一次面向工程师培养模式的毕业设计

来源:用户上传      作者: 武维承　武　熙

　　摘要：本文介绍了一次新颖、成功的毕业设计教学改革过程，探讨研究了面向工程师培养模式的毕业设计教学改革的方法、步骤、要求、成果和经验等，分析了这种模式的合理性、科学性、先进性和可行性。
　　关键词：工程师；培养模式；毕业设计；教学改革
　　
　　毕业设计是高等工科院校教学计划的重要组成部分，是学生从学校走向社会的最后一个实践性、综合性的教学环节，相对其他教学环节而言，它对进一步培养学生分析问题、解决问题的能力，全面提高毕业生素质，使之尽快适应社会需要起着更为重要的作用。
　　然而如何搞好毕业设计，各学校由于操作方法不同，结果也有很大差异。我校在机械设计制造及其自动化06级毕业设计中，本着面向工程师培养模式的教学目标，采用了模拟产品设计的教学改革方案，取得了较好的效果和经验，并从中探讨和研究了工程教育培养的目标、要求和方法等问题，对开展工程师培养模式的教学研究与实践起到了积极的推动作用。
　　
　　一、毕业设计教学方案的探索
　　
　　我校是从2002年开始招收工科专业本科生的，作为专业课教师，从学生一入学就开始考虑如何开展毕业设计了。由于笔者和几位教师正在研究和设计一种称作支盘成形机的建筑地基施工机械，为此曾发表论文多篇，出版专著一部。在设计和研究的过程中，我们深深体会到作为一位机械工程师应具备的基本素质和能力，联想到教学中的毕业设计，如果让大学毕业生达到或基本达到能够开展类似产品设计的程度和能力，将会对提高学校的教学质量和学生在就业中的竞争能力一定会有突出的收获和效果。但是要完成这样的设计，从教学计划的时间上看是不可能的。于是，就考虑吸引部分机械设计爱好者，利用业余时间，开展第二课堂，进行模拟产品的设计。
　　这样的教改思路与教研组教师和系领导通报之后，立即得到大家的肯定和支持，于是决定在06级学生中开展一次探索性的、非正规的教学改革：由学生自愿报名，利用业余时间，开展这项模拟产品设计的教学活动。
　　由于各方面工作都组织得比较好，设计工作进展顺利，同学们很快就喜欢上了这项活动。并经教研组和系里研究决定，即以此业余教学活动为起步，延续到利用毕业实习和毕业设计时间，进行一次面向工程师培养模式的教学改革项目，设计题目确定为《ZPCXJ－×××／××××型支盘成形机结构及机加工工艺设计》。
　　
　　二、设计课题的选择及设计任务的确定
　　
　　1．设计课题选择的依据
　　(1)作者近年来一直进行此方面的科技研究和开发设计工作，手头有这方面的研究资料和设计经验，能够方便地指导学生开展这项活动，这是能够开展此项教改工作的外部条件。
　　(2)项目组主要成员在开展“支盘成形机”的设计研究过程中，充分体会到作为一个机械工程师，当他走上工作岗位后所面临的主要问题和应具备哪些基本素质和能力。为此对学校的教学过程和方法进行反思，促进了开展教学改革和研究的创新，这是能够开展此项教改工作的内部动力。
　　(3)这个课题的设计内容比较全面。其结构为一个涉及连杆机构、液压装置等的中等复杂程度的机械产品；其制造涉及车、铣、刨、镗、钻和磨削等各种冷加工技术，铸、锻、焊等各种热加工技术和各种复杂的热处理技术；其内容既包括机械设计，又包括加II艺设计。这不仅培养了机械工程师的整体能力和全面素质，更重要的是实现了教学目标。
　　(4)这是一个新产品，一个正在研究和开发的未定型产品。开展这样的设计，不仅局限在机械设计的理念上，而且更具有产品开发的意义，这又激发了学生的创新精神和创造意识。
　　(5)这不仅是一个传统的学科，而且还可以和其他学科紧密结合形成一门新的边缘学科。因为学生必须在了解工程地质、地基基础和建筑施工等方面的基本知识后，方可进行设计。这是实现现代教育思想，培养新世纪宽基础、跨学科人才的重要手段，也是开展此项教改工作的更高层次的目标。
　　
　　2．设计内容和要求
　　(1)关于设计题目
