基于OBE理念的塑性成形工艺及模具设计实践教学环节改革

    何敏 黄传辉 王树臣 石端虎 杨峰

    

    

    

    [摘 要]课题组基于OBE理念培养能够解决复杂工程问题的本科生，结合具有工程机械背景的材料成型及控制工程专业特点，以学生为中心，改革实践教学环节。秉承“创新不是无水之源”的改革理念，课题组在实际应用和实践基础上培养学生的创新意识，鼓励并引导团队合作，改以往的“领跑”式教学模式为“助推”式教学模式，以开放式的实验项目为引导，在实验项目的内容安排上不再使用以往外购“黑匣子”式的成套实验设备，而使用自制的开放内部结构和源代码的教学仪器。课题组指出指导教师应详细讲解实验原理和实验仪器设计思路，利于培养学生的创造和研究的能力。课题组还指出配备具有“双师资格”的师资力量作为实验指导教师，利用专业课程的课堂实践教学培养学生技术和非技术能力，可以使各毕业要求具有可衡量性和可操作性。

    [关键词]塑性成形工艺及模具设计;工程教育认证;教学改革

    [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）05-0065-04

    工程教育专业认证是对工程类专业教育实施的专门性认证，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]，引导国内高校在人才培养、学科建设方面的标准化、规范化方向。我国自2006年全面启动工程教育认证工作以来，经过十余年的发展[2]，已经形成了较为完善的体系，其核心目标是把学生培养成满足社会需要的工程人才，强调产出导向，要求专业課程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都“以学生为中心” [3]，围绕学生毕业要求、培养目标达成这一核心任务展开，并强调建立专业持续改进机制以保证专业教育质量和专业教育活力。

    在教学活动中，如何将课堂理论知识与生产实践有机结合，培养学生的工程应用背景[4]，是新形势下高校教学活动中面临的主要课题。本文以材料成型及控制工程专业核心课塑性成形工艺及模具设计实践教学改革为例，根据工程教育要求，结合培养方案和教学大纲，开展了系列的实践教学环节改革活动。课题组秉承“创新不是无水之源”的改革理念，在实际应用和实践基础上培养学生的创新意识，鼓励并引导团队合作，探索改革途径和效果，以毕业要求内涵引导课程实践项目设置[5]，使毕业要求具有可衡量性和可操作性。

    一、改革思路及实践环节安排

    （一）改革以往 “领跑”式教学模式为“助推”式教学模式

    以往基于理论知识掌握为目标的专业课学习“以教学为中心”，教师教在前，学生学在后。由于专业课理论多，公式多，随着学习进程的推进，学生参与度不够，会出现部分学生掉队跟不上，而教师仍然在“前面”“领跑”的现象。工程教育“以学生为中心”教学理念的倡导，促使教师在专业课的实践教学中，以项目带动学生，注意观察掌握学生的学习节奏，在“后面”“助推”。

    （二）采用开放式的实验项目培养学生的创新能力

    明确的学习目的会极大地提升学生的学习兴趣、持久度和专注度，有利于对知识的掌握，将学生带入实验项目任务中。开放式的实验项目为学生提供更多面向工程问题的实践机会，使学生知道为什么学，学什么，增加学习过程的自主性并激发创造性，有利于学生理解含混晦涩的专业名词和专业理论。我们不再使用以往外购“黑匣子”式的成套实验设备，而使用自制的开放内部结构和源代码的教学仪器。教学仪器的内部结构、工作原理一目了然，指导教师能够详细讲解实验原理和实验仪器设计思路，利于帮助学生设计/开发解决方案，培养学生的创造和研究的能力，以往一台设备做一个实验，写一个实验报告，学生知其然不知其所以然的局面得以改变。

    （三）采用基于项目的团队协作方式

    采用项目教学法，其使用零件简单，过程完整且复杂。实验和设计内容以解决一个实际问题为基础，具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题，包括工艺和设计问题的全周期、全流程，有明确的实验目的和任务，有确切的实验提交方法和结果。6个学生为一个实验小组，在7个实验项目中选择项目修满16个学时，组内学生推选一名组长，负责就实验内容、实验耗材、实验进度、实验安排、疑问答疑与同组同学和指导教师交流沟通。实验采用交叉分组的方式进行，充分利用实验学时和仪器设备，培养了学生个人与团队的能力。

