工程问题驱动的塑性成形专业毕业设计新模式

相 楠，郭俊卿，皇 涛

（河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471000）

引言

先进制造技术的快速革新对人才知识结构与能力、创新意识和知识更新、工程教育界与产业界的协同合作提出了新要求［1-2］。上述因素对包括塑性成形类高级技术人才在内的装备制造行业人才培养提出了更大的挑战。如何培养适应先进制造行业发展需求，融入企业发展现状的塑性成形工程高级技术人才是新形势下高校塑性成形专业教学活动中面临的主要课题。

通常，通过主干课程的学习，学生可以掌握部分知识点或者一类知识点，但是，依据每门课程成绩无法判断学生是否充分、熟练地掌握了相关知识，并能够在复杂工程问题中合理运用。以“塑性成形数值模拟”课程为例，通过课堂学习，学生能够使用Dynaform、Deform等有限元分析软件对板料拉深、棒料镦粗等简单成形过程进行仿真分析，即“会用”［3-4］。但是，难以对于实际零件成形过程进行合理的仿真分析，其原因在于对板材材质、几何结构、尺寸、界面摩擦、工序设计等多重因素的影响估计不足，即难以将仿真手段“用得好”“用得精”。

而毕业设计（论文）可以将各门课程的知识点串联起来，通过毕业设计，可以判断本科教育能否达到培养目标以及对于培养目标的达成程度［5-6］。鉴于国内大多数高校塑性成形专业通过了工程教育专业认证，毕业设计（论文）更是践行“产出导向教育”（Outcome-based Education,OBE）理念的核心环节［7-8］。

然而，由于传统教学模式、评价体系和学生知识架构的局限，现行的毕业设计（论文）模式严重背离工程教育专业认证的产出导向教育理念［9-11］。受限于此，现行毕业设计（论文）模式难以满足新时代下我国高级工程技术人才培养要求，严重制约了本科学生综合能力的提升，降低了本科学生在就业市场的竞争力。因此，以实际工程问题为载体，并以此驱动塑性成形专业毕业设计（论文）的模式创新，对于引导学生主动融入并适应产业发展的实际需求，促进“产出导向教育”理论在塑性成形教育教学领域的推广和拓展具有重要意义。

一、塑性成形专业毕业设计（论文）的常规组织形式及存在的问题

以河南科技大学塑性成形专业2018—2020届的毕业设计（论文）为例。其中，成形工艺及模具设计类比例约占78%；学科前沿研究类比例约占13%；新方法、新工艺、变形过程控制类等比例约占6%；模拟与解析建模类比例约占3%。可见，成形工艺及模具设计是占据绝大多数的。但是，在对该类选题进一步分析后发现，该类选题主要存在以下几个方面的问题：（1）设计内容与工程实际脱钩严重，学生与产品、企业、生产线不接触，工艺设计和模具设计脱离设备、送料形式、坯料材质、批量、环保要求和经济性等实际因素；（2）设计内容缺乏遴选和系统设计，其深度、广度和新颖性无法充分保障，存在深度过深或过浅、任务量不足等问题；（3）学生认为毕业设计（论文）对其工作或升学帮助不大，学习积极性低，投入精力不足。

显然，脱离工程实际、忽视内容导向性和学生参与度的塑性成形专业传统毕业设计（论文）体系无法达到工程教育产出导向理念要求的教学目标。

二、塑性成形专业毕业设计（论文）的模式优化及革新

（一）构建“以解决实际工程问题为导向，多口径并行”的毕业设计（论文）柔性选题机制

毕业设计（论文）题目应是工程实践中急需解决的问题或学术界关注的研究热点，题目应具有实用价值或理论意义，并与国家经济战略的方向一致。具体改进措施如下。

1.优化毕业设计（论文）选题导向及课题结构。题目要符合企业、工厂、社会工程实际，保障题目的真实性、创新性和先进性，并能够提供充分的设计依据。

2.基于工程化导向，拓宽毕业设计（论文）选题口径。通过引入企业的实际工程设计项目，派遣学生深入企业承担部分设计任务，参与教师主持的工程类研究项目以及开放式选题、探索性选题等方式，实现多种选题模式并行。

3.建立毕业设计（论文）选题预先筛选制度，用“适合”的学生做“合适”的课题。针对不同类型的题目设置不同的选题要求，做到因材施教、量力选题。

（二）以产学研合作育人为抓手，建立“企业主导、教师协作”的毕业设计（论文）过程管控机制

指导教师要保证题目的深度、广度可以达到毕业设计（论文）教学目标的要求，同时充分调动学生的积极性。具体措施如下。

1.将企业的工程需求合理匹配于毕业设计（论文）教学目标中。面对企业的工程设计或研究需求，需要首先对拟解决的问题进行分析和拆解，提炼出与塑性成形专业相关的设计或研究关键点。

2.通过企业与教师的协作，监控毕业设计（论文）目标，并监督学生独立开展毕业设计（论文）。在开展毕业设计（论文）的过程中，企业工程技术人员负责对学生的设计或研究过程进行校核，教师负责对学生的设计或研究方向和规范性进行指导，学生应当好企业工程技术人员的助手，通过独立思考和分析开始实际工作，真正成为课题的主角。

