项目驱动的研究生实践教学案例库建设——以航空智能制造专业学位培养为例.pdf

132-2023 年 6 月第 26 期Jun.2023No.26教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM项目驱动的研究生实践教学案例库建设以航空智能制造专业学位培养为例胡俊山，方金荣，田 威（南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016）摘 要 随着产业结构的转型升级，以航空宇航制造为代表的先进制造业对复合型高素质人才的培养提出了更高的要求。针对航空智能制造专业学位研究生现有教学模式中存在的“重理论，轻实践”问题，开展项目驱动的实践教学案例库建设。在分析专业特点和实践教学现状的基础上，探讨了项目式案例教学的必要性，构建了以增强现实辅助装配、钻铆装备数字孪生、机器人精度补偿三个技术专题为代表的实践教学案例库。实践表明，教学案例得到了学生的普遍认可，有效促进了学生综合实践能力的培养，满足了行业对创新实践人才的需求。关键词 项目驱动；航空智能制造；实践教学；案例库基金项目 2021年度南京航空航天大学研究生教育教学改革研究项目“面向智能制造的产教融合专业学位研究生培养模式探索与实践”（2021YJXGG16）作者简介 胡俊山（1988），男，湖北宜昌人，博士，南京航空航天大学机电学院副教授，主要从事飞行器先进装配技术与智能装备研究。中图分类号 G643.2 文献标识码 A 文章编号 1674-9324（2023）26-0132-04 收稿日期 2022-10-21近年来，随着智能制造技术的不断发展，传统装备制造业与高新技术深度融合，逐渐向数字化、智能化、系统化、高端化方向发展，全面实现产业的转型升级。综合了机械、计算机、自动化等多融合交叉学科的航空制造业，作为高端装备先进制造技术的典型代表，成为“中国制造2025”的重点发展领域。航空制造业具有专业融合性强、实践目标性强等特点，这对相关领域的复合型人才培养提出了更高的要求，即不仅要重视基础理论知识的积累，还要注重工程实践能力的培养，以期发挥对国家重大战略项目的支撑作用1。然而，目前的教学模式以教师单向授课为主，存在重理论讲解、轻实践应用的弊端，过于抽象深奥的专业知识不利于提高学生的学习积极性，导致教学效果远不及预期，工程实践能力不足的缺陷越来越明显，所培养的人才难以满足航空智能制造岗位和技术需求。为了助力我国航空制造业快速发展，加快推进产业结构的优化升级，培养经济发展新动能，亟须对航空智能制造专业的人才培养模式进行有效变革，引入项目驱动式教学实践手段，深化协同创新、产教融合，培养能够适应航空智能制造发展需求的特色应用型和复合型高素质人才。本文针对航空智能制造专业人才工程实践能力与行业需求不匹配的现状，探索新工科背景下专业学位研究生培养体系架构，以互动性和实践性为核心，创新性地提出项目驱动式的教学案例库建设，改变传统的研究生培养过程中教学内容不直观、缺乏实践内容、科研平台条件落后等问题，有效整合校内外优质资源，实现知识传授、价值塑造和能力培养的多元统一，从而提升学生在工程项目中分析和解决问题的能力，满足行业对新型专业学位研究生的人才需求。一、航空智能制造专业学位特点与实践教学现状专业学位研究生不同于一般意义上偏向学术研究的研究生教育，前者针对特定行业和产业需求，以培养满足特定需求的特色应用型和复合型高层次人才为目标。随着我国研究生教育培养模式的优化变革，专业学位研究生因其具有的实践性、职业性、应用性，逐渐成为面向社会需求的人【教法研究】133-第 26 期才主力。从专业技术层面分析，专业学位研究生需要具备四项核心能力，即实践能力、创新能力、分析能力和交流沟通能力2，能够综合运用所学专业知识和实践技能，独立分析并解决工程实际中的技术难题，如图1所示。对于当前社会环境下研究生培养质量的严苛要求，项目驱动式的研究生培养模式突显了较强的适用性及必要性。