许 彦，王 鹏，田维通

(天津理工大学 管理学院，天津 300384)

目前工程实践教学模式基本上沿袭原有金工实习的传统，训练仍然以各工种独立训练的方式进行，教学模型也基本上围绕着各自工种的工艺知识进行研究与制作。由教学模型引导、启发学生进行工程实践训练，可以使学生更深入地学习各工种的工艺知识。但是，当需要综合运用多工种的工艺知识解决复杂零件的加工问题时，学生感觉有一定困难[1]。

近十几年来，以机械工业协会为依托，各高校定期轮流主持召开“IE&EM”国际会议，为高校教师提供了解企业实况、工程实践、实验室革新的平台，而大学和高职院校的学生很难有这样的机会，加之不能长期在生产现场调研与实践，学生综合运用知识解决复杂问题的能力有所欠缺，有的高校利用实验教学弥补这方面的不足。经长期努力，高校实验室已经开发了减速机、四驱车、联合模型、木制原子笔、支流继电器开关及其组装零件等教学模型，起到一定效果。但各院校实验设备、师资队伍等条件不尽相同，一味地套用其他院校正在运行的模拟实验教学模式和已有的教学模型，不能满足自身实验教学的需求。因此结合各院校工业工程专业实验课程教学实际情况，设计适用的教学模型和开发系列实验，必将提高教学效果和增加学生对专业知识的掌握程度。

1 工业工程专业教学模型的界定与特征分析

教学模型的设计模式一般有2类：多媒体类型和实物类型。在机械制图课程中多媒体教学模式越来越受到重视，例如河北农业大学林学院，开发木工机械与刀具教学模型，利用机构建模软件及计算机仿真分析软件制作形象逼真的实体模型[2]；另一类是综合性实物教学模型的设计，适用于工业工程专业需要工程背景与管理手段相结合的需求，例如哈尔滨工程大学，结合本校教学条件与教学特点，选择制作了反映典型零件机械加工工艺过程的“综合性教学模型”[3]。另外，在一些高职和中专学校，也开发了如AMT型、DSG型汽车变速器教学模型。汽车变速器结构紧凑、零件多，组装后难于观察，并且型号多，不同厂家的产品结构差异明显，但变速器基本原理大致是相同的，针对以上特点开发的教学模型，实践性强且各具特色。

1.1 综合性教学模型

目前，工程实践教学在现有教学条件、教学计划、教学安排3方面，都还不能达到工厂的实际要求，需要借助各种教学模型展开模拟实验。与综合性教学模型相对应的是简单教学模型，如机械制图用教学模型，包括圆柱体、锥体、长方体、轴和台等基本体模型[4]。机械零件加工工艺特点分为6类，即轴类、盘套类、支架箱体类、六面体类、机座机身和特殊类。

综合性教学模型结构复杂，涉及多种机械基本体的组合，以它为对象既能将“冷加工”各工种联系起来，也能将“热加工”和“冷加工”联系起来。综合性教学模型的制作要以一些真实的零件为基础，可以给学生一个实际生产的感受，通过对综合性教学模型的讲解和演示，能够达到较好的教学效果。设计综合性教学模型，需要结合实验室现有的模型基础和专业实验大纲的训练要求，设计出典型的机械结构，适合工业工程专业学生的学习和训练。

对于已经在大学一年级参加了“金工实习”工程实践训练的大学二年级的学生来说，由于对工程的认识和了解比较少，因此不能选择结构复杂、加工工艺比较多的零件，考虑到轴类、盘套类零件的加工工艺过程相对比较简单，容易理解，而且这2类零件的加工工艺过程包括“热加工”、“冷加工”，涉及的工种较少，相对独立，学生通过对这2类零件加工工艺过程的了解和认知，既能够大体上了解一个零件的加工全过程，又容易接受，所以在大学一、二年级主要采用简单教学模型。这一阶段为其后应用综合性教学模型做了一定铺垫。学生进入大学三年级，在深入学习了“生产与运作管理”课程，掌握了工艺过程、设施布置、MRP物料需求计划原理与相关计算方法，进入综合性教学模型设计及系列实验比较合适。学院已经根据需要选择了千斤顶、法拉第发动机、火车车轮、刨床机构、手锁(手臂颤抖患者用具设计模型)等作为工程实践的综合性教学模型。

