智能制造与机械制造实习课程改革

施吉祥，陈大林

(东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)

为了解决传统制造业面对的市场竞争激烈、客户需求动态变化、机床设备故障突发、生产效率低下、智能化程度低等一系列问题，各国都将智能制造作为制造业发展的未来[1]。2015年我国提出了“中国制造2025”[2]，2018年美国国家科学技术委员会下属的先进制造技术委员会发布了《先进制造业美国领导力战略》。在此背景下，加强智能制造人才队伍建设，促进大学生智能制造综合能力成长，打造新型复合型人才，在理论与实践等层面开展智能制造相关课程教学，培养智能制造创新型专业人才，就显得非常迫切[3-4]。

为了避免传统实习课程中的演示型或者验证型实习，彻底改变以往实验指导老师预设实习项目、设备、图纸、步骤，被动灌输式的实习课程教学，打造以智能制造人才为目标的实习课程，提升学生的思考和创新能力，本文提出基于智能制造平台、开展机械制造实习基于项目的教学改革，为多层次开展智能制造人才培养提供一种新的可行思路。

1 机械制造实习课程的现状

机械制造实习是机械类专业的一门重要专业课。课程融合了机械制造基础实践和先进制造技术工程实践，进行机械制造基础的基本技能训练、综合能力训练和创新基础训练，并与生产实际紧密结合。其实践性较强，能在很大程度上锻炼、提高学生的工程实践动手能力和工程意识、创新意识[5]。

实习教学中，单一工种会根据各自特点和要求分配课时，进行综合训练，强化该工种的操作技能及能力。机械制造实习课程培养了学生综合运用现代制造知识的能力和创新实践能力，但由于多种原因，现阶段的实习教学中也同时存在一些问题：

1)智能制造模块缺失，模块缺乏关联性。

机械制造实习课程对智能制造的概念、设备及技术介绍较少，偏向于传统工种实习，不利于培养智能制造技术人才。同时实习模块之间没有关联性，已经完成的实习工件被束之高阁，工件存在“断流”现象。比如：在普车工种实习中，阶梯轴是实习课程多年来一直使用的实习件，但是阶梯轴零件在其余工种中都没有被使用。这种现象既造成了实习材料的“浪费”，也不利于充分调动学生的学习兴趣与学习主动性，影响了对学生的综合工程训练能力的培养。

2)教学模式单一。

目前实习教学的教学模式以教师为中心[6]，对学生还是手把手的示教指导教学方式，忽视了学生学习的主动性、积极性与趣味性，影响教学效果。另外，对于不同专业背景的学生，教学内容与教学安排单一，没有体现教育的层次性与针对性，“吃不饱”与“吃不下”现象共存，严重影响学生的学习创造性。

3)对实习教学重视度不够，实习内容更新不够及时。

部分师生认为实验实习无关紧要，仅把实习教学看成是理论教学的补充。教师对实习教学方法优化、项目创新投入程度不足，甚至部分教师的教案、实习件多年来都是一模一样；面对实习课程，多数学生缺乏学习主动性。

4)实习课时数不足。

现阶段由于大学课程学分制的实施，机械制造实习课程的课时被压缩。这带来两个矛盾：首先是实习课程教学目标与实习学时数不足的矛盾，导致了部分工种实习课程开展不够深入，浅尝辄止，既影响学生的学习兴趣，也达不到较好的教学效果。其次是影响了教学方案的修订，引起实习工种全面覆盖与良好实习效果之间的矛盾，工种的全面覆盖势必影响单一工种的实习时长。依靠传统的单一工种都分配课时的教学方案，两者都无法兼顾。

随着当前社会对智能制造工程人才的新要求，机械制造实习课程的改革迫在眉睫。为了促进教学与培养创新型人才，探索、开展对机械制造实习课程的教学改革就显得非常有必要。笔者考虑引入智能制造平台，开展基于项目驱动的机械制造实习课程改革，提升实习项目的趣味性和知识性，激发学生学习的主动性。

2 项目驱动教学法

项目驱动教学法起源于20世纪80年代，很多国家都对其展开了探索与实践[7]。美国从1998年开始实行项目驱动教学法；2003年7月，德国联邦职教所倡导运用项目驱动教学法，把学习过程分解为一系列工程实践，划分为一个个项目，并设计出对应的教学方案，使学生的学习活动与项目融合，学生既可以在实践中学习、获取知识与技能，同时他们的职业能力、问题解决能力、与人协作的能力也不断得到提升；英国也将项目教学法应用于职业技术教育中。我国部分学者[8-9]在电气、体育和机械等学科也开展了项目驱动教学的研究工作。

项目驱动教学法在实施过程中，设计教学项目案例是课程改革的关键与核心。课程在解决项目问题的驱动下，学生围绕一个共同项目，开展自主探究和协作学习。通过完成项目，学生获得了知识和技能；同时也更好地培养了学生的自主学习、探究学习和协作学习的能力[10]。教学中一般考虑以下几个方面：

