基于数字化制造的机械类专业实践教学改革与探索

数字智库 (2) 4个月前

一、前言
李克强总理在2017年考察天津职业技术师范大学时强调要让“工匠精神”渗入每件产品的每道工序,生产精细优质的产品,使中国制造不仅物美价廉,而且品质卓越[1]。中国工程院周济院士在2015智能制造国际会议上指出:“制造业创新的内涵包括三个层次:产品创新、制造技术创新、产业模式创新。在这三个层次中,数字化、网络化、智能化是制造业创新的重要途径”[2]。中国工程院柳百成院士在2017年11月第三届中国制造高峰论坛上也提出“数字化设计与制造,是智能制造关键基础技术,是智能制造的底层”。
“中国制造”迈向“中国创造”,需要高科技创新人才,更需要一大批大国工匠来实现。近十几年来,由于各種原因,工科专业的教学尤其是实践教学方面存在着诸多问题,如工科教育理科化、实践教学狭隘化[3]。笔者所在学校的机械学科具有显著的工程特色、职教特色、师范特色,为深刻领会李克强总理在天津职业师范大学考察时提出的要求,要培养“工匠之师”,在人才培养方面主动适应国家制造业与湖南省工程机械转型及供给侧改革的现实需求,专业教学倡导“实践先行、行知合一”的理念,遵循“认知实习—理论学习—实践探索”的规律,在实践中创新创造,在实践教学中蕴含“工匠精神”。
二、机械类专业实践教学思考
伴随着信息技术的发展,数字化设计与制造技术已成为机械工程学科大学生必须掌握的技能之一,也是大学毕业生就业核心竞争力的重要体现[4]。但如何实现数字化技术与专业课程教学的深度融合,还存在着一些误区与不足。
(一)教学理念有偏差
当前高校在数字化技术的教学方面存在着不同的看法,有些学校认为“够用”就行,人才培养与学科教育仅仅着眼于当前企业需求,甚至是落后于企业需求,认为培养了企业现在能用的人才便可。例如,CAD技术教学还是以讲授二维CAD画二维工程图为主,须不知,产品设计制造全三维可视化是发展趋势。因此,高等教育更应该站在科技前沿,面向未来培养人才,引领企业的技术改革与创新。
(二)课程体系与教学内容滞后
机械学科历史悠久,体现机械原理与结构的教学思想需要传承,但随着信息技术与设计制造技术及工具的发展,现行教学体系与教学内容仍然是基于十年前甚至是几十年前传统设计制造模式来制定,已经落后于时代。例如,尽管在机械制图中加入CAD技术,但没有实现机械制图与数字化技术的融合,仍用大量时间和精力讲画法几何中的一些原理。
(三)教学手段相对落后
在数字化技术迅猛发展的时代,教学手段仍然是黑板与粉笔,顶多也就是用多媒体讲PPT,缺乏信息化教学平台,应用数字化设计制造辅助教学水平不高。如用三维CAD技术或虚拟技术辅助机械原理与设计的教学,把CAE技术应用于工程力学与机械优化设计中。
(四)实践教学与理论教学脱节
各高等院校在加速建设工程训练中心的同时,受到思想观念、师资水平、政策法规及管理水平等诸多因素的影响,实践教学与工程训练水平参差不齐。实践教学与理论教学脱节,实践课时少,综合训练少,有些课程是集中上完理论课后再进行实践,其实,一些实践应用性强的课程完全可以放到实验室上,做到理实一体化。另外,由于学校创新教育的缺失,学生对工程实践兴趣不高,重理论研究,轻实验论证。
(五)教学资源管理模式落后
没有专门用于教学的信息化管理平台,教学资源还在用纸质文档手工保存,学生的课程设计、毕业设计、实践材料等都还是纸制文档,不同的课程保存在各自任课老师手中,没有实现集中统一管理,也没有实现共享,若能通过一个信息化平台仿真企业数字化设计制造环境进行实践教学与电子文档的管理,学生所获得的专业能力更符合于现代企业需求。
三、基于数字化制造的实践教学改革探索
现代制造企业经过信息化提升改造,产品研发、设计、制造、管理等方面都发生了深刻的变革,利用数字化制造技术提升企业的设计制造水平、提高产品质量已成为一种共识。为培养企业需要的人才,作为高校教育工作者,应积极响应教育部高等学校机械类专业教学指导委员会发出《关于落实<中国制造2025>行动倡议》,推动机械类专业教学创新。
(一)构建数字化设计制造一体化实践教学平台
根据数字化设计与制造一体化要求,构建高等工程教育实践教学平台,构建一个虚拟的企业仿真环境。
1.构建实践教学平台的总体架构
2.研究的具体内容与实现的功能
a.构建搭载实践教学平台的局域网。
b.运用主流三维CAD软件和CAE工程分析软件,构建设计与分析平台。
c.运用CAM数控编程与加工仿真软件,构建数控编程与加工仿真平台。
d.利用DNC管理数控机床NC程序及机床数据监测、传输。
e.学生作业的下载、上传及批阅,教学资源的共享与管理。
f.构建PDM协同工作平台,实现对CAD模型、工程图样及分析数据、CAM刀路、NC程序、机床参数、学生作业及教学资源的管理,并设置相应权限,实现信息的集成。
3.建立各种电子库
(二)基于数字化制造的机械类专业实践教学模式探索
学校可根据实际情况,选择合适的数字化设计与制造工具,探索数字化技术与课程的深度融合。   1.CAD技术与相关课程的综合实践及教学方法研究——教学实施中,可以结合《机械制图》及《机械设计》讲述三维零件建模、装配体、工程图技术。三维CAD技术的高级功能模块可结合《模具设计与制造工艺学》、《加工成型工艺》等课程组织教学。
2.CAE技术与相关课程的综合实践及教学方法研究——应用CAE软件的运动仿真模块辅助《机械原理》等课程进行教学,其有限元分析模块可辅助《材料力学》、《动力学》等课程组织教学。
3.CAM技术与相关课程的综合实践及教学方法研究——CAM技术是《数控技术》、《先进制造技术》等课程的辅助教学手段及补充。
4.数字化设计与制造一体化集成系统及教学方法研究——构建以PDM为基础的设计制造一体化平台,虚拟企业工作环境,实现协同设计与制造,对CAD、CAE、CAM文档进行统一管理,同时进行教学档案的管理,实现资源的集成与共享。这是一个实验教学平台,也是一门《CAD/CAE/CAM/PDM集成技术》课程。
5.构建教学管理平台,建立电子仓库。
结语
实践证明,尽管湖南师范大学机械类专业基础比较薄弱,学生人数少,但通过基于数字化制造的实践教学改革,人才培养取得了显著效果,自2010年以来,在大学生机械创新设计竞赛、大学生工程训练综合能力竞赛、大学生工业设计大赛、大学生创新性实验计划等竞赛或项目中,共获得国家级一等奖1项、三等奖1项,省级一等奖12项、二等奖6项,立项创新性实验计划项目国家级2项、省级2项、校级20项。学生的数字化设计与制造能力在学科竞赛及创新实验项目中得到充分展示和全面检验,工程实践能力与创新能力得到了有效提高。

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