成形制造实践教学平台规划与建设研究

高党寻，姚启明，杨建新，彭世广

清华大学 基础工业训练中心，北京 100084

0 前言

成形制造是先进制造技术的重要组成部分，对一个国家的安全和经济繁荣极其重要，是衡量一个国家制造技术水平和能力的重要标志，在我国许多关键制造业中发挥着不可替代的作用[1]。近10年来，我国制造业已形成一定的产业规模，成为名副其实的制造大国，但还不是制造强国。必须加快先进制造技术的发展，提升制造业核心技术和高端制造水平的竞争力，培养大批适应新制造领域要求的高素质创新型、应用型人才。作为高等工程教育重要承载之一的基础工业训练中心，实践教学平台对学生更好地掌握成形制造技术具有不可替代的作用[2]。建设教学体系完善、实践项目丰富、实践设备先进、具有多层次的高素质教学队伍和科学信息化管理的成形制造实践教学平台，是符合国家人才培养政策的重要举措[3]。

1 成形制造实践教学平台功能定位和建设原则

1.1 平台功能定位

成形制造实践教学平台依托中心成形制造实验室，是中心工程实践教育基地和双创教育基地的重要组成部分，平台功能如图1所示，针对成形制造技术开展本科学生工程训练实践教学和创新创业教育，研究成形制造过程中的科学和技术问题，并服务于开放院系的科研加工以及各项学生科技大赛活动。成形制造实践教学平台应突出系统性和先进性，能够在行业内起到示范引领作用。

图1 成形制造实践教学平台功能定位Fig.1 Function orientation of practice teaching platform for forming manufacturing

1.2 平台建设原则

在中心远景发展规划的指引和领导下，努力建设一个先进、开放、高效的成形制造实践教学平台势在必行。实践教学平台建设必须与高校的人才培养目标、学科发展战略以及当前社会发展形势相适应。其建设过程应遵循以下原则：

①以中心“十四五”规划为基调，建设以基础训练及面向“中国制造2025”的系统化工程实践教学平台。

②以课程教学为核心，开发系统化、可操作、体验度好、灵活性强的实践教学内容[4]，搭建以多工艺、多工程、多案例及思政课堂为主的实践教学平台，课程内容除服务于本中心，同时也应服务于校内其他院系，形成高度融合格局。

③以学生为主体，能够满足不同学科背景、不同层次学生的实践教学要求。

④平台建设要涉及主要成形制造方法，从软硬件设施、运营机制、科学研究、环境等多个维度开展。

⑤将成形制造的系统建设融入双创教育及校级机电科研服务平台中，建设开放的教学体系和服务平台。

⑥能够紧跟企业生产实际，实现工业级水准，打造校企融合的发展路子。

2 成形制造实践教学平台资源建设

2.1 平台资源构成

成形制造实践教学平台现有面积约1380 m2，仪器设备240台（套），其中单件30万元以上的大型仪器设备12台（套），固定设备资产总值（原值）1900多万元。成形制造实践教学平台下设铸造、锻压、焊接、弧焊机器人、热处理、碳立方6个主题实验室，如图2所示。

图2 成形制造实践平台资源构成Fig.2 Resources constitute of practice teaching platform for forming manufacturing

上述6大主题实验室是成形制造实践教学平台的重要组成部分，是构成实践教学平台的有机单元，其面向特定的成形制造方法，具有各自的功能和特征，实验室之间相互融合，共同组成成形制造实践教学平台。目前的软硬件配置、教学课程、双创项目等教学资源基本实现了优化配置。此外，平台与中国铸造协会，BREUCK 3D公司共建了艺术铸造工作坊及全三维智能制造联合研究，致力于在艺术铸造、钛合金及记忆合金方向共同研究，其研究平台及成果应用于实践教学、创新教学及平台对外服务。

2.2 平台硬件建设

建设与教学目标、课程体系和教学内容相适应的实践教学平台硬件设备是实现实践教学平台功能定位，提高工程实践教学质量的基础和有力保障[5]。

以弧焊机器人实验室为例。实验室主要针对先进焊接技术开展工程训练实践类教学，可以使学生了解现代制造业中先进的机器人焊接应用技术。实验室拥有3个弧焊机器人工作站，6台机器人，简称“6机3站”，包括1个双机器人协同工作站（可完成卡车后驱车桥的模拟焊接）、1个单机器人工作站和1个多机器人弧焊工作站，如图3所示。这样的硬件建设主要是给学生一个更加真实的工程背景。弧焊机器人实训室每年完成将近1 700名本科生的实践教学，主要承担低年级本科生金工实习、高年级专业基础实验课，以及相关选修课的实践教学环节。实践类课程的学生主要在实验室进行基础编程和弧焊应用等方面的训练，基础编程主要完成系标外轮廓在线示教自动运行，弧焊应用要完成1个典型构件的焊接，总之通过环节设置要拓宽学生对焊接技术在机械化、自动化发展方面的了解以及对数字化制造的认知。