1.2 教学模型生产计划研究

教学模型满足高校工业工程专业对培养学生工程实践能力的需要，面向不同高校工业工程专业个性化的订户需求，在生产计划编制中具有个性化定制产品计划编制的特性。王海军、马士华等尝试建立供应链的大量定制生产计划原型系统[5]，完成了大量定制产品模式下的BOM设计、订单处理和分层的生产计划编制工作，形成基于供应链面向大量定制产品的软件，包括需求管理、生产计划与控制、物流管理等子系统，研究成果具有一定的借鉴意义。

2 教学模型的应用

2.1 基于产品结构文件的应用

教学模型是针对工业工程专业存在的，已有的教学模型结构简单，无法向学生及时准确地展示实物的缺陷，同时，在工业工程师的培养过程中因为缺乏操作的对象，也常使知识流于书本。选择结构复杂、加工工艺比较多的零件作为研究对象，完成产品图纸的设计(包括结构和尺寸)和零件加工工艺的设计，这些内容基本上涵盖了目前工业工程中常见的理论知识，是工业工程专业人员必不可少的理论知识和操作技能的综合训练，极大地提升工业工程学生对产品结构和制造工艺的理解和掌握。

根据教学模型进行产品结构文件(BOM)的设计、编制物料编码、绘制物料清单、进行工艺路线的设置，完成物料清单与工艺路线数据库的编制、输入与维护工作。设置主生产计划的时栅，根据个性化定制的教学模型订单数据和库存数据，编制主生产计划并进行能力平衡，输出主生产计划，按照要求采用实时、交互式的界面回答下列问题：生产什么，生产多少，排序原则，何时采购原材料，何时生产，何时装配等。程序最终输出物料需求计划、能力需求计划和生产工序计划。综合性教学模型的设计和完成，对于工业工程专业的教育培训起到了极大推动作用。模型在天津理工大学管理学院使用，投入到学院的实验教学中，完成了150人次的实验，提供给学生与专业教师交流的平台，可以在集中的一段时间内让学生和专业教师进行教学模型拆装、测量装配时间、装配线平衡的设计，共同解决所遇到问题，取得事半功倍的效果。

2.2 基于工艺过程的应用

以千斤顶教学模型为例，学生依照图纸简化千斤顶结构，制作简单的教学模型，实验时学生将制作好的教学模型进行拆解。根据零件的尺寸和材质，模拟出加工工艺。教师可以结合零件加工工艺过程，再结合模型的组件部分进行分解，单独处理各个零件，加深了学生对相关工种工艺知识的学习，了解不同工种加工方法在整个零件加工过程中的作用。通过对一个模型整个加工过程、装配过程的介绍，使学生认识到各个阶段训练的用途以及它们之间的相互关系，灵活选择不同加工工艺，并加以实验与验证，从而将整个工程实践训练联系了起来[5]。如果学生严格按照以上过程去学习和训练，工程实践训练的教学效果将会得到进一步提高。在学生把全部阶段都完成之后，将会对整个训练内容有全面认识，在学生的头脑中建立起系统工程概念，提高工业工程理论与方法的综合应用能力。

零件机械加工工艺的主要内容包括对零件进行工艺分析、毛坯的选择、加工余量的确定、加工阶段的划分、定位基准的选择、机床和工艺装备的选择、各工序加工余量的分配和工艺文件的编制。

加工余量原则分为3方面：

(1) 毛坯加工余量，按照手工造型、自由锻件、圆钢棒件3种毛坯类型对应具体尺寸，以毛坯尺寸分别取区间的最大值和最小值；

(2) 工序余量，以工序为基准进行分类，如半精车余量为0.8～1.5 mm、高速精车余量为0.4～0.5 mm、低速精车余量为0.1～0.3 mm、磨削余量为0.15～0.25 mm；

