工程训练中心先进制造技术集约化训练系统建设

　　摘要：介绍了四川大学工程训练国家级实验教学示范中心。中心针对目前工程训练教学和基地建设存在的问题，从示范中心可持续发展和新工科建设要求出发，提出以先进制造技术和信息技术为主线，以系统化、集约化和虚拟现实技术应用为技术手段，以提高效率和效益为目的的“内涵式增长”模式，以及“先进性、专业性、课程性、创意性”四位一体的建设理念，建设了先进制造技术集约化训练系统。所建成的三个集成系统，为开展多层次的工程训练实践教学、进行教学内容的顶层设计和向双创型实验教学中心转型提供了条件。

　　关键词：新工科;先进制造技术;集约化训练系统

　　我国工程训练实践教学改革起步于20世纪90年代，随着“科教兴国”战略方针的实施和多渠道资金对本科实践教学和基地建设的投入，我国工程实践教育取得了迅猛发展。但是工程实践教育的快速发展和质量提升，并不能掩盖客观存在的一系列制约工程实践教育改革和发展的深层次问题，如缺少具有引领和推动作用的顶层设计;缺少科学、系统的课程体系;缺乏对实践教学基地长期发展理论的研究等[1-2]。

　　以“十五”期间建设的33家工程训练国家级实验教学示范中心为例，目前平均面积大约在1.7万m2左右，最大的甚至达到3万m2，设备资产平均将近5000万/个。但在教学模式上，目前绝大多数学校依然按照传统的工程训练课程教学模式运行，大量设备相对独立地按照冷、热工艺方法分类，主要以单机方式运行，教学内容设计不重视对学生建立系统概念的引导，致使工程类实践教学设备存在布局分散、低层次运行及设备功能得不到充分发挥、资源共享程度低的状况。

　　学生反映比较集中的问题是，课程内容分散、工种相对独立、工艺流程前后颠倒、课程缺乏系统性和完整性、学习目的不够明确等，不利于他们的自主学习和全面掌握知识。与此同时，在现代制造业朝着系统化、数字化、技术集成化和多学科交叉方向发展的背景下，一大批先进制造设备正在进入高校的各类实验中心，新技术、新工艺、新设备正在成为工程实践教学的重要组成部分。如何构建新工科背景下多学科交叉的实验教学体系和平台，以适应新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济发展，培养面向“中国制造2025”的高级工程人才，成为工程实践教学内涵建设急需解决的问题[3-7]。

　　1四川大学工程训练中心现状

　　1.1基本状况

　　四川大学工程训练中心是四川省首批省级实验教学示范中心，2007年成为国家级实验教学示范中心，每年有文理工医50余个专业的4000余名学生在中心完成不同层次和不同类型的工程训练及创新学习。在新工科背景下，工程训练中心以多学科基础知识交叉为特色，集基础训练、先进技术训练、创新实践训练和综合素质训练为一体，教学内容注重传统与现代、工程与医学和人文社科的结合，除传统制造技术外，已覆盖先进制造工艺、自动控制技术、特种加工、数控技术、工业机器人、CAD/CAM、特种焊接、基础医学、医学功能材料，以及康复治疗、艺术、文物修复及保护、环境保护和安全教育等多个领域和学科的基础知识训练和综合训练。全程安全教育、医学功能材料与骨科康复、快速成形(3D打印)和激光加工及柔性制造系统等多个实验模块或平台处于国内领先水平。

　　1.2建设思路

　　四川大学坚持办最好的本科教育，努力培养学生的想象力、创造力和探索未来的潜质、能力。学校非常重视本科教学实验室建设，近几年年均投入1.2亿元，按照世界一流的标准和“先进性、专业性、课程性、创意性”四位一体的建设理念，以跨学科/专业共建共享的建设模式和智能化的运行管理手段，搭建了多学科交叉的智能化教学实验平台。