图3 弧焊机器人实验室规划Fig.3 Planning graph of arc welding robot laboratory

此外，通过不断优化实践教学体系，依托焊接实验室的实践教学，提升先进焊接技术的融入比，与原有的传统焊接形成手工、机械化、自动化、智能化的成体系的教学平台及方案布局。以工业机器人为载体，在此基础上搭建焊接质量管理系统、免示教智能焊接系统，以及开发离线编程和虚拟仿真技术，进而构建先进焊接技术平台，通过教学开发探索数字化、智能化的焊接实践教学内容及成体系化的焊接实践教学模式。最终丰富实践教学的内容和模式，更好地为人才培养服务。

其他实验室均是以上述原则进行硬件建设，紧密围绕课程及教学要求，体现先进性、引领性和科学性。如铸造实验室在传统的砂型铸造实践平台基础上，融入消失模铸造及精密铸造，既有手工实践中的出力流汗、磨炼意志，也有消失模铸造中的机械化制造和精密铸造中的先进铸造方法和工艺。同时，平台在规划过程中将精密铸造与3D打印、虚拟仿真、逆向扫描和数控精雕以及木工进行了有机融合，如此，教学平台能够打破专业限制，不仅增强了课程综合性和设计性，也是推进创新实践教学改革的一个重要尝试。

2.3 教学队伍建设

成形制造实践教学平台之所以取得一系列成果，得益于长期重视师资队伍建设。近年来，平台创建了一支身兼教师、工程师和技师的三师型师资队伍，实现了教学、科研、开放服务相结合的可持续发展机制。各实验室组织考察交流，鼓励一线教职工积极参加工程实践和研究，举办教学和学术交流，制定科学有效的激励政策，创造有利于一线职工成长的晋升环境和教研氛围，同时也增强教学队伍的工程意识和工程教育能力。此外，通过强化上岗培训，举办教学技能比赛，提升岗位能力。目前，成形制造实践教学平台教师总人数14人，其中，副教授1名、高级工程师1名、高级技师1名、工程师2名、技师2名、其他技术人员7名。

2.4 平台管理机制建设

成形制造实践教学平台将依托在建的中心信息化管理平台及校内设备开放平台，对实践教学安排、过程、安全及平台硬件设备预约与使用等各个环节进行科学有序地管理。此外，平台内部也形成了自身应对实际问题的一系列管理举措，如各实验室行为细则公约、实验室材料采购及科研服务流程试行方案、实验室用气瓶的安全管理、实验室科研加工收费标准及明细等，最终形成与成形制造实践教学平台相适应的、能够应对众多管理问题的平台管理机制。

3 成形制造实践教学平台教学建设

成形制造实践教学平台以优质实践教学资源为基础，创建了集工程训练、工程文化素质训练、跨院系专业课实验、基础课选修为一体，以模块化训练、项目导引案例实践为基本特征，服务各教学单元及院系的实践教学课程体系，并且训练中心探索将创新创业教育融入工程实践教育，创建了“面上普及、重点提高和综合创新”的分层次创新实践教学体系。

成形制造实践教学平台在国内高校率先探索，使工程实践成为理工与人文社会学科交叉与融合的重要结合点。面向全校多个院系，开设近10门实验、实习课程，其中3门国家级精品课程，如图4所示。平台通过系列实践课程，服务校内、北京市和全国的各类创新赛事和创新实践活动，成为清华大学培养拔尖创新人才的不可或缺的重要平台。

图4 成形制造实践教学平台支撑课程Fig.4 Courses of practice teaching platform for forming manufacturing

在教学内容方面，平台从理念先进性、技术领先性、系统完备性、模式灵活性、知识融入性、思维启发性、实践落地性等多个维度，全方位打造基础训练与面向“中国制造2025”的系统化实践平台，形成以项目制、产品导引和任务驱动为特征的教学内容。实现对学生系统化工程思维、综合工程实践能力，以及工程素质的全面培养。近年来，清华大学着力推进德智体美劳五育并举，在劳动教育方面充分利用课程教学这一育人的主渠道进行推动。训练中心作为全校最大的工程训练实践基地，在劳育方面具有先天的属性优势。成形制造实践教学平台依托项目内容，通过借助工程案例、人物故事、当前社会热点和教师自身素养传达思政观点。广泛寻找制造工程与思政元素的“植入”点，增强课堂渲染力，潜移默化中影响学生的思维和行为，引导学生树立正确的劳动意识，从而将思政元素的育人功能与学生实践教学进行有机结合，最终由点带面、“润物细无声”地达到价值塑造的目的。

4 结论

成形制造实践教学平台是清华大学基础工业训练中心教学平台的重要组成部分，对人才培养、科学研究及开放服务具有重要现实意义。本文从平台功能定位和建设原则、平台资源建设、平台队伍及管理机制、教学建设4个主要方面进行了规划和总结。立足于科学的构建，成形制造实践教学平台将全面把握“十四五”时期发展的新任务新要求，坚定不移地贯彻中心的发展理念，构建平台新发展格局，不断物化新举措，积极开展平台建设、管理及开放融合工作，努力推进资源共享和优化力量配置，服务院系，不断提升队伍能力，推动平台各项工作的高质量、可持续发展。