基于工程教育专业认证的金工实习教学改革研究*

伍文进 ，徐玮玮 ，徐中云

（徐州工程学院江苏省大型工程设备装备检测与控制重点实验室，江苏 徐州 221008）

“金工实习”是一门面向工科类专业本科学生开设的实践性公共基础课程。它既是机械类专业学生学习力学类、机械设计类和机械制造工艺与装备类等课程的先修课程，又是各工科类学生学习机械工程知识，培养实践动手能力、提高综合工程能力，培养工程情感、态度和价值观不可缺少的实践环节[1]。2016年6月，我国正式加入工程教育本科专业认证的国际互认协议——《华盛顿协议》，此举标志着我国迈向了按照国际标准培养工程技术人才的新征程[2]。徐州工程学院工训中心从社会对创新型人才培养的实际要求和工程教育认证标准出发，提出了以产品为载体的金工实习教学模式，通过两年的改革实践，在该校“材料成型及控制工程”专业认证过程中，改革成果获得了专家的一致好评。

1 传统金工实习教学模式的弊端

1.1 教学理念传统，课程内容陈旧

多年来，实践课奉行“训练就是练习操作，只要照葫芦画瓢，按图纸加工出来，就完成目标”的传统实践教学理念[3]，金工实习课程内容，基本按照如表1所示的工种顺序进行实习，教师提供既定图纸，加工材料由教师指定，加工工艺完全由老师安排，学生只是按照老师的演示和指导依葫芦画瓢的方式做了一遍。这样的实践理念与教学内容使得各工种指导教师各自为战，各工种训练的工件之间也没有任何关联，仅仅培养了学生的劳动意识和基本的设备操作能力。

表1 金工实习项目一览表

1.2 师生比偏低，安全意识淡薄

工程训练中心师生比偏低，这是高校存在的普遍现象，特别是隶属关系为二级学院的尤为严重，如此低的师生比，对安全实习是极大的挑战。每个班级实习前只进行简单的实习动员和安全教育，由于未对安全教育知识严格考核，安全知识没有真正做到“入脑入心”，导致实习过程中，不文明实习及违规操作的现象常常出现。同时，微课、慕课、金课的出现，教务部门将部分理论课时大幅缩减，为了完成教学工作量，课内实验课和认识实习、专业综合训练等实践课程也由理论教师授课，而理论教师对实验实训设备的熟悉程度远不及实践教师，甚至有的现学现卖，学生对实验实习过程中安全操作规范理解不透彻，导致损坏实验设备甚至引发事故的现象频频出现。

1.3 教学考核机制落后

如图1所示，实习教学过程通常先进行通识安全教育，然后直接进入到各工种的基础实训中，各工种指导教师根据学生在本工种中的实习表现和工件的加工质量评分，再结合实习报告得分（几乎为抄写），按比例进行汇总得出实习总成绩。

图1 传统金工实习教学模式框图

综上所述，通过这样的训练，学生熟悉了各设备适合加工什么类型的工件，及部分机械设备的具体操作方法，而对工程项目的需求分析、开发设计、质量保证、环境保护等几乎不了解，也不追究工件未能达到图纸要求的原因，甚至实习结束后学生也不了解零件的技术要求、公差要求及零件的装配工艺等，更不清楚各工种之间的联系，这样只是按照老师的演示与指导被动地模仿与吸收的实践模式，实习效果自然可想而知[4]。另外，不同专业类的实习目标没有按照专业特点来设定，机械类、近机类、非机类学生实习内容几乎一样，只是时间长短不一，无法体现学生的专业特长，很难激发学生的主动性、积极性与创新意识。因此，这样的模式已经不能完全适应现代工程技术发展对人才培养的要求，更不能培养出能驾驭未来智能制造发展方向的卓越工程师[5]。

2 以产品为载体的金工教学模式改革与实施

2.1 制定新课程目标

按照工程教育专业认证要求的重视培养学生动手能力和对工业企业适应能力的指导思想，工程训练中心以材料成型与控制工程专业认证为契机，制定了以工程教育认证指标体系为指导的课程目标，如表2所示。

表2 课程目标与毕业要求的关联矩阵表

课程目标1：熟悉传统加工设备、数控加工设备的类型、特点和技术指标；掌握设备的结构原理与安全操作规范，能够用所学工程基础知识设计并确定加工工艺方案，了解工艺参数对加工工件的影响规律，具备设计、制定加工工艺卡的初步能力。

