应用型本科机械设计能力培养教学改革

张珂　郭长建　郑中华　阎卫增

[摘 要]经过几年来的探索与实践，在机械大类专业应用型人才培养方面进行了深入的改革，实施了一系列行之有效的举措，构建了注重运用数字化设计的以机械设计能力培养为核心的机械工程素养实践教学体系，在课程建设、实验室建设和校企联合培养方面取得了丰硕的成果，是应用型高校全面进行教学改革和实践，满足当前机械行业对人才需求的重大转变，是全方位培养学生的机械设计能力与互联网技术有效对接，形成整体协同推进学生机械设计能力培养的有益尝试。

[关键词]机械设计能力;数字化;教学改革;应用型;本科

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0071-03

随着中国将实现从“制造大国”向“制造强国”的战略转变，特别是国务院发布的《中国制造2025》将制造业作为国民经济的主体，从中国制造走向优质制造、精品制造，实现价值链与产业链升级，与制造技术及其产品的创新紧密相关的机械工程学科将会得到大的发展[2]。社会对于精通现代机械设计、制造、自动化，熟悉工程、精于管理的人才的需求正逐渐增大，而且更加强调机械基础能力，特别是机械设计综合能力，因而具有机械设计开发能力的人才将成为各企业争夺的目标。

机械工程是传统学科、基础学科，也是近年来与高新技术结合紧密的一门学科。机械工程学科是研究机械系统和产品的性能、设计及制造的理论、方法和技术的科学，包括机械学和制造科学两大领域。未来制造业发展的总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化。随着世界制造业重心的转移，我国对机械类专业的人才需求逐渐加大。

技术进步的背景作为高校人才培养方案、培养过程、培养目标改革变化的重要依据，是培养适合的应用型人才的一种有力保证。当前科技的大背景是时代化的，目前各个行业都在进行以网络化、数字化、人工智能为核心的互联网技术深度革命，对技术领域、产品领域都产生了深刻的影响。在此背景下，高校作为人才培养的基地必须结合教学实践、企业需求、时代变化探索人才培养的规律，形成培养模式。 “模式”是指“某种事物的标准形式，或使人可以照着做的标准模式”。培养人才的模式是开放的、动态的、时代的，它需要教育者结合教育实践不断进行教育改革探索，以形成具有实践效果的人才培养模式[3]。

一、当前应用型本科机械专业的变化特点

高等教育以专业为载体进行人才培养目标设置、专业培养方案制定、专业教学过程实施、专业能力达成，培养拥有特定技能及素养的、能够服务企事业单位的专门人才。当前机械类专业较传统专业无论是在培养人才的目标设定、专业的课程体系设置，还是在教学技术运用、教学知识的改变等方面都发生了显著的变化。

（一）从人才的目标设定视角看机械类专业

大多数人才培养的目标表述为：在机械工程领域内，掌握坚实的基础理论和宽广的专业知识;了解机械工程领域的技术发展;掌握工程管理的基本理论与方法，具有较强的解决实际工程技术问题及新产品、新技术、新工艺、新材料和新设备的研制、开发和设计能力;具有运用现代科技成果的能力;具有制造科技及其产品的原始创新意识和独立担负工程技术或工程管理工作能力的高层次专门人才。应用型高校应根据实际情况，坚持以应用为导向，坚持以人为本，坚持以质量为核心，走产学研相融合的办学道路，探索机械工程培养新途径，创建机械工程应用型人才培养新模式和新机制，增强学生的专业应用能力、工程能力和创新能力，提高机械应用型人才的培养质量以及与社会需求的符合度[4]。

（二）从机械类专业的课程体系设置看机械专业

从机械类专业设计到机械相关产品的设计开发、工程制图、工艺制订、材料选型、产品生产加工、产品安装与运行、产品运维及报废等多个环节，主要涉及的知识概况为：以机械设计与制造相关知识体系为基础，深度融合计算机科学、信息技术、智能算法技术、自动控制技术等交叉学科的知识体系，运用互联网技术建构不同于传统意义上的机械产品研发、设计、生产、运行、报废等综合机械行业的知识体系。目前，主要涉及的课程领域为：机械制造工艺学、机械系统设计、机电控制系统分析与设计、机械制造装备设计、数控技术及应用、机械动力学、软件工程、网络技术、多媒体技术及应用、数据库原理及应用、机械创新设计、工业机器人、机械故障诊断学、有限元方法、机械优化设计、工艺过程自动化、先进制造技术、特种加工等课程，这些也是与信息技术、计算机技术、材料技术和新能源技术等高新技术相关的学科技术领域。从应用的特征上看，機械专业更加强调融入数字化、互联网、人工智能等相关的学科，而这个背后的支撑点是机械行业的自动化、智能化、网络化程度的持续发酵而导致的自然状态。

