基于无碳小车模型的机械制造实训改革与探索*

陈大林

(东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)

0 引 言

创新型、实践型人才的培养是“中国制造2025”对高校人才培养目标的新目标，机械制造实习及综合工程训练是机械专业人才培养的重要组成部分，在综合型、实践型人才培养方面发挥着十分重要的作用。当前，传统的机械制造实习课程对于培养当代大学生的工程综合能力方面已经明显不足，“手把手教学、师徒式教学”等传统实践实习教学体系亟需改变[1]。为了培养学生的创新能力和动手实践能力，建设基于人才培养为目标的实习课程内容，以学生为中心，面向产品设计与制作，探索以无碳小车模型设计制作引导实习的教学课程，实践项目驱动实习课程改革，是实习课程教学改革的一个行之有效的方法。

1 无碳小车模型简介

无碳小车模型来源于全国大学生工程训练综合能力竞赛赛题[2-3]。无碳小车是一个势能小车，除重物势能外不允许使用任何其他形式的能量。要求设计相应结构，保证行走的过程中完成所有动作的能量均由给定的重力势能转换而得，符合当代环保无碳的概念。无碳小车该的重力势能是一个质量为1kg、总高89±1mm的标准砝码(φ50×65 mm, 碳钢制作)来获得，砝码的可下降高度为 400±2 mm，并且任何时候，砝码都不允许从无碳小车上掉落。无碳小车的结构示意简图如图 1所示。

图1 无碳小车模型示意图

无碳小车要求设计为三轮结构，其中一轮为转向轮(最大外径不小于φ30 mm)，另外两轮为驱动轮(允许两轮中的一个为从动轮)。无碳小车必须有可调节的转向机构，以适应放有不同间距障碍桩的竞赛场地。无碳小车的赛道分为“S”环形型和“8”字形两种，可以自行选择相关赛道，并设计相应的结构模型。

无碳小车模型集合了机械原理、机械设计、工程材料、机械制造技术等多课程交叉的知识内容，能充分体现现代制造业的发展趋势。模型结构设计方面能充分实践学生学习过的机械设计和机械原理理论知识，模型制作与装配能够充分体现机械制造技术的理论知识点，同时，制造过程涉及到了车、钳、磨、数控加工，3D打印、激光加工等传统与先进制造技术。但无碳小车的工作原理其实并不复杂，设计方案有一定的弹性，且项目具有一定的延展性，学生为了提高无碳小车的运行成绩，在课程结束后会有动力继续提升优化机构的设计方案与制作装配，达到“做中学”的目标。因此，在机械制造实习课程中，将无碳小车模型作为实习教学的一个项目载体，让学生完成模型设计、加工、装配、调试、答辩等一个完整的制作过程，改变原先机械制造实习传统的单一工种操作训练模式，让学生参与到制造环节的产品开发全流程，同时，无碳小车模型作为一个势能驱动小车，在设计、制造装配的一体化训练中，能让学生更深刻理解零件设计的技术要求、公差、装配要求，从而使得学生能从系统功能的角度，对各个子部件的功能和技术要求有了更准确和更深入的认识。

2 传统机械制造实习课程存在的问题

机械制造实习一直是机械专业的重要实践实习类课程，实习设备与实习件均来源于生产实际，有利于培养学生的基本职业技能、综合工程能力和创新能力，提升学生的工程意识和创新意识[4]。但目前的机械制造实习教学过程，存在着一些典型问题，不利于培养学生综合创新实践能力。

(1) 教学方法陈旧、教学内容单一 目前课程实习教学的模式很多是以示教型、验证型为主[1]，教学内容多年来以阶梯轴、小榔头等零件为主，创造性不足，忽视了学生的学习的趣味性、主动性与积极性，不利于提升教学效果与能力培养，导致学生实践制造能力差强人意。

(2) 实习件缺乏关联性 机械制造实习课程中学生需要在多个设备工种完成实习件制作。但是实习工件存在“断流”现象。比如：在普车工种实习中，简单阶梯轴是多年来一直使用的实习件；而简单阶梯轴在后续工种中都没有使用，而在铣床、刨床实习所需要的实习工件，又需要重新完成，这既是实习材料的浪费，也不利于充分调动学生的学习兴趣与学习主动性，缺乏对学生的综合工程训练能力的系统培养。

(3) 实践教学重视度不足 尽管实践动手能力是理工科学生必不可少的能力之一，部分师生为实习课程无关紧要，仅把实习教学看成是理论教学的补充。多年来的教案、实习件都是一模一样。

(4) 实践教学的教学评价体系不成熟 传统实践教学的教学评价标准主要参照学生理论学习的教学评价标准，以成绩的高低进行评价，由此，无论是教师的教学能力还是学生的实践课成绩都没有被公正而科学的评定。

当前依据“中国制造2025” 计划，国家与社会对创新型、实践型人才的都提出了新要求，机械制造实习课程的改革显得迫在眉睫。我们考虑引入基于无碳小车的机械制造实习课程改革，提升实习项目趣味性和知识性，提升学生学习的主动性。