　　设计题目虽然只有一个，但原始数据每人一组，设计的结果在方案上可以是相同的，但其计算结果、图形结构形状和尺寸等是完全不同的，这样不仅保证学生的设计必须要由自己亲自完成，同时还将这个产品开发为一个系列化产品。这样有利于学生在设计过程中互相协作、交流和沟通，充分发挥其主观能动性，去分析、研究并最终找到一个共同的解决方案。当然，也有不能达成一致意见的，或由指导教师确定，或者干脆就保留几种不同的方案，形成明显的对比，更有利于学生创造性思维的发挥和创新精神的培养。
　　(2)关于设计任务
　　按照项目组的教学实施计划，本次设计要求每位同学完成如下任务：
　　①设计任务的内容。对“支盘成形”设备的总体设计和其两个主要部件――“工臂工作机构”和“推力液压缸”，从几何参数计算、结构原理设计、结构尺寸和强度等设计、装配图设计、全部60多个零件及精度设计、大部分零件加工工艺设计、复杂零件的数控加工编程等进行全面设计。
　　②设计成果的形式。设计成果要求同学完成《支盘成形机设计计算说明书》、“设备工作系统示意图”、“总体设计外形图”、“各主要部件装配图”、“主要部件全部零件图”、“大部分零件加工工艺卡”、“个别复杂零件数控加工程序”等。
　　
　　三、设计过程中的知识运用和能力培养
　　
　　1．知识准备和课题调研
　　首先是由同学自学《挤扩支盘桩及其成形设备――技术与应用》等书籍；查阅有关资料，了解本设计课题的服务对象、应用价值和国内外最新动态等。这是一个知识准备过程，同时也是一个自学能力和资料检索能力的培养过程，更是一个有目的、自觉的课题调研过程。
　　之后，带领学生深入地基施工现场，进行现场调研和方案构思或方案设计。这个过程非常重要，是学生进行理论联系实际的重要方式，是激发学生应用自然科学知识，发挥自己的主观能动性，认识和改造世界，开展创新的良好切入点。
　　
　　2．设备总体设计方案的确立
　　首先要考虑设备的作用是什么?设计要解决的主要问题是什么?在合理规划设备的工作过程和基本要求、设备工作机构的工况特点和动作要求等的基础上，还应考虑设备工作过程中可能出现的其他问题等。分析和研究之后，即可拟定出“支盘成形机”工作机构的工作原理图、设备配套装置及工作系统图和整个设备的机械传动系统及液压传动系统图。
　　这个设计过程是十分复杂的，需要机械专业方面的基本知识，还需要设备服务对象的基本知识。学生把在大脑中的形象思维转变成产品模型的初步设计方案的过程中，常常会出现多种设计方案，需要进行比较和优化，经过多次修改或迭代，最终确定合理方案。
　　
　　3．设计原始数据及技术参数的确定
　　一些设计只有其原始数据还远远不够，必须经过进

一步的分析和计算确定一些其他必要的技术参数，方可进行下一步设计。这些参数的确定，常常要运用数学和力学等理论知识进行详细精确的分析和计算，确保设计能够科学合理，这是对学生开展技术设计的思想意识、从事技术工作的负责精神和精益求精的科学态度的考验和培养。
　　
　　4．部件结构设计及计算
　　机身及推力液压缸连接装置的设计及校验计算，机身及工臂工作机构主要结构尺寸及其各连接结构件的设计和校验，零件图设计等。推力液压缸各缸体内、外径的设计计算，推力液压缸推、拉力的计算，推力液压缸的主要结构件尺寸及其各连接结构件设计和校验。最后完成机身及工臂工作机构和推力液压缸的装配图设计和全部零件图设计等。
　　设计计算的知识涉及机械制图、理论力学、材料力学、机械设计、机械原理、液压传动与控制等专门知识。这是检阅学生基础知识学习扎实与否的重要环节，是对学生进行机械产品设计基本功的强化训练，是学生能否成为一个合格工程师的必然途径。
　　
　　5．零件及其精度设计
　　零件精度设计是一项看似容易，实际复杂的工作。它是机械设计与机械加工工艺设计有机联系的纽带，是机械工程师必须具备的关键技能。机械设计是否合理，能否达到设计的要求和理想目的，零件能否加工制造，产品成本是否科学合理等一系列指标，都与零件的精度设计有关。计算和经验虽然在零件精度设计中非常重要，但通过产品的试验和试生产，发现缺陷与不足，进而加以适当的改造才是更重要的一环。
