楊宗輝　王紅星　甄?！堁住±顣匀?/p>

摘要：復(fù)雜工程問(wèn)題的解決能力是焊接專業(yè)本科畢業(yè)生應(yīng)具備的核心能力。以《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》為例，闡述如何通過(guò)焊接實(shí)踐教學(xué)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。分析了《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》非常適合于復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力培養(yǎng)的原因，重點(diǎn)從《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、課程組織實(shí)施以及課程達(dá)成評(píng)價(jià)等幾方面進(jìn)行闡述，并介紹課程實(shí)施效果，以期為我國(guó)高校焊接專業(yè)在復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)方面提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜工程問(wèn)題;工程認(rèn)證;焊接機(jī)電一體化;課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG4;G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0107-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.22

0 前言

2016年6月2日，中國(guó)成為“華盛頓協(xié)議”的第18個(gè)正式成員，這對(duì)我國(guó)工程教育工作提出了更高的要求，尤其是在解決復(fù)雜工程問(wèn)題的核心要求上，更要按照與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)等效的原則來(lái)培養(yǎng)學(xué)生[1-2]。

對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的涵義，華盛頓協(xié)議明確了作為復(fù)雜工程問(wèn)題必須具備下述特征中的（1），且同時(shí)具備特征（2）～（7）的部分或全部：（1）必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才能解決;（2）需求涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互沖突;（3）需要建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;（4）不是僅靠常用方法即可解決;（5）問(wèn)題中涉及的因素可能未完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;（6）問(wèn)題相關(guān)的各方利益不完全一致;（7）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題[3]。

復(fù)雜工程問(wèn)題的解決只有在一個(gè)相對(duì)真實(shí)完整的工程場(chǎng)景中實(shí)踐，才能將多方面因素相互作用而產(chǎn)生的矛盾沖突真實(shí)地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。實(shí)踐教學(xué)相對(duì)理論教學(xué)更能直接培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜工程問(wèn)題的解決能力。研究表明，實(shí)踐教學(xué)對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與基礎(chǔ)理論的應(yīng)用能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力是非常有成效[4-6]，而這些能力正是解決復(fù)雜工程問(wèn)題的關(guān)鍵因素。要想通過(guò)一門(mén)實(shí)踐課程較為完整地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，首先需要選擇合適的實(shí)踐課程，其次要對(duì)選定的實(shí)踐課程按照復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)要求進(jìn)行針對(duì)性的課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，并制定科學(xué)的課程組織實(shí)施方案和合理的課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法。本文以《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》為例，探討如何通過(guò)一門(mén)實(shí)踐教學(xué)課程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1 課程性質(zhì)

《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》是焊接技術(shù)與工程專業(yè)重要的專業(yè)實(shí)踐課程，它綜合了機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、焊接方法與工藝、弧焊電源等多門(mén)課程的基本理論與知識(shí)，是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐課程。該課程有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)抽象學(xué)科理論知識(shí)的理解和掌握以及對(duì)多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用與整合;還有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和跨界整合能力?！逗附訖C(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》選題針對(duì)來(lái)自生產(chǎn)實(shí)際中焊件的自動(dòng)化專機(jī)設(shè)計(jì)，方便與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目完全一致。完成《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》中一臺(tái)自動(dòng)化專機(jī)的設(shè)計(jì)至少需要3個(gè)同學(xué)的通力協(xié)作才能在2周內(nèi)完成，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力?；谏鲜鎏卣?，再通過(guò)精心設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，即可為較完整地培養(yǎng)焊接技術(shù)與工程專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以培養(yǎng)焊接專業(yè)本科生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力為核心目標(biāo)，對(duì)《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)?！逗附訖C(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)圖如圖1所示。基本思路是將為期2周的《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的設(shè)計(jì)內(nèi)容項(xiàng)目化，要求學(xué)生2周內(nèi)完成一個(gè)完整的焊接自動(dòng)化專機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。通過(guò)特別設(shè)計(jì)，項(xiàng)目各階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容與復(fù)雜工程問(wèn)題特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，使項(xiàng)目成為一個(gè)典型的復(fù)雜工程問(wèn)題，學(xué)生在親自完成項(xiàng)目的過(guò)程中，能力得以培養(yǎng)。圖1中還清晰表明了課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與工程認(rèn)證中12個(gè)畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖1可知，《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)內(nèi)容（項(xiàng)目）分為三個(gè)階段：選題、方案設(shè)計(jì)及技術(shù)設(shè)計(jì)。