课程目标2：能够理解并遵守机械工程职业道德和机械行业规范，培养学生的事业心、使命感和务实精神，增强职业适应性，缩短自我追求和社会需要的差距。

课程目标 3：以小组为单位开展创新加工，明确分工，合理协调，通过资料收集、工艺设计、装配分析、成果汇报等环节，提升团队协作、人际交往和组织协调能力。

2.2 构建以产品为载体的教学改革体系

按照课程目标，中心建立了基于开源FDM 3D打印机设计制造的实训机制，按照分层次、模块化、综合式、开放型的教学改革思路，构建以学生为主体的“四个层次”的金工实习教学体系，如图2所示。分设了安全教育、基础实训、综合实训、拓展实训等各个实训环节。具体实施时以FDM 3D打印机产品为最终目标，学生先了解该产品的具体功能，再分析各零部件之间的相互关系和各零部件工艺要素，然后分组完成零部件的制作，最后完成对该产品的装配。整个过程以教师为指导，以学生为中心，强调以学生的主动学习为主，鼓励自主探究，激发和支持积极思维，同时鼓励对学习内容和过程的反思[6]。

图2 以产品为载体的金工实习教学体系框图

选择FDM 3D打印机作为教学载体，主要有以下几个方面原因。1）FDM 3D打印机适用范围较广，在机械、食品、建筑、艺术、环境等方面应用尤为广泛，多数学生早已耳闻，但对设备工作过程和原理了解较少，开展这样的产品实习可激发学生的好奇心与学习兴趣。2）由传统的演示+训练教学方式转换为引导式教学方式，激发学生学习的主观能动性，将所学到的理论知识更好地与实际产品生产进行结合、验证、优化[7]。3）FDM 3D打印机零件种类繁多，涉及板材、型材、轴类等方面的加工，学生可分组讨论、加工、反思，能够大大增强学生的责任心，可有效锻炼学生的团队协作精神和组织管理沟通能力。4）随着国外3D打印机技术的开源化，有兴趣的学生可进行持续性学习与提高，并有可能在不久的将来成为高新技术创业者。

2.3 新教学体系的具体实施措施

2.3.1 安全教育阶段

安全教育是高校金工实习课程的重要环节，安全意识既是完成实践任务的基本保证，也是工程技术人员应具备的一项基本素质[8]。如图3所示，安全教育内容涉及通识安全知识、机械加工车间安全知识、设备安全操作规程三个方面，采用线上自主学习、线下面授相结合的方式进行学习，内容学完后应在规定时间内登录“实验室安全管理系统”进行线上考核，考核合格者方能进入实训场地。

图3 安全教育阶段

2.3.2 基础实训阶段

该阶段以培养学生初步工程能力和基本的工艺技能为主要目标，培养学生熟悉或掌握基础工程制造技术的基本能力。教学内容上设置车、铣、刨、磨、铸、焊、钳等传统工种及数控车、铣、加工中心、线切割、激光加工、快速成型等现代制造工种的基本理论和基本操作技能，如图4所示。

图4 基础实训阶段

2.3.3 综合实训阶段

该阶段安排在基础实训之后，依据选定的开源3D打印机进行产品设计（改进）、工艺选择、加工制作、机械装配、电子装配、调试检测等，考虑到专业类别，其中部分内容仅适用于机械类和近机类，如图5所示。

图5 综合实训阶段

1）产品设计阶段。该阶段主要适用机械和近机械类学生，学生依据现有的开源3D打印机产品，如图6所示，和中心现有硬件设备资源，运用SolidWorks软件进行零部件设计、虚拟装配、干涉检查，确保产品设计的合理性和正确性。最后生成3D渲染图，如图7所示，和各工种加工所需二维工程图纸如图8、图9所示。

图6 开源3D打印机外观

图7 改进后的3D打印机外观

图8 铝合金散热器二维图（数控车）

图9 热床支撑板二维图（激光）

2）工艺阶段。该阶段主要引导各专业学生对每个零部件进行具体工艺分析，选择对应的加工设备和相关的工、夹、量具等，制定较为合理的加工工艺路线。在工艺选择的过程中，将学生分为若干小组，小组内每位学生均须参与讨论，制定出本小组认为最合理的加工工艺方案，如表3所示。教师在此过程中可提供技术性指导，并对学生讨论过程中产生的分歧进行具体协调，鼓励学生大胆进行创新。

表3 工艺划分与设备选择

3）加工制作阶段。在加工制作阶段，各小组根据工艺方案进行分别加工，从而提高加工效率，按时完成产品制造任务。在加工时，各小组成员一定要得到教师允许方可独立操作，其间不得离岗，如遇特殊情况需离开，必须报告指导教师。对操作者要求较高的工种，实习指导教师须全程陪同直至操作完成。