　　示范中心作为实验教学改革、实验室建设与运行管理、学生综合能力和创新能力培养等方面的引领示范单位，长期以来，学校从政策、经费、管理等方面对示范中心给予了重点支持。近年来，随着大批先进制造设备进入中心，建设与之相适应的新的实验教学体系迫在眉睫。中心针对课程内容中冷加工与热加工、传统与现代等方面比例失调和缺乏系统性的现象，从示范中心可持续发展和新工科建设层面出发，提出以先进制造技术和信息技术为主线，以系统化、集约化和虚拟现实技术应用为技术手段，以提高效率和效益为目的的“内涵式增长”模式，发挥综合性大学多学科交叉优势，以及提升整体教学和人才培养质量的建设思路，通过集约化训练系统的建设，将工程训练中心建成具有工业生产氛围的实践教学基地，使学生从课程学习初期就建立起系统概念和学科交叉概念，进而在学习过程中有目的地进行综合训练和创新训练，并为后续课程做好系统学习的准备[8-13]。

　　2集约化训练系统主要建设内容

　　按照综合性大学新工科建设的内涵和要求，集约化训练系统建设，主要体现在教学内容集合优化、教学设备集中布局、教学管理集约运作和教学手段集成应用等四个方面。具体建设途径是，通过集约化实现实验空间与设备的整合与共建共享，搭建多学科交叉融合的实践教学系统，为学生提供在新工科背景下，完成基础训练、综合和专业训练、多学科交叉及创新训练、学科训练、不同层次竞赛及多项社会服务等方面的集约化训练。

　　2.1多种工艺的快速成形与快速制造训练系统

　　四川大学工程训练中心于上世纪90年代，在世界银行贷款的支持下，在国内最早建成了快速成形制造(3D打印)实验教学平台。此后，又经过多次经费投入和设备的集约整合，形成目前多层次、多种工艺的快速成形与快速制造训练系统。该训练系统建设始终以课程改革为先导，以多学科交叉渗透为特色，采取分层次持续建设模式，目前已建成的快速成形与快速制造训练系统，处于国内领先水平。

　　除完成本科教学以外(每年4000人左右)，还可面向全校开出不同层次的多元化训练项目。学生可利用该训练系统完成基础训练、综合和专业训练、多学科交叉及创新训练、学科训练及不同层次竞赛作品制作，如机械产品和模具的快速原型及零件制造、反求工程、人体骨骼与牙齿的构建、假肢接收器的CAD建模和制作，以及考古复原、古文物的综合修复等，这是最受学生欢迎的训练系统之一。

　　2.2多种制造技术集成的特种加工训练系统

　　多层次、多种制造技术集成的特种加工训练系统，借鉴和拓展了快速成形实验训练系统的建设模式，将各类激光加工和已有的数控线切割、电火花成形加工，以及虚拟仿真、测试技术等各类设备进行优化、集合。

　　该系统除了能为机械类学生开出专业类实验外，还能为全校其他专业开出多项创新性实验项目，例如：机械模具制造、服装的激光剪裁、产品的嵌入式标记制作、艺术造型、激光在玻璃体中的焊接与切割、非金属材料的激光切割、微型小孔的设计与制作、产品表面激光装饰设计与制作等。2015年开出的激光加工学生自主创意实验和内雕作品实验，设备使用率高，学生受益面大(每年4000人左右)，得到学生的高度好评。本系统成为我校继快速成形与快速制造训练实验教学系统之后，又一个在工程训练教学中处于国内领先水平的实践训练系统。

　　2.3数字化柔性集成制造训练系统

　　国家教学名师、清华大学傅水根教授指出：“数字化集成制造已经成为现代制造业中的主流技术和核心技术，大学生应该有所接触，有所感知，有所深入。”四川大学工程训练中心通过将科学、人文、工程进行交叉融合，建设了能够满足新工科实验教学要求的训练系统，为新工科实验教学注入新的理念和内涵，推动和促进了“新工科”实验体系、教学内容及教学方法和手段的改革。

　　2.3.1以虚实结合为特色的焊接柔性制造系统

　　焊接柔性制造系统由焊接工业机器人、搬运机器人、立体仓库货架及检测单元等为实体，结合虚拟仿真技术，以虚实结合为特色，能解决目前国内高校普遍存在的教学内容重冷加工轻热加工、焊接对环境污染严重和对学生身体有一定伤害等问题，同时非常适合采用虚拟仿真教学手段来表述焊接时微小的熔池冶金过程。学生可利用该系统进行作品(产品)结构设计、加工工艺制定、加工参数优化等多学科交叉的训练，从而较全面和系统地提升学生的知识结构和应用能力。该系统在国内高校工程训练中心中，是首个具有高集成度、高开放性，真正集光、机、电及信息于一体的，处于领先水平的集约化系统。