在選題階段，確定焊件上某具體焊縫是否合適采用專機(jī)自動(dòng)焊及采用何種自動(dòng)焊接方法時(shí)，需要學(xué)生考慮多方面因素，包括技術(shù)可行性方面因素和經(jīng)濟(jì)性方面因素。而焊接工藝則需要學(xué)生運(yùn)用深入的焊接基本理論，經(jīng)過(guò)多方面分析才能合理制定。該設(shè)計(jì)階段具備復(fù)雜工程問(wèn)題的特征（1）和（2）。

在方案設(shè)計(jì)階段，專機(jī)整體方案設(shè)計(jì)要考慮專機(jī)整體結(jié)構(gòu)、焊接自動(dòng)化程度、是否需要采用焊接機(jī)器人等多方面因素，反映了復(fù)雜工程問(wèn)題的特征（2）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要深入運(yùn)用機(jī)械原理并經(jīng)過(guò)分析才能解決，分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要?jiǎng)?chuàng)造性地運(yùn)用高等數(shù)學(xué)建立合適的抽象模型才能解決，焊縫越復(fù)雜，模型也越復(fù)雜，越不能靠常用方法解決，這很好地反映了復(fù)雜工程問(wèn)題的特征（1）、（3）和（4）。

在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，無(wú)論是焊接工裝夾具設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還是專機(jī)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)，均要深入運(yùn)用機(jī)械、控制基本理論并經(jīng)過(guò)分析才能解決問(wèn)題，并且專機(jī)各系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，具有很高的綜合性，體現(xiàn)了復(fù)雜工程問(wèn)題的特征（1）和（7）。焊接夾具要求實(shí)現(xiàn)焊件快速便捷定位與夾緊的同時(shí)，還要具備控制焊件焊接變形的能力，且為了適應(yīng)不同的焊件形狀及自動(dòng)化焊接方案，大部分焊接夾具只能是非標(biāo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的問(wèn)題很多未完全包含在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，需要進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了復(fù)雜工程問(wèn)題的特征（4）和（5）。

綜上，經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的課程內(nèi)容具備了復(fù)雜工程問(wèn)題所對(duì)應(yīng)7個(gè)特征中的6個(gè)，且以項(xiàng)目形式呈現(xiàn)，學(xué)生完成《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的過(guò)程即是自己動(dòng)手解決復(fù)雜工程問(wèn)題的過(guò)程。當(dāng)然，為了切實(shí)提升學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力，還需要科學(xué)的課程組織實(shí)施方案及合理的課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法。

3 課程組織實(shí)施

3.1 選題

課程設(shè)計(jì)中采用學(xué)生自主選題的模式。班級(jí)學(xué)生首先分組，每3～4個(gè)學(xué)生一組。每組學(xué)生自主上網(wǎng)查找文獻(xiàn)資料和視頻資料，然后分析匯總資料，集體討論，并結(jié)合資料和設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行綜合考量，最終確定選題。自主選題培養(yǎng)了學(xué)生文獻(xiàn)檢索能力、分析綜合能力，讓學(xué)生們了解很多工程實(shí)際中焊接機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用情況和應(yīng)用實(shí)例。

自主選題包含兩方面的工作：一是選定被焊工件及被焊工件上具體的擬自動(dòng)焊焊縫;二是制定選定焊縫的焊接工藝。不同的焊接工藝所對(duì)應(yīng)的焊接專機(jī)可能存在很大不同，鼓勵(lì)學(xué)生敢于突破傳統(tǒng)焊接方法與工藝，積極采用合理的新型焊接方法與工藝。