（三）机械类企业生产方式的转变

现代制造企业在产品生命周期概念阶段、开发阶段、实施阶段、收尾阶段等过程中，价值创造链的组织和控制，凭借数字化技术在产品的创意设计、订单获取、研发生产、终端客户交付以及废物的循环利用，无不在发生深刻转变，是一场颠覆式的革命。在这种生产模式下的工程师培养，也必然需要做出改变。

传统的机械类专业人才培养，在制图相关课程上主要是通过手工进行绘图。从目前企业的生产方式来看，机械类的设计及开发主要借助于专门的计算机，在专业化的软件上实现绘图设计开发。相对传统的手工绘图，借助软件进行数字化设计，从模拟手绘到创新视觉感受，从二维到三维，再到引入时间，实现逆向工程技术等，设计的速度、效果都取得了非常大的提升。在此背景下，机械类专业人才培养必须改革教学过程中的设计方法，实现教学过程与计算机科学的深度融合，以提升教学效果。目前，数字化设计主要以三维设计为核心，结合产品中风格曲面造型、设备空间布局、数字化样机评审、人机工程校核等环节，形成一套能够解决实际问题的方案。数字化设计的主要过程有：初步设计、详细设计、设计验证等步骤，这些与后续的数字化制造（实现产品、工艺和资源数据的集约化管理;实现3D工艺规划;实现对生产过程的真实反映;支持工程并行推进）是紧密联系的，在产品设计研发中通过3D CAD技术，在生产加工现场广泛采用自动化设备，这已经是现代机械企业必须具备的基础制造条件。

二、深度嵌入数字化设计的必要性

21世纪以来，在互联网、物联网、数字化、计算化为代表的新技术革命浪潮中，机械行业在快速变革，规模空前，其通过互联网技术中的数据或信息推动着机械产品、服务的多样化、个性化和智能化。当前，在精益生产、智能制造、持续改进等多个方面数字化技术的运用如火如荼，因而在培养机械工程人才方面，引入及深度嵌入数字化设计内容、理念、实践过程具有重要的理论意义和实践意义，是培养高水平应用型人才的必由之路[5]。

数字化设计是在信息论、系统论、控制论三个领域同步发展推动互联网技术快速发展的时代背景下进行的。数字化设计的核心是數据，在数字化设计的领域内，一切产品都是数据，通过数据表示信息，并通过人机工程实现数据在人与计算机之间的沟通交流。做好数字化设计的关键也在于数据[6]。数据不是凭空产生的，从现在互联网技术在各个领域的应用来看，其本质都是不同领域的数据在计算机和互联网技术条件下，开展的各类数据存储、传输、交换、交互、更新。不同领域的数据产生的条件是不同领域的知识数字化的过程。因而，从机械专业来看，达到较好的数字化设计能力，首先需要具备较好的机械设计知识，其涉及的主要课程为理论力学、材料力学、机械设计原理、机械设计方法、机械设计制图、机械动力学、结构设计等。其次是将这些知识运用到实际的案例中，解决实际的问题。这个涉及公差与配合、工程材料、控制工程基础、机械制造工艺学等知识。最后是互联网的技术，只有拥有较好的互联网技术，才能利用互联网获取信息、使用信息，其主要涉及计算机基础、各类设计、仿真、计算软件的使用。

三、深度嵌入数字化设计的机械设计能力培养模式探索

上海应用技术大学机械工程学院嵌入数字化设计工具的人才培养探索主要有如下要点：强化学生基础机械知识;重点与广泛学习各类设计软件相结合。其具体按照下面这个流程图开展教学活动。

机械工程学院在开展应用型本科机械设计能力培养教学改革的具体做法如下。

（一）强化机械基本素养的提升

在机械专业课程教学体系的知识传授、价值引领、实践指导中，增强学生创新意识、创新能力、工程设计能力、工程实践能力的培养。主要在课程设计、毕业设计、课程实验、随堂测试等教学环节中嵌入能力的培养，植入机械知识点的相关问题，培养学生观察工程实践、分析工程问题、利用专业知识分析研究判断问题的能力;在准现场或模拟现场中，让学生近距离观察问题、剖析问题、讨论问题，提高教师传授知识的效果，鼓励学生主动、自主学习。学生在机械加工的各种场所下，在机构设计、零部件组装、工件制造、各种工序的半成品;在刀具、夹具、量具等生产要素中掌握了机械的相关知识，这为学生进行数字化设计提供了基础知识。