　　2.3.2文理工科交叉融合的数字化柔性集成制造训练系统

　　目前，国内一些高校的工程训练中心的柔性制造系统一般为单一机械制造系统。我校工程训练中心按照学校在新工科实践教学方面应提供多层次的学科交叉型实验课程和多元化的实验教学平台的要求，采用由经济管理、应用理科向工科延伸的技术方案，构建以先进制造技术柔性系统(含数控车床、加工中心、数控雕铣机、搬运机器人、测试系统、装配站、码垛机器人、行走机器人等)为主线，集合工程运作管理柔性制造单元，二者共用仓储管理平台、信息管理平台、CAD/CAM、系统监控PC以及立体仓库的文理工科交叉融合的数字化柔性集成制造训练系统，将设计(以学生自主创新设计为主)—制造—工程运作及管理集合为一体。

　　学生利用该系统可了解机电一体化、先进制造技术、管理信息、生产物流和质量检测等的基本概念以及现代制造技术的发展方向，利用多学科不同的知识结构系统，演绎不同的综合/创新实验，进行作品(产品)结构设计、加工工艺制定、工程管理方案选择和成本分析与计算等多学科交叉训练。该系统功能完善，具有高集成度和高开放性，在国内高校工程训练中心中，是学科交叉程度较高、学生受益面较大的高水平数字化柔性集成训练系统。

　　3集约化训练系统建设成效

　　3.1有利于教学内容的顶层设计及拓展

　　通过新购教学仪器设备与原有设备的集成，建设了3个以先进制造技术为核心的集成训练系统，多学科交叉融合程度高。新增实验项目20余个，受益学生2000余人/年，实践教学人时数40000余人·时/年，大大地提高了设备的使用效率，扩大了学生受益面。

　　3个集成训练系统具有多学科交叉的特色，为教学内容的顶层设计提供了很好的技术支持。通过教学内容、教学设备和教学技术的整体集约化，提升了软硬件教学能力，实现了以提高教学效率和效益为目的的“内涵式增长”。

　　这3个工程实践训练系统，将设计(以学生自主创新设计为主)—制造—工程运作及管理集成为一体，学生在焊接柔性制造系统及虚拟仿真教学平台上可进行作品(产品)结构设计、加工工艺制定、工程管理方案选择和成本分析与计算等多学科交叉训练;可在多层次、多种工艺的快速成形与快速制造训练系统和多层次、多种制造技术集成的特种加工训练系统，学习先进的前沿技术，了解新技术和新工艺的发展趋势，训练综合应用先进制造技术和多学科交叉基础知识的能力，例如将快速成形技术与医学、电加工与模具制造、模型数字化采集与激光加工相结合等。

　　3.2对国家级实验教学示范中心建设具有示范辐射作用

　　我校工程训练中心经过多年建设，在完成本校教学、科研任务及相关专业卓越工程师校内工程实践训练的同时，充分利用优质教学资源，发挥示范辐射作用。中心为四川大学中外合作办学的匹兹堡学院的相关3个专业提供1—4年级的全程实践教学和创新训练，帮助和指导西部地区高校工程训练中心建设和课程改革，承担西南民族大学、四川大学锦城学院、四川大学锦江学院等兄弟院校学生实习和教师培训，进行成都市中小学教师工程能力培训、全国青少年夏令营和中学生创新训练等社会服务。我校先进制造技术集约化训练系统建设取得的教学研究成果，将对以新工科为背景进行工程实践教学改革的兄弟院校具有积极的示范作用。

　　4结语

　　新工科研究和实践应围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展，最终必须回归到工程上来。我校工程训练中心充分发挥学科综合优势，推动多学科的交叉融合和跨界整合，以建设多个先进制造技术集约化训练系统为切入点，将中心建成具有工业生产氛围的实践教学基地，从而为学生学习先进制造技术、信息技术以及管理技术提供支持。与此同时，拓展了课程教学体系的顶层设计空间，并推动了国家级实验教学示范中心从基础型向综合型、集约型的内涵式发展，提升了中心的整体水平和区域服务能力。

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