(3) 单件小批量教学模型生产的切削用量和工时定额，一般按照尺寸以经验估计确定[6]。

2.3 基于生产计划软件的开发应用

由于教学模型结构不同，数量相对较少，编制小批量、多品种教学模型的生产计划，类似大规模定制产品的计划编制过程。生产计划编制系统包括图纸、工艺路线、加工时间、装配时间，客户订单子系统的增加、删除、查询、修改等4项功能，以及物料计划处理模块、交互模块。物料计划处理模块根据产品结构文件的比例和提前期，倒推加工和装配时间，其中计划时栅以工作日为单位，模拟企业进行一班制生产。假设设备生产能力为额定值，其中，零件加工顺序、排序原则(紧前方式、任意方式、紧后方式)需要调度者在交互模块完成。软件编制关键在于粗、细能力平衡的实现[6]。由于教学模型具有个性定制的特点，产品都是试制阶段，各层级零部件只涉及到生产提前期，不存在采购提前期，因此对于库存的要求较之传统MRP(物料需求计划)有很大不同，相关产品与零部件均为零库存，相关结果如图1、图2所示。

图1 教学模型图纸维护界面

图2 数据库录入界面

完成计划编制以后，进一步完成教学模型生产现场与装配流水线的组织设计。确定流水线方案，涉及到生产车间与装配线部门与人员配置问题，成为工业工程实现系统整体优化、提高系统整体效益的关键环节。学生按照订单数量、品种和工艺过程，模拟生产现场初始布局，填写从制表、计算成本费用值，采用启发式算法调整原方案，改善模拟车间现场布局，使学生更多地了解生产现场基础布局、操作测量方法、工作场所组织原则、生产线布局与改善定量方法、物流动线分析工具，提高学生生产现场管理能力。

另外，手锁教学模型的设计，主要针对板材行业手工作业者，如砂光与油漆环节、板材热压成型环节需要使用工业溶剂，工人长期接触低浓度甲醛和苯，可能会引起慢性中毒，损害神经和造血系统，罹患雷诺综合症，又称为肢端动脉痉挛症，于1862年由学者雷诺首先提出，是由于支配周围血管的交感神经功能紊乱引起的肢端小动脉痉挛性疾病，表现为手或足部一系列皮肤颜色改变的综合症。手锁为罹患雷诺氏现象病患使用的辅助进食工具，有一定的实用价值。

3 结束语

根据工程实践的教学目标、教学条件和教学特点，设计制作了综合性教学模型，展开BOM(bill of material)及模拟工艺过程，使学生把在各工种学到的工艺知识串联起来，有利于学生认识和理解零件工艺知识，从而达到良好的教学效果[7-12]。综合性教学模型在工程实践教学中的应用，可以激发学生的学习和训练热情，提高学生学习和训练的积极性。开发教学模型有助于提高工业工程专业“生产与运作管理”、“基础工业工程”、“设施布置与规划”课程的教学效果，是工业工程应用型人才培养模式的新尝试。

[1] 吴爱华，王平，崔鲁光，等.工业工程专业教学实验体系的研究与实施[J].工业工程与管理，1999(4)：59-61.

[2] 张国梁，郑建伟，曲保雪，等.木工机械与刀具教学模型和动画的开发研究[J].木材加工机械，2012(6)：30-32.

[3] 佟永祥，韩永杰，吴滨.工程实践综合教学模型的研究与应用[J].中国现代教育装备，2011(17)33-37.

[4] 罗益宁,马秋成,韩利芬，等.机械制图课程教学模型与动画库的开发[J].电脑与信息技术，2001(8)：21-23.

[5] 王海军，赵勇，马士华，等.基于供应链的大量定制生产计划原型系统[J].工业工程与管理，2005(3)：78-81.

[6] 胡建德.机械工程训练[M].杭州：浙江大学出版社，2007.

[7] 王海芳.以系统论思想为指导实现教学过程的最优化[J].山西高等学校社会科学学报，2006(6)：35-37.

[8] 施奇.港航工程模型实验教学改革的研究与实践[J].教研,2012(12下旬刊)：72-74.

[9] 张润鑫.高等学校实验教学改革与实践[J].中国科教创新导刊,2013(29)：72-75.

[10] 林亭，严京滨，王晓芳.工业工程系列实验[M].北京：清华大学出版社,2011.

[11] 苗雨君.ERP沙盘模拟教程[M].北京：清华大学出版社，2013.

[12] 邹非.生产与运作管理实训[M].杭州：浙江大学出版社，2011.