（二）建立校企联合实践基地

为弥补校内机械实验的不足，学院积极寻求与长三角相关企业的合作。学院与中小企业紧密合作，现已与上海三强不锈钢容器有限公司组建高效混合技术开发实验室;与上海维岳自动化科技有限公司组建机械工程故障诊断技术开发与应用实验室;与常州常超电子研究所有限公司组建无损检测实验室等。通过校企联合实践基地，给学生提供更广阔的平台，让学生拥有实践条件，丰富学生数字化设计的现场元素及设计感觉，为学生数字化设计提供软件、硬件、工况的支持。人才的培养以专业为载体，作为专业划分的一个重要依据是企业的需求。应用型技术教育做得比较好的国家，比如德国的人才培养就非常重视企业。“德国应用技术大学培养模式的特点有两个方面：一是根据企业需求设置专业;二是突出实践性教学。”[7]在校企合作中嵌入数字化设计是机械类人才培养的一种需要和保证。企业作为需求方，学校作为供方，只有互相沟通，才能更好地在互联网技术的浪潮下开展学生的数字化设计能力提高活动，提升学生的机械设计能力、机械制造能力，从而推动应用型机械类人才培养的教育教学改革，并取得较好的成果。

（三）紧密结合机械工程学科，大力发展数字化设计

学院不断丰富学生的实践教学，根据学术发展前沿、企业生产现状及趋势，充分打通教学与科研之间的藩篱，根据不同层次的学生需求，在学院现有实验设备条件下，搭设适应不同能力学生发展的实验条件，协同推进学生的数字化设计能力。学院坚持发展机械工程硕士学科，大力建设实验室，目前配有Solidworks、NX、CAD/CAM、Ansys等三维设计制造软件、逆向工程软件Geomagic等，有意大利FIDIA五轴加工中心、美国Hardinge四轴加工中心、数控车削中心、数控电火花加工机床、三坐标测量仪、数字化三维扫描设备，电磁轴承系统及其控制系统，实时图像采集分析仪、高速摄像机、智能检测开发平台、二维粒子图像测速仪、自动光学轮廓仪、自动影像测量仪，压电式三向测定仪、电子万能试验机、ABB工业机器人、液压机械手控制系统等。当前机械工程学院的实验设备基本上都与数字化、计算机技术、网络技术等相关，通过灵活地开展相关实验，让学生学会使用各类制图软件、设计系统、装配技术以提高学生的机械工程设计能力。

四、结论

机械类应用型人才培养存在的问题有传统培养方式与现代互联网技术不能较好形成协同推进作用、培养目标与企业需求存在差距、培养质量与企业标准不一致[8]。机械类应用型人才培养必须在传统的人才培养过程、方式、目标上，结合当前网络化、信息化、数字化的大背景，采用新的教学技术，重点发展具有时代意义的数字化设计能力，其根本目的是使学生在基本技能的全面掌握、灵活运用、适时创新等方面有所提高，帮助学生成长成才。

作为以培养高级应用型人才为主的应用型本科院校，上海应用技术大学机械工程学院自成立以来，针对机械大类在读本科生的机械设计能力培养，在网络化、信息化的背景下，运用互联网数字化设计，在教学实践中运用“嵌入数字化设计工具”的实践教学模式，以激发点、系统化、全方位培养和锻炼学生的机械设计能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 中国社会科学院语言研究所编.现代汉语词典[Z].北京：商务印书馆，1981：791.

[2] 李永梅，钱茹，张卫芬，杨星星.“中国制造2025”下应用型本科机械专业教学体系研究——以东南大学成贤学院机械专业为例[J].装备制造技术，2018（1）：156-158+176.

[3] 吴国兴，范君艳，樊江玲.智能制造背景下应用型本科机械类专业人才培养[J].教育与职业， 2017（16）：89-92.

[4] 尚锐.应用型本科教育培养途径的探索——以机械设计制造及其自动化专业机械设计方向为例[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2017（6）：99-101+104.

[5] 刘姣娣，许洪振，袁昌富.面向卓越工程师数字化设计能力培养现状与对策研究[J].教育教学论坛，2018（18）：215-216.

[6] 范彩霞.机械专业数字化设计制造能力培养的探索——以黄河科技学院为例[J].中国电力教育，2010（19）：32-34.

[7] 陈杰菁.德国应用技术大学培养模式的研究及启示[J].工业和信息化教育，2013（9）：60-63.

[8] 牛宽，朱艳茹.应用型本科人才培养模式研究——以机械电子工程为例[J].教育教学论坛， 2018（23）：209-210.

[责任编辑：陈 明]