4）机械装配阶段。零件加工完毕后即可进行装配，在此过程中，出现的诸如干涉、孔偏等原因导致的装配问题，要分析原因所在，必要时向教师请求帮助，小问题通过钳工工艺修正，修正不了的重新加工，直至最终完成装配任务。

5）电子装配阶段。该阶段仅适用于机械类和近机类，是将电源、控制板、电机、风扇、温度传感器、显示屏等电子器件进行连线，通电前一定要通过万用表等仪器进行线路检测，尤其是电源部分的检测，防止烧毁电子器件，造成不必要的损失。

6）产品调试阶段。该阶段可分为功能性测试和精度测试两个过程，功能性测试主要检验产品是否牢固、运动方向是否正确、挤出头与热床加热是否正常等；精度测试主要对尺寸误差和形状误差进行检测，当功能与精度符合预期的情况下视为完成产品实习任务。

2.3.4 拓展实训

针对不同专业类兴趣浓厚的学生，可在综合训练后设置一些拓展实训环节。如图10所示，艺术类专业可设置3D打印机外观改进设计实践；管理类专业可设置3D打印机营销管理推广实践；电子类专业可设置3D打印机PCB板的优化、改进实践等。

图10 拓展实训

3 教学模式改革成效

3.1 使学生受到系统的工程实践训练

实训前，通过三级安全教育，签订安全承诺书和安全知识的考核，使学生的安全意识增强。在实训过程中，有计划、分层次、分阶段、能力递进进行培养。通过一个完整产品的设计、零部件加工、装配等将各工种串接，使学生清楚了解各零部件之间的公差关系、精度要求、装配关系，从而使训练更加切合工程实际，提高了学生的现场应用能力。通过产品实训过程中的分工合作、进度控制、问题解决等一系列事件处理，培养了学生严谨的工作态度和团队协作精神。

3.2 使学生得到可持续的培养和提高

拓展实训环节属于个性化教育，针对不同专业类兴趣浓厚的学生而设置，教师录制的高质量微课，可辅助学生学习和创新。不同专业类的学生，可根据自己擅长或兴趣方向，选择某一拓展项目延伸学习，同时可参与老师科研项目或自由组合申报创新创业实践项目。通过这样有深度的训练，不同专业类的学生能够把学到的专业理论知识和金工实习时学习的独立的、离散的工程实践单元相结合，从而将它们有机串接和高度糅合，真正做到有利于综合能力的培养和创新思维的训练[9]。对个人能力较强的学生，可参与到产品的底层开发，并可申请发明专利，同时原创产品可参加校级、市级、省级、国家级各类竞赛，从而使学生在大学整个阶段持续不断地将工程实践与专业理论相结合，使学生的自主学习能力、实践能力、创新能力与工程应用能力得到持续性的培养和提高。

3.3 明显提升了学生学习的积极性

实习开始前，教师通过展示曾参加仪器设备展上留存的各类3D打印机设备图片或打印过程视频资料，把学生带入问题情境、应用情境、直观情境、虚拟情境、创作情境，以激发学生的研究兴趣和潜能[10]。分组讨论与加工合作，使学生学习的主观能动性得到充分调动，学生对自己所学专业方向有了更加清晰的认识，为了解决在实训过程中发现的问题，学生会主动查阅资料，然后再实践，直至问题解决为止，大大调动了自身学习的积极性。

3.4 极大地提高了教师理论与实践水平

实习过程中，教师全程参与学生讨论，跟踪学生设计制作中出现的问题并进行指导。在一个产品为载体的成功案例基础上，教师可开发出更多的适合校情的教学载体，如写字机、激光微雕机、雕铣机等，不同专业班级可选择自己感兴趣的项目，甚至可以根据教师的研究方向选择指导老师，进行个性化实习教育，提高实习效果。在这样的良性循环下，有利于教师理论与实践水平的提高。

4 结语

在工程教育认证背景下，以产品为教学载体，按照“安全教育、基础实训、综合实训、拓展实训”四个层次进行教学计划的制定和实施。使不同专业类的学生作为学习的主体真实地参与整个制造过程，并把专业理论知识和金工实习中独立的、离散的工程实践单元相结合，将它们有机串接、高度融合，贯穿于整个大学阶段的工程实践教育过程。实践证明，基于产品的工程实训教学模式提高了学生的学习兴趣、自主学习能力、实践能力、创新能力与工程应用能力，教师在不断开发新的教学载体的过程中也提高了理论与实践教学水平，推动了金工实习课程健康、稳步、良性发展。