（三）建立“面向工程实际，鼓励开放式探索”的毕业设计（论文）质量评价机制

在毕业设计（论文）质量评价方法方面，需要将学生解决工程问题的能力单列考查，并提升其评分权重。重点考查学生在解决实际工程问题过程中，对于工艺、材料、模具、设备、技术经济性、过程管理等的处理策略。由企业技术人员和教师评价其设计的实用性、可行性、规范性、创新性和先进性，作为评分、推优的主要评价指标。学生毕业设计（论文）成绩应由企业技术人员、指导教师和设计单位共同给出，毕业设计（论文）得分作为需求企业录用学生的重要参考。

三、新模式下的毕业设计实施案例及成效评估

（一）教学设计

为了评价上述毕业设计（论文）模式的可行性及效果，开展了为期三届（2020—2022届）的教学试点工作，参与试点的学生来自河南科技大学材料科学与工程学院塑性成形专业，每届选择学生8～10人。试点时间为本科第四学年上学期第18～20周以及本科第四学年下学期第1～16周。其中，包含“双向”选题2周、毕业设计（论文）16周。具体环节包括：确定题目、选题、下达任务书、开题、中期检查、毕业答辩。

新型毕业设计（论文）模式开展过程中，教师主要从以下几个方面提升课题的工程导向性以及保障教学质量：（1）通过企业调研和研讨，确定适合于塑性成形专业本科毕业设计（论文）的实际工程问题范围、性质及其与塑性成形专业关键知识点的结合性；（2）在主持的科研项目中选择合适的应用背景，为学生提供工程设计课题，实现教学、研究相辅相成；（3）在毕业设计（论文）选题阶段，与学生座谈，沟通课题主要内容、知识基础、能力要求、就业去向等问题，为不同学生匹配不同类型的课题；（4）定期组织毕业设计（论文）进展报告会，检查学生工作进展，严格考核每个阶段的课题进度，为学生指明解决问题的思路或途径。

（二）教学实例

以2022届某本科毕业生的毕业设计为例，介绍一下实施细节。该生毕业设计内容为盒形端盖零件的冲压工艺及模具设计，所设计的目标零件为薄壁壳形零件，该零件在盒形拉深结构上带有筒形凸起，形成了复杂的阶梯形几何特征，成形工艺具有一定复杂性，课题来源于洛阳市某耐火材料生产企业。

在分析了盒形端盖零件的使用要求、生产要求、材料特性、批量、设备吨位和形式等实际因素后，确定了“落冲—拉深—反拉深—局部校形—二次拉深—二次校形—切边”的生产工序；对毛坯尺寸、拉深次数、压力中心、成形工艺力、凸凹刃口尺寸和公差、成本效益等进行了详细计算；采用落料冲孔复合模、拉深反拉深复合模、二次拉深模、切边模以及两套整形冲头完成零件生产；使用板料成形有限元分析软件ETA/Dynaform辅助计算毛坯尺寸，并模拟分析了各工序的成形过程，基于模拟结果优化了模具结构和工艺方案；采用Solidworks、UG等计算机辅助设计软件绘制了二维和三维模具零件图及装配图，并撰写了设计说明书。依据设计结果，与工厂配合加工了成形模具，并试制了样件，成形试件满足了设计和使用要求。

（三）成效评估

由于该毕业设计课题来源于企业的实际工程问题，设计方案是否可行以及设计方案的优劣直接决定了能否低成本、高效率地实现零件生产，这是企业盈利的关键。因此，要优先保证工艺的可靠性，并尽可能降低模具成本，提高产品精度。因此，学生应充分考虑生产各环节的影响因素和实际工况，增强他们对于企业生产过程的整体理解，这是传统毕业设计（论文）模式难以实现的。同时，为了保证工艺和模具的可行性，要求学生必须开展工艺仿真分析，不能仅凭工艺计算来确定工艺方案和模具形式，这就避免了传统毕业设计（论文）结果不能反映实际工艺过程、无法实现生产的问题，使得学生真正可以解决复杂工程问题。此外，为了保证图纸的规范性和准确性，要求学生使用三维计算机辅助设计软件绘制立体模型，然后转为二维图纸，过程更加直观，避免了直接绘制二维图纸可能出现的错误，提升了学生使用设计和造型工具的能力。

概括起来，采用新型毕业设计（论文）模式后，学生直接面向实际工程问题和科技前沿开展毕业设计（论文）工作，其工程思维能力大幅提升，对计算机辅助设计、计算机仿真分析软件等工程工具的掌握更加扎实，设计结果真实可靠，能够直接应用于工业生产，使学生具备了解决较为复杂的工程问题的能力，效果显着优于传统毕业设计（论文）模式。

结语

以企业实际工程问题为驱动，在选题、过程管理、质量评价三个方面对塑性成形专业毕业设计（论文）的模式进行优化，能够有效解决传统毕业设计（论文）脱离生产实际、学生积极性低、难以达成“产出导向教育”目标的问题。在试点过程中，学生的工程视野大幅拓宽，采用工程思维考虑问题的能力有了较大提升，对于工程工具的掌握程度由单纯的“会用”转变为“熟练使用”，从而能够游刃有余地应对工程问题中的设计难点。与传统毕业设计（论文）模式相比，新型毕业设计（论文）模式使得学生敢于面对复杂工程问题，具备了从整体上对工程问题进行分析和判断的能力，能够使用计算机软件对关键环节进行辅助设计或分析，学生解决复杂工程问题的能力有了大幅提升。