    （四）实践环节安排

    塑性成形工艺及模具设计是材料成型及控制工程专业一门重要的专业课程，主要讲述金属体积、板料成形工艺，模具结构，模具设计流程及方法，培养学生结合零件特征合理选择塑性成形工艺、设计，以及分析、协作、就专业问题交流的能力。课程任务是使学生完成工艺选择、模具设计，并且能够正确选配标准件，安装维护好模具，完成基于零件特征的模具的全周期、全流程设计。

    为提高学生在结构设计、安装、使用与维护方面的能力，更快融入工程实践活动，课程内的实验教学活动应面向全体学生。因此，在实验课内容和开展形式上应充分考虑实验分组能让组内所有学生都动手，实验内容能让组内所有学生都动脑，实验效果能让实验所有学生都了解实验和设计全流程、全周期，并保持合理进程和秩序。

    实践课的选择采用开放式，学生从所列的26个学时的实验中选择16学时的实验。课程实验依托于国家级工程实践教育中心、江苏省实验教学示范中心、江苏省重点实验室、江苏省工程实验室、江苏省工程技术研究中心，有足够的实验场地和实验仪器。

    与课程任务对应设立3个课程目标：

    课程目标1：理解典型体积金属开式锻造、闭式锻造、精密模锻、挤压和板料金属冲裁、弯曲、拉深、覆盖件等成形工艺，掌握体积金属和板料金属相关成形制造工艺过程。掌握典型的模具结构和设计计算方法，能够设计典型的金属体积成形和板料成形模具。

    课程目标2：掌握模具材料的选择、模具的制造技术;掌握与材料成形设备的连接方式、模具的安装、拆卸及维修技能。以个人和团队的形式考虑制造、连接、安装、拆卸、维修等因素，优选模具设计方案以解决实际工程问题。

    课程目标3：根据所学内容，在对复杂材料成形工程问题开展测试、实验等研究工作时，能够设计复杂的实验模具。了解材料加工领域相关的技术标准，能够分析材料加工领域中新技术、新工艺的开发和应用对社会、健康、环境、安全、法律及文化的影响，并做出合理评价，理解应承担的责任。

    二、综合型实验项目内容开发

    （一）实验内容的设计体现项目性和协作性

    1.板料成形性实验部分内容

    实验目的：掌握薄板FLC成形极限图实验及绘制方法。

    （1）完成一组实验数据需要10张板料，试样的厚度为1mm，长度为180mm，宽度分别为20mm、40mm、60mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、160mm和180mm。板料的切割准备由实验指导教师完成，按组领取材料。试样放在热处理炉中加热至340℃，保温1小时，然后让试样在热处理炉里进行冷却（板料已被预处理，时间不计入实验学时）。

    （2）采用电化学腐蚀法印制网格：网格大小采用Φ2的圆形网格，在板料全区域印制网格。印制网格如图1所示。

    （3）实验所用模具：基于Nakazima凸模胀形的模具安装在10吨电子万能试验机上完成胀形件的压制，方便操作。

    （4）用于胀形的Nakazima模具及完成胀形压制后单组实验结果如图2所示。

    （5）实验数据的测量及成形极限图的绘制

    采用网格应变分析法测定试样上的极限应变，先测量出颈缩部位或破裂部位的临界网格圆的直径变化，再计算出相应的应变，临界网格圆是用于测量和计算极限应变的网格圆。一个板料上选取3个临界网格圆进行测量，选取的网格圆应该尽量相邻或靠近，并且属于同一种临界网格圆。

    临界网格圆选好以后，将试样平放在桌上，用游標卡尺测量临界网格圆的长轴和短轴的长度d1、d2，测量时游标卡尺的刻度线要与椭圆相切，并且与椭圆的长短轴保持垂直，读数时视线要垂直于椭圆的长轴，以便减小测量误差。按照下列公式计算塑性失稳极限应变：

    工程应变

    [e1=d1-d0d0×100%]? ? ? ? 式（1）

    [e2=d2-d0d0×100%]? ? ? ? 式（2）

    换算为真应变：

    [ε1=lnd1d0=ln（1+e1）]? ? ? ? ?式（3）

    [ε2=lnd2d0=ln（1+e2）]? ? ? ? 式（4）

    测量、计算出所有的数值以后，绘制成试验数据表，之后绘制成形极限图（FLC），如图3所示。

    2.成形零件应力测试实验

    实验目的：掌握应力-应变测试系统及成形零件残余应力测量方法。

    （1）实验原理基于小孔释放法，实验耗材按组领取：测量试样（带有残余应力的塑性变形试样）、砂纸、应变计、静态应力-应变测试仪、电子万用表、手持焊接电烙铁、焊锡丝、导线若干、502胶水、胶带、酒精棉球、镊子、笔、直尺。

