栗茂林 武通海 张彦鹏 李党超 邵敏

摘  要：面对新工科工程能力培养的需求，结合工程训练和学生能力培养的短板问题，以“设计-制造-测量-优化”的完整产品开发链为导向，将3D建模设计、先进制造和三维测量技术相融合，提出全工程能力闭环培养训练的思路，构建包含设计模块、制造模块、测量模块以及反馈优化模块的创新实践教学平台。基于该平台开展模块化教学，培养学生三维设计、先进制造、质量评价和改进优化的系统思维，从而做到支撑系统级新工科人才培养的工程训练教学，最终实现将实践条件平台化、课程内容模块化和教学方式个性化的目的。

关键词：工程能力培养;工程训练;创新实践平台

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0029-04

Abstract： In order to meet the requirements of engineering capability training of new engineering， a closed-loop training method for the whole engineering capability was proposed by integrating 3D modeling design， advanced manufacturing and 3D measurement technology， guided by the complete product development chain of "design-manufacturing-measure-optimization".Thus， an innovative practice teaching platform including design module， manufacturing module， measurement module and feedback optimization module is constructed. Through the modular teaching of the platform， students' systematic thinking of 3D design， advanced manufacturing， quality evaluation and optimization is cultivated， so as to support the engineering training of talent cultivation. Finally， the goal of platform practice， modular courses and personalized teaching methods is realized.

Keywords： cultivation of engineering ability; engineering training; innovation practice platform

2017年，教育部開始全面推进新工科建设，为高校工程教育改革指明了新方向。新工科要求人才培养站在引领国际工程教育改革发展的高位，培养具有国际视野的系统级工程技术人才，其核心是面向产品或工程的全方位素养、多学科交叉、工程链思维的意识打造与能力提升，要求学生通过工程化训练，了解产品开发的设计、制造、性能以及工程与社会的关系等[1-2]。作为高等教育中工程能力教育的重要支撑，如何从工程训练中体现新工科系统级工程人才的培养成为高校工程教育改革的焦点[3-4]。从工程训练的现状来看，传统的“榔头”实习饱受诟病，各高校均围绕新工科人才培养目标制定工程训练新体系，重点从新技术和新产业角度进行实训改革，通过传统到先进、局部到全面的形式，增加诸如3D打印[5]、高精加工[6]、创新项目实践[7]等实践教学体系。打造与人才培养目标相适应的开放性、创新型、现代化的工程训练培养基地，建设一流的实践教学支撑平台是现在工程训练改革的当务之急[8-9]。

一、创新实践教学平台构建

根据双一流建设的需求，以构建工程能力培养的创新实践教学平台为目标，着力从更新实践内容、改革实践方法和升级实践设施等三方面入手，构建从基础认知、基本技能、综合设计到创新实现的层级式实践环节，打造集实践训练和创意实现于一体的面向新工科的工程训练实践教学平台，让交大学子能够享受到优质教育资源，在早实践、多实践、反复实践的体验式环境下，成长为明天的建设者和接班人。

打造面向工程能力培养的创新实践教学平台，需要构建设计模块、智能生产模块、特种制造模块和测量检测模块，构造完整的产品开发链涉及的一系列模块。其中，设计与制造都是产品开发的重要环节，工程意识的培养不仅在制造端，更应强调设计端的培养。纵观近年来的工程训练改革，工程设计能力的缺位使开发能力不完善，进一步导致工程能力系统不完整，尤其是高端产品领域的设计能力短板（高端装备、芯片设计、系统设计等），因此，高端工程设计人才必然是国家重大工程和未来产业的急需，也符合C9高校人才培养的定位与内涵。工程设计人才的能力培养不但要解决设计理论的运用水平，更要强调对制造技术，尤其是先进制造技术的工程认知水平，因此，设计、制造、优化是工程设计能力的必要构成环节。

