面向产品实现过程与科教融合的机械类本科生人才培养改革与实践

摘  要：针对工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动机械类主干课程教学案例相互之间孤立、课程之间的应用软件使用相互独立的实际问题出发，以培养面向企业工程开发的人才需求为教改依据，研究贯穿机械类主干课程的面向产品实现过程的工程案例，使学生了解并掌握一流企业在产品实现过程中广泛应用的软件工具、产品开发的流程，并建立课程知识与企业产品开发活动的映射关系，从而明确课程学习的目的;与企业共同建立合作培养学生的机制及实践基地，并与企业导师共同指导学生深入企业完成实际的产品开发，让学生能够通过触摸进行实际感受，从而使学生不但能够明确机械类主干课程在企业产品开发中的地位和作用，增加学生学习的主动性和趣味性。

关键词：机械类专业基础课程;产品实现过程;工程案例;实践基地

中图分类号：G642     文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）13-0129-04

Abstract： The study aims at the practical problems of the isolation of teaching cases and the independent use of application software among the main mechanical courses of engineering design graphics， mechanical principle， mechanical design and system dynamics and vibration. Based on the cultivation of talents for enterprise engineering development as the basis of educational reform， this paper studies the product-oriented engineering cases that run through the main mechanical courses.  The purpose of the study is to enable students to understand and master the software tools and product development process widely used in the product realization process of first-class enterprises.  At the same time， this study establishes the mapping relationship between curriculum knowledge and enterprise product development activities， so that students can make clear the purpose of curriculum learning.  We establish cooperation with enterprise common students mechanism and teaching base， and guide students to do the actual product development enterprise with the enterprise mentor. The aim of it is to let the student can carry on the practical experience， by touch， so that the students can not only clear mechanical main courses in the position and role of the enterprise product development， but also increase the students' learning initiative and interest.

Keywords： mechanical basic courses; product realization process; engineering case; practice base

面向重庆大学机械类本科生开设的专业基础课工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动是既有理论又有实践的核心课程，这几门课程主要使学生掌握有关机械的基础理论知识。通过这几门机械类的专业基础课程的学习，能够应用机械原理的知识进行机械系统的方案设计;能够应用机械设计的知识完成标准零件的选用和非标零件的结构设计，并应用工程设计图形学的知识完成系统和零件的三维的实体建模、二维图纸的绘制;应用机械原理及系统动力学与振动的知识完成机械系统的运动学和动力学的分析。

由此可见，这几门机械类的专业基础课程与机械产品实现过程（Product Realization Process，简称PRP）息息相关，因此，以培养面向PRP的人才需求为教改依据，研究连接工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动机械类主干课程案例，让学生在实践基地中通过工程实际开发的案例，完成这几门课程的学习、掌握这几门课的知识点、深入实践了解流企业在产品实现过程中广泛应用的软件工具及产品开发的流程、建立课程知识与企业产品开发活动的映射关系、明确课程学习的目的，对于培养适合我国机械行业发展的人才至关重要。

一、现有机械类本科生专业基础课教学模式存在的问题

新工科教育更加偏重培养学生的系统思维、问题导向、大工程观、解决复杂工程问题的能力;从培养偏技术型、应用型人才的培养转变到工程实践能力强、面向企业的产品实现过程、具备国际竞争力的高素质复合型人才的培养。因此本文研究了现有的机械类本科生的专业基础课程教学中存在的问题。

（一）缺乏贯穿机械类专业基础课程面向产品实

现过程的教学案例

在工程实际机械类产品开发中，通常需要先根据工程实际需求进行自由度的需求分析，而后再进行机构选型，通过运动学与动力学的分析，验证所选机构是否满足工程实际的需求;验证完成后进行结构设计、有限元分析、进而结构优化;最后完成三维图纸及二维图纸的出图。因此工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动等专业基础课程对工程实际产品开发有着非常重要指导作用。但目前机械类本科生的专业基础课各门课程的教学内容知识点多而分散，各门课程之间的教学碎片化、体系性不强、内在的联系弱，与现代机械设计真实过程之间存在脱节。目前贯穿这几门专业基础课程的教学案例还是空白，不利于学生了解各课程知识与企业产品开发活动的映射关系;不利于学生了解企业产品实现过程中的开发流程;不能训练学生建立工程意识。

（二）缺乏面向产品实现过程的实践基地

为改变长期以来灌输型的授课方式，采取以能力培养为向导、以“在线自主学习”+“线下翻转”+“过程考核”+“能力考核”为主线的翻转教学模式，可以培养学生的交流沟通能力、团队合作能力、表达能力、领导能力，但缺乏实践的课堂翻转也只是起到了课堂活跃和素质培养的目的，并不能让学生了解企业产品实现过程的流程、工具和辅助软件;缺乏面向产品实现过程的实践基地，不利于对工科学生的运用能力训练。

二、面向产品实现过程与科教融合的机械类本科生教学模式的实践

基于面向产品实现过程的思想，组建“基础研究-应用研究-成果产业化”的教学团队，与国内多家行业知名企业，如：南京创力传动、浙江通力重型传动等公司，建立多种样式的产学研技术联盟，构建从基础研究到成果产业化的一体化开放式创新研发体系，为学生提供学术交流的机会和平台;注重“产-学-研-用”相结合，与国内多家基础件制造的行业知名企业，如与太原重工股份有限公司、南京高精传动设备制造集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司等，共同建立合作培养学生的机制及实践基地;组建“高参数动力传动与智能控制”研究生导师团队，指导博士研究生、硕士生研究生、本科生参与到企业的产品开发中，同时提供本科生与博士研究生、硕士生研究生交流的平台。