3 无碳小车模型制作在实习课程中的应用

传统机械制造实习工种单一重复、繁杂[5]，不利于培养学生综合工程训练能力与创新思维能力。因此，选择合适的机械制造实习课程的项目案例设计是一个综合性的挑战，需要考虑技术知识覆盖的特点，既能通过训练学生的加工制作技能，又可以巩固机械基础知识，同时增加学生主动学习的乐趣[6]。

无碳小车的模型结构设计需要学生机械设计和机械原理理论知识的储备，将理论与实践相结合，采用虚拟设计、仿真、优化，完善模型的结构设计与优化。模型制作与装配需要学生综合运用机械制造技术的理论及实践知识点，综合多工种、多工序：车、钳、磨、数控加工，3D打印、激光加工等传统与先进制造技术。让学生实现“做中学”的目标[7]。

因此，在机械制造实习课程中，将无碳小车模型作为实习教学的一个项目载体，以无碳小车设计制作带动学生完成全过程的工程实践，学生分组分层次完成模型的结构功能设计、工艺设计、加工制作、装配调试、答辩，改变原先机械制造实习传统的单一工种操作训练模式，让学生参与到制造环节的产品开发全流程。并且可以使学生能从系统功能的角度，对各个子部件的功能和技术要求有了更准确和更深入的认识。教学任务框图如图2所示。

图2 无碳小车模型项目教学任务框图

无碳小车模型设计制作的任务如图3所示。课程结合理论教学知识，采用查找资料、虚拟设计、小组讨论、设计方案修改、零件制作、答辩等多种教学方法，通过技术探究让学生和指导教师紧密结合在一起，学生自主探究式学习以融合理论与实践的知识，根据设计任务，不同的零件，不同的材料，分解图纸与技术要求，依据机械制造所学习的知识确定各零部件的加工工艺与加工方式，并选择合适的设备：车、铣、刨、磨、锻造、焊接、数控、线切割等，完成零部件的制造与装配。在整个教学过程中，师生互动，教学相长，学生以团队合作的形式完成无碳小车模型的制作[1]。

图3 无碳小车模型设计制作任务框图

在实习过程中，根据学生能力、专业知识差异，安排学生进行分组教学。项目小组任务分工主要由组长负责统筹，小组成员发挥其各自的特长，协作完成资料搜集、设计、绘图、建模、测量、加工制造等任务，成功装配后，通过调换角色，学生互助的方法再重新完成项目一次或若干次，以达到综合训练项目的目的。

部分小组同学，完成无碳小车“S路线”行走机构设计与制作后，按照全国大学生工程训练竞赛的要求，在赛道上比赛，总结经验，不断优化设计，直至取得最好成绩距离；部分小组同学，要求完成无碳小车“S路线”赛道运行距离不少于1m的要求；部分小组同学，挑战“8字形”赛道的无碳小车机构设计与优化，挑战绕“8字形”赛道10圈的成绩。对学生考核，以完成既定任务，学习到机械制造实践知识为目标。

学生通过这种面向产品的设计制作实践，能切身体会到如何综合运用学到的机械制造工程知识，寻求解决实际工程问题的办法[8]。无碳小车模型设计制作相比传统的金工项目，更有利于调动学生的积极性，发挥学生的主观能动性，让学生能主动地参与到学习与探索中。

4 无碳小车模型制作项目的实践与拓展

将无碳小车模型设计制作项目引入到机械学院机械制造实习课程，取得了很好的效果。经过学生反馈，能独立思考，提升CAD工程图纸绘制、三维建模及装配、工艺分析及基础金工实习中，铸造、车削、铣削、钳工等加工制作等基础能力。比如：车床与数控车床分别加工飞轮、轴、轴套等零件，铣床加工底板，钳工钻孔、攻螺纹装配等。在模型的设计与制作过程中，学生通过分工协作，能切实体会到工程知识如何运用到实际生产中，碰到问题，能从多方面途径寻求解决实际工程问题，培养了学生的知识整合能力、创新实践能力与合作交流的能力。

无碳小车模型项目教学调动了学生的积极性、学习主观能动性。在东南大学的校级工程训练竞赛中，无碳小车项目的比赛获奖选手均是参加过课程实习的同学，实践证明，基于无碳小车模型的机械制造实习课程，增强了机械类学生的综合工程训练能力，通过“做中学，学中做”，使学生真正成为了工程实践的主体，为培养创新型人才打下了良好基础。

5 总结与展望

基于无碳小车项目的教学改革与实践，改变了传统的机械制造实习中单个零件加工的操作技能训练模式，将“学徒式”的设备操作技能训练变为学生自主探究性的学习。采用无碳小车模型创新教学融入到各实习教学模块，增加了机械制造实习课程学习乐趣，培养了学生的综合工程训练能力，有效促进了实践教学课内与课外结合，促进实验室创新实验平台的建设与开放。

任何项目都存在着其一定的局限性与时效性，并且新的实践教学方式对师资的综合能力及理论水平提出了更高的要求，对实验中心实验室的开放与管理也提出了更高的要求。希望通过多方不懈的努力，使得基于无碳小车模型的教学方法进一步扩大应用范围，更好的提升学习的兴趣与动力，取得更好的教学效果，为学生的学习以及职业成长给出指引，达到培养创新型人才的目的。