西安交通大学实践教学中心作为学校主要的工程实践教育平台，通过改革和创新实践教学课程体系，形成了系统化的机械制造实习创新模式，从传统加工制造技术逐步拓展为数控加工、3D打印等现代加工制造技术，提升学生对现代加工技术的理解，并在此基础上构成学生工程知识链的闭环。通过项目建立起“工程教育”与“实际工程”之间的紧密联系，面向“设计-制造-测量-优化”的完整产品开发链，提出全工程闭环训练的思路，以系统级工程意识训练为目标，依托典型零件产品的“设计-制造-测量-优化”全过程，将3D建模设计、先进制造、三维测量技术融合，打造一个闭环的工程训练链条。通过构建包含设计模块、3D打印及数铣、加工中心制造模块以及三维表面测量模块的实训平台，培养学生三维设计，先进制造、质量评价、改进优化的系统思路，从而真正做到支撑系统级新工科人才培养的工程训练教学。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998

创新实践教学平台的构建框架如图1所示。以新工科建设为契机，从产品设计、生产、制造、优化等全过程的需求出发，革新培养理念、创新培养模式、加强专业认证，系统地培养提升学生解决“复杂工程问题”的能力，以期培养的工程科技人才能够支持新经济、新产业、新业态、新技术的发展，将为传统的“榔头”实习破局，为新工科系统级人才的工程设计能力培养提供新的思路和探索。

二、课程模块设计

（一）闭环实践教学平台搭建

面对新工科系统级工程能力人才培养的需求，针对研究型大学工程训练和学生能力培养的短板问题，以“设计-制造（增材/减材）-测量-优化”的完整产品开发链为导向，将3D建模设计、先进制造和三维测量技术融合，构建了如图2所示的创新实践教学平台，包含设计、3D打印、数铣制造及三维表面测量，形成了“设计-制造-测量”的闭环实训体系。

图1 面向工程能力培养的创新实践教学平台

图2 搭建完成的创新实践教学平台

（二）课程模块设计

通过计算机硬件与配套建模软件的配置，形成单个具有曲面形状（小尺寸）的零件设计能力。购置SolidWorks三维造型软件、MasterCAM和CAXA等软件，配合计算机网络，搭建三维设计平台。可开设SolidWorks基础使用培训、SolidWorks进阶使用培训、CAXA软件使用培训、MasterCAM后处理使用培训以及三维造型设计等课程。

建设以3D打印系统和数控铣床为主的加工平台，形成与设计零件尺度匹配的现代加工能力，通过多种加工方式的对比分析，尤其强调学生对不同加工方式对产品的工程性和社会与经济性的理解。可开设创意设计与3D打印制作、基于3D打印与逆向工程技术的创新实践、陶瓷产品3D打印、加工中心安全培训以及基于数控加工中心的创新性综合实训等课程。

建设以三维扫描仪为核心的小尺寸加工零件测量系统，形成对已加工曲面零件的三维测量能力。可开设现代测量技术及三坐标测量机实践等课程。

设计、加工和测量各个模块可以开展独立教学，学生开展实践活动的场景图如图3所示。

各个模块也可以系统规划实践教学体系，以具有曲面形状的目标零件作为对象，开展包含设计-制造-测量-优化等系列环节的实训过程，并通过过程性评价及最终产品评价，形成过程性教学效果考核方式。

三、个性化教学内容设计

目前，机械制造金工实习主要以多个工种的操作技能训练为主，所学知识与技能存在相对孤立，没有联系的缺点，而且学生在实习中被动学习。“面向工程设计能力闭环培养的实践”教学模式，既要注重技能学习，更要注重“设计-制造-测量-优化”工程全链的工程意识的建立。通过产品开发工程链闭环培养实践教学环节，能够调动学生的主动性，强化学生的工程设计能力和设计理论的应用能力，培养具有系统级工程能力的新工科人才。