与长安福特团队合作开发轿车叉臂式玻璃升降器等车身机构件，并组织学生参与到轿车叉臂式玻璃升降NVH的问题调查中，使学生了解跻身于全球500强企业的产品开发的ISO9000、QS9000、TS16949流程;培养学生熟练使用福特等全球500强企业广泛使用的软件平台，结合实践的培养需求、结合目前流行的软件平台，制定各课程的目标见表1。在工程设计图形学的教学中要求学生使用CATIA 软件进行轿车叉臂式玻璃升降器的二维及三维图纸绘制;在机械设计的教学中要求学生使用CATIA软件进行轿车叉臂式玻璃升降器零件的有限元分析;在机械原理的教学中要求学生使用ADMAS软件进行轿车叉臂式玻璃升降器的运动学分析;在系统动力学与振动的教学中要求学生使用ABAQUS进行轿车叉臂式玻璃升降器的NVH分析。

以福特轿车叉臂式玻璃升降器及酒厂提升机的开发中的实际工程问题作为案例，贯穿于工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动专业基础的主干课程的教学中，引导学生自主完成该案例的产品客户需求定义、产品技术参数的定义、产品方案的设计、产品的详细设计、产品的试验设计、产品的工艺规划、产品的虚拟仿真分析等，从而使学生不但能够明确各机械类专业基础课程知识与企业产品开发活动的映射关系，了解机械类专业基础课程在企业产品开发中的地位和作用，而且还增加了学生学习的主动性和趣味性。

与科研合作单位的开发工程师共同编写企业实践手册，并与企业导师共同指导学生深入企业实践基地，应用工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动专业基础的知识完成实际的产品开发，让学生能够通过触摸进行实际感受，通过实践学会使用相关的国家标准、行业标准、行业质量信息，了解产品开发的流程，掌握企业的产品实现过程中使用的工具。

三、应用与实践示例

（一）教学实践示例——轿车玻璃升降器

本文以轿车玻璃升降器等车身的机构件和机电市场上常见的提升机作为案例教学。

在工程设计图形学的教学中要求学生使用CATIA 软件进行轿车叉臂式玻璃升降器的二维及三维图纸绘制;在机械设计的教学中要求学生使用CATIA软件进行轿车叉臂式玻璃升降器零件的有限元分析;在机械原理的教学中要求学生使用ADMAS软件进行轿车叉臂式玻璃升降器的运动学分析;在系统动力学与振动的教学中要求学生使用ABAQUS进行轿车叉臂式玻璃升降器的NVH分析。在以上各课程的教学中，通过课堂上看得见、摸得着的玻璃升降器实物进行案例的教学，提高了学生参与课堂讨论的积极性;组织学生进入企业参观玻璃升降装配、参与企业玻璃升降工程问题的现场讨论，将工程实践问题解决的方案渗入到课程的机构分析、运动学分析、动力学分析、图纸绘制的知识点的教学中，学生课堂的学习积极性被充分地调动起来了，让课堂的翻转从口号落地于教室。

（二）教学实践示例——提升机

为了培养学生充分了解从市场需求到产品生产完成的全过程，组织学生亲自到市场进行调研，通过市场的调研制定有竞争力的产品工程指标，学生通过市场调研、国内外专利的研究、国际标准及行业标准的查找，得到的提升机工程需求见表2。

在机械原理的教学中，组织学生通过提升机自由度的需求，进行机构的创新设计，绘制机构运动简图，并应用ADMAS软件进行运动学分析。学生得到的提升机的方案如图1所示，学生得到的提升机的运动学分析如图2所示。

为了进一步巩固学生在大学一年级学习的工程设计图形学的知识点，在机械设计的教学中，有要求学生使用CATIA软件完成提升机的二维及三维图纸的绘制，如图3所示。

    通过多个案例的教学，使学生不但能够明确机械类主干课程在企业产品开发中的地位和作用，而且还增加了学生学习的主动性和趣味性。

四、面向产品实现过程的机械类本科生科教融合教学模式的实践效果

教学网反馈出学生对贯穿于工程设计图形学、机械原理、机械设计、系统动力学与振动的案例教学方法评价很高，教学团队成员获校“教学优良奖”;教学团队指导本科生参加第七届全国机械创新设计大赛，获重庆市赛区一等奖。

通过基地实践的本科毕业设计共计7人次被评为校“优秀本科毕业设计”、1人次获中国机械行业卓越工程师教育联盟“恒星杯”毕业设计大赛“银奖”等奖项、申请并获授权国家发明专利1项;实践基地教学团队成员多次被评为“优秀本科毕业设计指导教师”。

通过实践基地的案例导入、基地的实践观摩及现场讨论，课堂教学变成师生研讨的翻转场所。实践证明，这种基于翻转课堂的案例教学模式深受学生欢迎，教师在提高学生专业知识和技能的同时，有效地培养学生良好表达与团队协作能力、批判性思维与判断能力、创新能力和终身学习能力，促进教育教学向以学生为中心转变，构建以学生为中心的研究型教学。

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