　　
　　6．部分或全部零件的加工工艺设计
　　机械加工工艺设计所涉及的知识包括公差配合、机械制造工艺学、金属切削机床与刀具、装备设计、数控技术和CAM等一系列相关专业课。
　　机械加工工艺过程由若干个工序组成。机械加工中的每一个工序又可依次细分为安装、工位、工步和走刀。不管什么样的生产类型都要求有较为细致的组织分工及合理的机械加II艺规程。作为一个现代化的机械设计制造工程师，必须具备快速并且合理的设计工艺路线和填写工艺卡片的能力。此外，对一些高精度零件，还进行了数控加工程序设计，培养和强化了学生数控编程的实际工作能力。
　　
　　7．技术文件的编制
　　技术文件主要是毕业设计说明书及其相关附件等。这些文件是对整个设计过程的全面记录和总结，是体现设计者的思想、意志和行为的书面文件，是完成设计任务的重要标志，是设计者介绍设计成果、产品价值和使用说明等的重要手段。编制这些技术文件时，学生需熟练掌握各种计算机办公软件的使用，从而成为一个现代化办公技术应用和信息技术应用的行家里手。
　　
　　四、教改成果
　　
　　1．知识应用比较宽阔。学生在进行毕业设计的过程中，不仅对其所学的专业知识进行了一次比较全面、细致的应用，而且还解决设计中的实际问题，特别是机械与建筑的有机结合，使学生的知识面得以拓宽，这是培养多学科、跨专业的现代化复合型人才的有益探讨和有效途径。
　　2．能力培养十分全面。这样的毕业设计对学生的能力培养是多方面的。比如分析问题和解决问题的能力，跨学科、跨专业综合分析问题的能力，计算机辅助设计和办公软件的应用能力，产品设计和开发的基本能力，机械设计及机械制造的基本能力，科学研究和技术创新的初步能力，自学能力和资料检索能力，论文的撰写能力等。
　　3．学生素质得以提高。在培养学生能力的过程中，学生的素质也得以大幅度提高，主要体现在如下几个方面：理论联系实际、改造世界的创新精神和创造意识，新产品设计与开发的意识、创业意识和市场意识，团队精神和协作意识，精益求精的工作态度，认真负责的工作精神，用于科学工程技术描述和论证的文学素养等。
　　4．教师能力有所强化。通过这样的毕业设计，使教师的科研能力和教学水平得到有效强化，显然，这也是培养具有较强实践工作能力、教学科研能力和创造能力的，符合时代特色和要求的合格教师的有效途径，是加强大学师资队伍建设的有效手段。
　　5．教学质量得到保证。由于这种教学模式科学合理，教师在指导中方法得当、孜孜不倦，学生在设计中克服困难、全力以赴、兴趣盎然，因此取得了良好的效果，教学质量得到保证。
　　
　　五、存在的主要问题
　　
　　设计工作量大，设计时间较长：教师指导工作复杂且量大：要求指导教师的能力和水平较高，责任心强；软硬件要求较高；设计资料和教学经费必须充足等。为了实现这种工程师培养模式的教学实践，就需通过改革教学计划或培养方案，加强教师队伍建设，进行体制改革等来实现。如果学校的配套改革没有能够跟上，这种设计模式就难以继续，只能是一两次改革尝试，其研究成果得不到有效落实和发扬光大。因此，教学改革的基础必须是学校内部管理体制的改革和学校领导及管理层教学指导思想的转变。
　　综上所述，这次以面向工程师培养模式的毕业设计是一次比较成功的教学改革，其模式不仅有合理性和科学性，而且有先进性，符合工程教育的内在规律，符合当代工程教育发展的形势要求；尽管操作起来比较困难，但只要有广大教师献身教育事业的牺牲精神和奋斗意识，有学校管理体制的配套改革和强有力的支持，是完全可以实现的。这种模式的进一步完善和推广应用对解决当前工程教育存在的问题，扭转当前工程教育改革的困境会起到非常积极的推动和促进作用。

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