针对目前金工实习单一简单工程技能训练的问题，增加3D打印、数控加工等先进制造手段，培养学生对先进制造技术的理解和实际的工程应用能力，通过对不同加工方法的对比分析，加深理解产品设计与加工方法之间的关联。增加测量和优化设计模块，引入先进测量设备及相应的测量反求软件，从测量中反馈回去优化设计，让学生了解加工工艺的区别，以及从设计阶段如何考虑制造的影响，进而建立质量概念。培养学生发现问题、解决问题能力的同时，培养其团队协作精神，为学生后续创新创业奠定良好的基础。

如图4所示，以具有曲面特征的叶片为对象设计教学内容，贯通三维设计、数铣加工、3D打印和三维测量的全过程，让各个模块不再孤立存在，而是围绕产品生产全链的一个整体。

在实践过程中，可以让学生根据参加科技竞赛、CDIO或者课程设计的情况，调整生产对象，并完成设计、加工、测量到反馈优化的全流程。

四、结束语

金工实习课程作为对学生进行基础工程教育的必修课，长期以来的教学内容都是以加工技能和设备操作训练为主。面向工程能力培养的创新实践教学平台构建，以全工程闭环训练思路，培养学生面向产品开发过程的工程全链意识及系统分析能力。

在实践应用过程中，采用教师指导、学生分组进行，完成了产品设计、3D打印加工、加工中心加工、三维表面检测、成果展示等实践环节，体验了产品从设计到加工再到测量优化的全流程。培养了学生针对复杂机械工程问题，将现代工程工具及信息技术应用于产品设计、制造及运行中的能力。项目在实施过程中得到学生的普遍欢迎，学生的学习热情、兴趣和主动性高涨，教学效果显著，不仅在工程设计能力和设计理论方面能力明显提高，也培养了学生对先进制造技术的理解和实际的工程应用能力;通过对不同加工方法的对比分析，加深理解了产品设计与加工方法之间的关联关系。为学生金工实习改革探索了一条新途径。

在项目实施过程中，搭建了多个实践教学平台，并针对各个平台制定了教学大纲、教学课件、制作实例图纸、各类教学表格等教学资源，同时也积累了教學经验，为今后的教学改革探索奠定了基础。在实践过程中，要求学生理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任，不仅培养了学生发现问题、解决问题的能力，同时还培养了学生团队协作精神，为后续创新创业奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]张静婕，杜劲，郝甜妹.面向工程教育专业认证的机械专业实践教学模式改革[J].高教学刊，2018（6）：114-116.

[2]王绍清，唐跃刚.面向工程教育专业认证的学生实践能力培养探析[J].教育理论与实践，2018，38（3）：18-19.

[3]韦相贵，傅水根，张科研，等.基于金工实习教学改革的微课制作研究与实践[J].实验室研究与探索，2016，35（3）：222-225.

[4]王梦.高校金工实习教学模式的改革和探析[J].亚太教育，2016（36）：96+92.

[5]宋凤莲，陈东，黄亚，等.面向工程教育改革的工程训练教学模式研究[J].实验技术与管理，2021，38（3）：15-17.

[6]刘乾，全震.基于混合式教学模式的数控加工中心实训[J].中国冶金教育，2019 （5）：59-61.

[7]郑志军，卿剑波，陈松茂，等.新工科背景下大学生创新能力的驱动作用[J].实验室科学，2020，23（4）：215-218.

[8]周峥嵘，何流洪.读懂新形势抓住新机遇实现新跨越——新工科范式下工程训练中心的建设[J].高教学刊，2021（6）：69-71+75.

[9]付铁，宫琳，丁洪生，等.新时代背景下工程训练中心建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2020，37（11）：246-249.

基金项目：西安交通大学2020年本科教学改革研究项目“思政视域下的《金工实习》实践课程教学探索”（2053Y）;西安交通大学2020年本科实验实践与创新创业教育教学改革研究专项“面向虚实融合的金工实习课程教学新模式”（20SJZX41）

作者简介：栗茂林（1978-），女，汉族，山西晋中人，博士，高级工程师，研究方向为数控加工、CAD/CAM技术应用与研究、实践教学。620514EC-5787-467A-B35C-34715EDBA998