1)项目以实际为基础。

项目必须有一定的科技元素，且来源于实际。这样项目的现实意义和应用价值才可以激发学习者的学习兴趣，激发学生进行有意义学习的内驱力，才能够让学生真正深入探究。

2)项目以作品为中心。

项目设计以完成作品为目标，完成项目作品的过程就是学生自主学习的过程，项目作品的优劣也会对课程教学效果产生影响。

3)项目以学生为主体。

项目选题原则上由教师选择，项目设计则由学生完成，鼓励学生有能力完成这个项目，满足学生被认可的需要。

4)提升学生协作与交流的能力。

在解决项目问题的驱动下，学生以小组的形式进行协作学习，自主探究，碰撞思维，提升团队协作与交流的能力。

为了实现培养机械专业智能制造创新型人才的目标，笔者考虑在机械制造实习课程中引入单缸斯特林发动机项目，在知识、技能、能力的拓展上为人才培养做好铺垫。

3 基于智能制造平台的实习课程

课程通过对“智能制造装备”模块的独立训练，使学生进一步将工艺知识与智能制造装备相结合，了解数控设备在智能制造中的作用和地位。通过对数控机床的实践操作与开发、工业机器人的编程与操作等训练，培养学生综合运用知识的能力，锻炼创新思维。

机械制造实习具有重复性、繁杂性等特点[11]，机械制造实习课程的项目案例既不能简单地从生产实际中原封不动照搬，也需要考虑技术实现需求的特点；选择的项目要能使用智能制造设备来加工，既使学生的理论知识得到巩固，也训练了学生的智能制造技能。另外，是否便于实习教师开展实习教学、便于师生获取所需资料等也是项目设计的综合考虑要素[12]。

斯特林发动机[6]的主要工作原理为：使气缸内的工作介质经过冷却、压缩、吸热、膨胀一个周期的循环来输出动力，该循环被称为斯特林循环。随着近年提倡绿色能源与环保，零污染的斯特林发动机也备受学术界与工程界的关注。由于单缸斯特林发动机的结构简单，其零部件具有一定的典型性，因此非常适合作为项目教学案例。

设计单缸斯特林发动机的项目教学框图如图1所示。项目成果要求：学生根据图纸与技术要求，补充所需要的零件的工程图纸，确定加工工艺，完成工艺卡片、三维数字模型及虚拟装配，选择合适的智能制造设备平台(锻造、数控车、数控铣、刨、磨、焊接、线切割等)进行制造加工、装配等，最终完成斯特林发动机模型的制作。

图1 单缸斯特林发动机项目框图

根据学生能力的差异，设计分层分组教学安排：1)提供全部工程图纸和装配示意图，由该组同学完成所有零件的三维模型并进行虚拟装配；2)提供斯特林发动机实物模型和全部工程图纸，学生通过拆装实物模型，了解斯特林发动机的工作原理以及各零部件的关系；3)提供斯特林发动机实物模型和部分工程图纸，学生通过拆装实物模型，了解斯特林发动机的工作原理与各零部件结构，测绘其余部分零件，并完成其零件图。所有组在课程结束时都必须完成主要零件的加工制造与装配。基于项目驱动的分层教学方法，教学方案流程图如图2所示。

图2 基于项目驱动的教学方案流程图

学生根据分层教学的层级接受课程项目，通过参考资料与既有的机械基础知识了解单缸斯特林发动机参数，项目小组的组长进行任务分工，学生发挥各自的特长，协作完成资料搜集、设计、绘图、建模、测量、加工制造等任务，在成功装配后，通过角色调换、学生互助的方法再重新完成项目一次或若干次，以达到综合训练的目的。

4 基于项目驱动教学的实践与探索

选择某单缸斯特林发动机的支撑轴作为某个小组的一个项目案例，其零件图如图3所示。针对该零件，小组同学在老师指导下进行了分析与讨论：轴类零件的毛坯可以直接用棒料，也可以通过锻造、铸造得到毛坯件。实习老师建议由锻造得到支撑轴的毛坯件，零件其余工艺由同学分组分析讨论制定，最后零件在智能制造平台的数控设备上加工完成。所有零部件加工完成后，依据图4所示的斯特林发动机装配图完成装配。

图3 斯特林发动机支撑轴零件图

图4 斯特林发动机装配图

通过智能制造平台项目的锻炼，学生们受益匪浅：通过课程实习，学生对制造业信息化的实现有了更加深入的了解，提高了自身的独立学习能力和智能数字设计、制造的能力。

实践证明，基于项目驱动的机械制造实习课程，提升了学生的学习主动性及乐趣，增强了机械类学生的综合工程训练能力，为培养创新型智能制造人才打下了良好基础。

5 结束语

本文对基于智能制造平台的项目驱动教学课程改革进行了积极的探索，将创新教学融入到各实习教学模块——数字制造工艺模块、智能制造装备实践模块等，增加了制造实习课程的学习乐趣，提升了学生的智能制造实践能力及工程训练能力,培养了学生发散性思维，为学生的学习以及职业成长给出指引，达到了培养创新型人才的目的。