    （2）测点定位：为了方便钻孔和贴片，在需要测量残余应力位置处用笔和直尺画一个十字线，贴片时使应变片的中心十字花与在试样表面画的十字线中心位置相重合，确保测量位置的准确性，也为钻孔时提供参考点。

    （3）贴应变计及连接导线。

    （4）测试硬件及数据处理软件：采用带磁力座可即时开合地进行钻孔。钻孔装置、数据采集及处理软件如图4、图5所示。

    （二）师资配备

    实验指导配备双师型教师，指导并检验实验效果。实践指导教师应具有足够的工程背景和实践经验，应具备解决现场实际工程问题的能力。

    双师型教师指具有教师和工程师双重资格的老师。双师型教师必须经过校人事处师资科认定并颁发证书，他们必须具有讲师及以上高校教师职称证书，并具有如下条件之一：

    （1）具有其他行业中级及以上专业技术职称（含行业特殊的资格）证书;

    （2）具有中级及以上执业资格、专业资格、专业技能考评员资格等证书;

    （3）具有在企业第一线从事本专业实际工作的经历（两年以上）;

    （4）应用技术研究成果被企业应用。

    三、评价体系

    （一）成绩评定

    本课程成绩评价由平时考核和期末考试两部分组成，实践环节占40%，其评价标准如表1所示。

    （二）学习效果分析

    将改革后的综合性实验项目应用于2015 级材料成型及控制工程专业，与未实施教学改革的2014级学生成绩相比。2014级分数区间为50～87 分，平均成绩72 分，其中： 60 分以下（不及格）占16%;60～69 分（及格）占27%，70～79 分（中等）占56%，80～89分（良好）占20%， 90 分以上（优秀）无。2015级分数区间为40～93 分，平均成绩78 分，其中： 60 分以下（不及格）占1%; 60～69 分（及格）占29%，70～79 分（中等）占53%，80～89分（良好） 占15%，90 分以上（优秀）占2%。从以上2年的试卷统计分析可以看出， 2015级学生期末考试成绩及反映出来的课程目标达成度比2014级全面提高，说明了该课程在工程教育认证体系下以学生为中心、持续改进的教学效果显著。另外，平时在课堂上与老师互动，问问题的学生明显多了，证明学生通过实践教学改革开始自己思考问题了，并想要去解决问题了。

    四、结语

    工程教育认证以“学生为中心”“产出为导向”，形成“持续改进”机制。课堂教学环节是完成课程目标，达成毕业要求的重要基础单元，以毕业要求内涵引导课程设置，课程目标需支撑学生达成毕业要求，利用技术类课程的课堂教学培养学生各项技术能力。

    认证不是目的而是手段。通过工程教育认证可以推进我国工程教育改革，提高高校工程教育质量，有针对性地培养企业、社会发展需要的有国际竞争力的毕业生，还可以结合学校背景进行探索和实践，将课堂理论知识与生产实践有机结合，培养学生的工程应用能力。

    [ 参 考 文 献 ]

    [1] 中华人民共和国教育部.第一份《中国工程教育质量报告》“问世”[EB/OL].[2014-11-14]（2020-02-10）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s7600/201411/t20141114_1782

    47.html.

    [2] 彭莉峻，韩行.工程教育专业认证下电工电子技术综合性实验项目改革[J].实验室研究与探索，2018（7）：178-181+290.

    [3] 陈涛，邵云飞. 理念与现实：我国高等工程教育加入《华盛顿协议》后的发展趋向探析[J].高校教育管理，2018（1）：54-60.

    [4] 陈世海，王军，代伟，等.工程项目应用于本科实验教学的研究与探索[J].实验技术与管理，2018（8）：178-181.

    [5] 王保建， 陈花玲， 杨立娟，等.工程教育认证标准下的课程教学设置[J].实验室研究与探索，2018（8）：162-166+298.

    [责任编辑：钟 岚]