3.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

指導(dǎo)老師首先集中講授焊接自動(dòng)化專機(jī)的設(shè)計(jì)方法與流程，每組學(xué)生再查找相關(guān)文獻(xiàn)并團(tuán)隊(duì)協(xié)作確定初步方案，最后每組學(xué)生和指導(dǎo)老師討論確定最終專機(jī)系統(tǒng)方案。專機(jī)方案要求學(xué)生以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能要求為目標(biāo)，以機(jī)械總體設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，特別考慮焊件的準(zhǔn)確快速定位與夾緊，采用系統(tǒng)分析的方法，擬定專機(jī)的自動(dòng)焊接流程及機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案，完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。要求每組學(xué)生提出2～3種焊件裝夾方案，從功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面進(jìn)行綜合分析和比較，決策出最優(yōu)方案，繪制出專機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合和運(yùn)動(dòng)分析。

3.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)階段采用了個(gè)人與團(tuán)隊(duì)相結(jié)合的模式，學(xué)生們根據(jù)所選課題的設(shè)計(jì)任務(wù)和各自關(guān)注點(diǎn)與長(zhǎng)處進(jìn)行合理分工，分別負(fù)責(zé)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，技術(shù)設(shè)計(jì)期間同學(xué)間要不斷進(jìn)行討論，避免專機(jī)各子系統(tǒng)之間相互沖突。要求設(shè)計(jì)焊件夾具的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算，并考慮零件的結(jié)構(gòu)工藝性和安裝的合理性及安全性，確定電動(dòng)機(jī)功率、型號(hào)、調(diào)速系統(tǒng)，確定電焊機(jī)的型號(hào)、給出主要性能指標(biāo)，確定傳感器具體型號(hào)、尺寸、數(shù)量、安裝位置等，確定PLC 的選型、PLC 硬件接線圖、I/O 表、PLC 程序以及控制說(shuō)明等。

4 課程達(dá)成評(píng)價(jià)

考核方式由平時(shí)考核、課程設(shè)計(jì)答辯考核和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)質(zhì)量評(píng)價(jià)三部分組成。

每個(gè)學(xué)生的成績(jī)由個(gè)人得分與團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)綜合評(píng)定，計(jì)算方法為：個(gè)人課程設(shè)計(jì)評(píng)分=（個(gè)人得分/2）× 團(tuán)隊(duì)完成情況系數(shù)。個(gè)人得分由平時(shí)成績(jī)（20%）、答辯成績(jī)（40%）和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（40%）三部分組成。平時(shí)成績(jī)包括考勤成績(jī)（40%）和設(shè)計(jì)主動(dòng)性成績(jī)（60%）兩部分;答辯成績(jī)包含講述成績(jī)（50%）和回答問(wèn)題成績(jī)（50%），設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)成績(jī)依據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的完成質(zhì)量評(píng)定。

團(tuán)隊(duì)完成情況系數(shù)由各組學(xué)生的個(gè)人得分平均情況及適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)常數(shù)確定。

5 課程實(shí)施情況

南京工程學(xué)院焊接技術(shù)與工程專業(yè)已有兩屆學(xué)生完成了《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》，學(xué)生反響很好，課程設(shè)計(jì)質(zhì)量良好，以小組為單位上交的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)達(dá)到35～50頁(yè)，答辯時(shí)大部分學(xué)生均能流利清晰地講述設(shè)計(jì)過(guò)程與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為期2周的《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的教學(xué)目的。

同時(shí)，通過(guò)《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》的完整設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生進(jìn)一步加深了對(duì)《焊接機(jī)電一體化》《焊接方法與設(shè)備》《焊接工藝評(píng)定》《機(jī)械制圖》《機(jī)械設(shè)計(jì)》等重要專業(yè)課程的理解與掌握，也學(xué)會(huì)或進(jìn)一步熟練了UG、Visio、AUTOCAD、PPT等軟件的使用。更為重要的是，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合工程實(shí)際培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新方法。特別是對(duì)于焊件夾具的設(shè)計(jì)，學(xué)生中涌現(xiàn)出很多創(chuàng)新想法，有些創(chuàng)新的焊件夾具設(shè)計(jì)幾乎達(dá)到可以申請(qǐng)實(shí)用新型專利的水平。

致謝：《焊接機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》實(shí)施過(guò)程中參考了天津大學(xué)材料學(xué)院《材料加工自動(dòng)化》課程設(shè)計(jì)的相關(guān)教學(xué)資料，并得到天津大學(xué)胡繩蓀教授的指導(dǎo)，在此特別致以誠(chéng)摯的謝意！

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