以减速器为对象的机械工程专业纵贯式实践教学

全球化是当今世界的发展趋势，经济国际化、工程大型化，对不同教育背景的人才受教育的实质等效性提出了认证的要求。工程教育专业认证应运而生，它是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。其核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价，即“产出导向(Outcome-basedEducation，OBE)”的教学理念。OBE理念是通过“以学生为主体、教师为主导”的教学活动来体现。面向行业需求，动态设计教学目标，及时调整毕业能力要求，围绕学生毕业知识、能力、素质需达到的指标全面构建课程体系，进行教学设计和教学资源的配置，并且教学质量监控与评价是以学生学习结果为唯一标准。
北京工业大学机械工程专业分别于2015年、2018年两次通过了教育部工程教育专业认证，机械工程专业成功纳入《华盛顿协议》互认名单。基于OBE理念，以实现对专业认证通用标准中12项能力要求为基本原则，机械工程专业在教学改革中深入探讨了机械制造课程群的体系构建与实施。笔者深刻意识到机械工程专业实践教学必须在培养学生创新能力的基础上进行具体规划，才能培养出有较强创新能力的应用型人才。为此，本文对机械工程核心课程、先修课程及后续课程进行了梳理，在满足12项能力要求的基础上，重构了“6”模块实践教学体系，提出了以减速器为对象的“1+5+1”纵贯式实践教学模式。
1、机械工程专业“6”模块实践教学体系
基于工程教育专业认证的OBE基本理念，以我校两次机械工程专业认证为契机，严格修订了2015版教学大纲，对机械工程专业实践教学体系进行了“6”模块重构(如图1所示)。六大模块包括基础训练、实验课程、课程设计、创新实践、工作实习、毕业设计，重点培养学生工程素质、实践能力、创新意识和“大工程”观。一方面，在课程设计中对学生的工程绘图、机械设计与制造等能力循序渐进、反复训练，培养学生机械工程基础实践动手能力和创新实践能力；另一方面，以专业课程实践能力为基础，逐渐加强实际工程问题解决能力的培养，通过工程训练、科技实践、生产实习/工作实习等环节进行解决复杂工程问题能力的培养和工程师素养的培养，在“大工程”层面培养工程项目的参与、实施与管理能力。

图1 “6”模块工程实践教学体系
1.1模块一：基础训练
在该训练模块中，以机械工程为教学载体，采用自主实践训练的教学模式，将与网络技术结合的实训场地作为教学环境，运用“做、悟、异、用”教学理念，在学生完成机械工程相关任务过程中，实施工程基础教育。该模块有利于学生通过实践体验“敬畏、负责、分享、追求”的基本含义，有利于学生对实践有真实的感悟，对工程有切实的了解。通过在机械工程训练中心进行“工大锤”制造活动，培养学生工程意识和机械工程基本技能。工程基础训练是北京工业大学所有工程类本科生在大学一年级第二学期的必修实践课程，每位学生都要学习通过钳工、车削加工制造一把钢制手锤，被学生称为“工大锤”。“工大锤”所代表的“千锤百炼的精神”已经成为每一个北京工业大学毕业生的品质。
1.2模块二：实验课程
通过大学物理实验、机械原理实验、机械设计实验等实验课程模块，培养学生独立实验操作、实验设计以及实验分析的基本技能和能力。
1.3模块三：课程设计
通过工程图学实践、机械原理课程设计、机械设计课程设计、互换性与公差配合实践、机械制造训练、传感与测试技术课程设计等模块，以项目化的团队组织形式，培养学生面对复杂工程问题时的策划、实施及管理能力。
1.4模块四：创新实践
鼓励学生参加各类型科技竞赛、教师科研工作、创新创业训练、接受职业技能培训等，在创新实践模块中完成研究能力、创新意识、工程素养的培养。
1.5模块五：工作实习
该模块包括生产实习与工作实习，旨在培养学生认识社会、适应社会竞争的能力和应用所学知识服务社会的意识与能力，培养学生面对实际工程问题时的调研分析以及工程技能的综合应用能力，开阔眼界，培养“大工程”观。
1.6模块六：毕业设计
在前五个模块实践与积累的基础上，该模块引导学生完成选题、文献综述、方案论证、系统设计、性能分析、工作交流、论文撰写等训练，涵盖本专业基本能力训练要素，重点提高解决复杂工程问题能力。毕业设计模块包括工程设计类、技术开发类、软件工程类、理论研究类四类，也是对前五个模块综合学习的应用与检验。
2、以减速器为对象的“1+5+1”纵贯式实践教学模式
在课程设计的实践教学环节中，为系统培养学生机械工程基本技能以及现代制造基本技能，初步掌握解决复杂工程问题的策划、实施及管理能力，制定了以减速器为对象的三层次“1+5+1”纵贯式实践教学模式，如图2所示。齿轮减速器是一种典型的装配体，在机械行业中得到广泛应用。减速器中包含多种通用零件，如齿轮、轴、轴承、螺纹紧固件、润滑装置、密封元件等。学生以小组团队协作的方式完成减速器的设计、制造、装配、检测以及仿真分析项目，逐步培养了综合运用所学知识来分析和解决复杂实际工程问题的能力。

