根据完成的实际情况将整个综合创新实训过程进行汇报，实训中心所有老师对各小组成品进行检查和提问，最后进行打分，作为创新实训项目的综合成绩。

4  综合创新实训课程解决的主要问题

基于斯特林发动机的创新实训项目经过17级机械专业学生作为试点，教学实践改革效果显著，解决传统工程训练教学以下5个问题。

①紧密结合理论课程知识体系，融合机械专业多门学科的重点知识理论。整个斯特林发动机从学生自主设计到分工制作并装配的过程中将所学的如工程制图、机械原理、机械设计、金属切削加工、三维建模、互换性与测量技术基础等实际开设课程合理的结合。

②解决以往单一式的工程训练课程模式，将不同工种的训练课程相结合。使得分散实习和集中实习优势互补。并将传统加工设备和先进加工设备相结合，合理利用工程训练中心设备资源。

③建立以學生自主实践为主、教师指导为辅，集中讲解和专门指导相互结合的教学模式，打破以往的教师做、学生看的手把手的上课形式。通过“项目驱动式”教学模式鼓励学生在教师一定的指导下自主设计，分析加工工艺完成加工，激发学生大胆创新和实践的潜能。

④工程训练中心师资队伍的教学能力加强，通过综合创新实训开展，使教师不断强化自身专业的理论知识和工程实践能力，更好地履行教师职责[11]。

⑤通过开展综合创新实训项目的工程训练模式，课程建立完整的斯特林发动机的设计生产制造流程，使得学生更为全面的掌握机械专业的理论知识和实践操作。从一个实际产品最初的设计、三维建模、模型装配和CAE分析再到图纸绘制、生产制造、测量检测以及最后的装配调试。课程难度由易到难，教学内容从理论学习到实践操作，实现学生设计实践能力的逐步锻炼。通过以斯特林发动机为教学载体，构建了较为完整的工程训练课程体系和实践教学体系。使得学生在完成指定的学习任务过程中体会到机械产品的生产过程，提升了创新思维能力和实践操作能力。

5  结语

2018年的全国高等学校本科教育会议上，教育部部长就提出了要适当对大学生“增负”，提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度，扩大课程选择性，激发学生的学习动力和专业乐趣。工程训练中心作为学生实践的重要基地，需要积极推进“新工科”的建设要求，通过构建项目驱动式的工程实训课程，结合基于斯特林发动机的综合创新实训的教学内容，将原本分散独立的工种紧密结合，合理利用了中心已有资源，并与专业理论课程相联系，使理论知识和实践操作有效的整合起来。激发了学生自主学习动力和兴趣，培养学生在实际设计生产过程中发现问题、分析问题、解决问题的工程能力，增强学生的创新意识和实践操作能力，极大的提高学生工程思维，提升了中心应用型人才的培养质量[12]，为培养新工科专业人才做铺垫。

参考文献：

[1]傅水根.我国高等工程实践教育的历史回顾与展望[J].实验技术与管理，2011，28（02）：1-4.

[2]孙康宁，于化东，梁延德.基于新工科的知识、能力、实践、创新一体化培养教学模式探讨[J].中国大学教学，2019（03）：93-96.

[3]吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（01）：1-9.

[4]叶民，孔寒冰，张炜.新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（01）：24-31.

[5]李昕，詹必胜.面向新工科的工程训练中心建设与发展[J].实验室研究与探索，2019，38（07）：249-251，261.

[6]黄荣怀，刘晓琳.创客教育与学生创新能力培养[J].现代教育技术，2016，26（04）：12-19.

[7]吕汝金，魏德强，刘建伟，王喜社.模块化项目驱动模式下工程训练研究探索[J].实验技术与管理，2014，31（01）：184-186，193.

[8]杨斌，王振玉.基于产品的工程训练教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：189-192.

[9]谭德宁，张燕红，魏红梅，张怀刚.一种斯特林发动机的设计[J].新技术新工艺，2019（09）：50-52.

[10]吕海霞，张丽靖，张艳辉，杨志杰，尚龙安.学科竞赛与实验中心教改深度融合的探索[J].实验室研究与探索，2020，39（01）：170-172，190.

[11]朱正伟，周红坊，马一丹，李茂国.面向新工业革命的工科教师专业发展新阐释[J].高等工程教育研究，2019（02）：79-85.

[12]章宗标，金林樵.以应用能力培养为核心 学科竞赛为导向 加强实验教学示范中心建设[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：151-154.