图2 基于减速器实践教学体系框图
2.1第一层次：“1”绘图基本功
通过工程图学实践的减速器装配图、零件图绘制，培养学生工程图样绘制、阅读机械设计图的初步能力，培养学生计算机辅助设计的初步能力，夯实机械工程专业基本功。
2.2第二层次：设计、制造、装配、检测、分析“5”大核心技能
第一，通过减速器的设计，培养学生对机械结构、零件的选型、计算和设计知识应用的能力，以及创新机械设计的能力。
第二，通过减速器箱体及零件的加工，培养学生依据减速器的功能和用途为各零件选择适用的工程材料，正确评价零件的结构工艺性；根据现有生产条件制定箱体、各零件的加工工艺方案和标准件的采购方案；通过减速箱体消失模的制作以及齿轮、传动轴、端盖、箱体的切削加工，完成冷热加工工艺的实践与应用，让学生掌握切削加工、铸造工艺、热处理工艺等冷热加工工艺，理解工程管理原理与经济决策方法。
在机械制造训练环节中，北京工业大学依托机械工程训练中心，提供了有利的工程实践环境与条件，包括普通车床4台、数控车床2台、数控铣床2台、精密卧式加工中心1台、精密立式加工中心1台、齿轮滚齿机1台、钻床4台等。为了让学生对箱体铸造工艺进行实践应用，一方面，学校与外协铸造公司建立了长期的合作关系，带领学生进行消失模铸造车间参观实习；另一方面，通过学校的国家虚拟仿真重点实验室，让学生进行铸造工艺仿真。学生绘制箱体毛坯铸造工艺图，并利用聚苯乙烯泡沫材料进行箱体制造(如图3所示)，委托外协公司进行铸造。对于轴类、端盖等盘套类零件以及齿轮零件的加工，学生按照小组进行分工，制定了加工工艺卡片及技术文件，掌握了数控加工技术的编程技能和基本操作技能，并在机械工程训练中心进行实际加工(如图3所示)。结题以团队项目答辩的形式进行，将团队协作与管理能力的锻炼贯穿于整个制造过程中。

图3 减速器制造现场及成品图
第三，通过互换性与公差配合实践减速器的整体装配，让学生掌握互换性与公差配合的基础理论及其应用，培养学生获取检测信息和数据信息处理的能力和寻找工程要点的能力。
第四，通过传感与测试技术课程设计减速器传动性能及动静态特性的检测，让学生进一步掌握各类传感器及现代检测系统的构成，培养学生对传感技术、检测技术等的应用实践能力。图4中左边是修完本课程后学生自主设计的减速器性能检测实验台三维模型，右边是依据学生设计方案经教师修改后制造的实验台实体，实现了教学反哺。该实验台可以检测减速器的输出转矩与转速，同时利用加速度传感器检测减速器的动静态力学性能。

图4 减速器性能检测实验台
第五，通过有限元分析与应用减速器动静态特性的仿真分析，培养学生利用计算机辅助分析软件对机械结构动静态性能进行分析的能力。分析结果可与本层次检测实践结果进行对比分析，以验证本部分仿真分析的有效性与合理性，同时对减速器的设计方案的合理性进行了双重验证。
2.3第三层次：“1”综合素质
通过学习减速器设计与制造的过程管理，培养团队沟通与协作能力、组织能力及成本管理等解决复杂工程问题的能力。同时，该能力的培养也是贯穿于整个课程设计的实践教学中，全面实现学生综合素质的提升。
3、结语
实践教学环节是机械工程专业教学的重要组成部分，是培养高级人才不可或缺的基本环节。只有通过理论与实践教学的深入结合，才能让学生具备一定的实践动手能力和创新能力。北京工业大学改革探索了基于减速器的机械工程专业三层次“1+5+1”纵贯式实践教学模式，在大一机械基础实践教学的基础上，通过以减速器为对象的课程设计教学实践，使学生系统掌握机械零件设计、机械零件冷热加工制造、机械零件装配、机电产品检测、机械结构仿真分析等知识，通过实践操作培养学生的职业素质和专业能力。
在工程教育专业认证以及新工科的大背景下，基于OBE教学理念，北京工业大学利用机械工程专业两次通过工程教育专业认证的契机，重构了“6”模块的机械工程专业实践教学体系。通过纵贯式实践教学体系的实施，学生具备了解决复杂机械工程问题的能力，极大程度提高了学习积极性，增强了发现问题、解决问题的能力，并通过项目协作锤炼了团队协作能力和沟通管理能力。