航空智能制造专业具有多学科交叉融合的显著特点，综合性、复杂性、实践性强，其核心专业研究方向包含飞机装配技术与装备、智能工装设计、飞机自动钻铆技术等诸多领域，旨在培养宽口径、厚基础的专业人才。目前，我国的研究生实践教学中存在实践教学方法陈旧、教学内容缺乏系统性规划、综合实验平台老旧，且与科研需求相距甚远、教学实践效果差等问题。尽管目前部分高校开展了如制孔、铆接等部分实验课程，但由于先进工艺装备及耗材成本极高，试验平台难以完全复原，实验难度与综合应用程度仍明显落后于实际工程项目，导致航空智能制造专业学位研究生创新实践能力的培养大打折扣。因此，必须革新现有的教学模式，以项目为驱动、案例为导向，同步提升学生专业理论水平和工程实践能力。二、项目驱动式实践教学案例库典例项目驱动教学模式主要依托于具体工程实践项目，以项目为驱动，结合项目的实施进程和评价反馈不断优化教学内容和课程设计，让学生在跟进项目的过程中学习专业理论知识并强化工程应用实践能力3。相比于传统的人才培养模式，项目驱动教学不仅可以充分激发学生的科研创新潜能和学习积极性，变被动学习为主动学习，提高学生在工程实际中分析和解决问题的综合能力，还可以有效转变师生交互关系，帮助实现教学模式从“教师为主体”向“学生为主体”的转变，有助于应用型和复合型人才综合素质和能力的培养，进而满足行业对创新人才的需求。同时，航空智能制造专业具有显著的综合性、前沿性和复杂性，知识体系涵盖了机械、电子信息、计算机、自动化等多个领域，目前尚未形成全面系统的培养模式。通过专业方向实践教学案例库建设，以具体的项目案例引导学生多角度、全方位地了解和分析专业问题，实现专业基础知识和前沿科研领域的有机融合，进一步强化专业学位研究生工程和实践能力的培养，推动高校研究生培养模式的有效变革4。本文以三个案例说明项目驱动式实践教学在航空智能制造专业学位研究生培养过程中的作用。（一）基于增强现实引导的飞机辅助装配案例增强现实技术（Augmentedreality,AR）是由虚拟现实技术发展而来的一种新兴的人机交互技术，其将通过计算机重建的虚拟场景或真实物体的非几何信息叠加到真实世界里，“无缝”集成虚实世界以对现实世界进行增强补充，可有效提高用户的感知能力和交互体验，具有虚实结合、实时交互、三维注册等突出特征5。飞机零部件具有种类多样、结构复杂、数量巨大等特点，在装配过程中作业难度大、协调关系繁多、操作复杂，对装配人员的专业技术要求极高。而受限于多方面的因素，高校较难还原飞机装配试验场地，学生只能通过课堂理论教学和查阅相关文献资料了解相关知识，无法直观感受飞机装配过程，难以深入理解飞机装配技术及原理。增强现实技术的应用，可以最大限度地利用数字化技术实现飞机装配过程中的重点难点可视化、形象化，并通过飞机装配实践教学平台和可穿戴式显示设备开展情境式教学，大幅提升学习者的参与度，以一种更为自然的方式实现与学习对象间的交互，激发学生的科研兴趣和学习积极性，有利于创新实践能力的培养，同时也为教师提供了全新的教学模式。基于AR辅助装配技术设计研发了智能可穿戴装配原型系统，实现了对目标识别、场景定位以及虚实融合渲染技术的研究，结合飞机机翼部件装配、线缆装配、机器人辅助装配搭建了实验验证平台，如图2所示，验证了增强现实技术在飞机装配技术中的可行性5。以机翼零部件装配为例，通过Unity将模型信息、装配顺序、装配位置、装配路径等信息封装到应用程序中并在可穿戴设备上图1 项目驱动式教学培养体系机械设计计算机技术自动化控制传感检测技术电工电子技术能力培养知识维度工程实践能力交流沟通能力技术创新能力问题分析能力项目管理能力学生项目胡俊山，等 项目驱动的研究生实践教学案例库建设134-教育教学论坛2023 年 6 月运行，即可将信息投射到设备的透视镜面，从而对零部件的实际装配提供直观形象的安装引导。同时，装配过程中通过智能装配空间采集装配信息并上传至云端进行融合和处理，自动返回关键点位置信息，方便用户对完整装配过程质量进行控制和分析。在实践教学过程中，学生通过佩戴AR眼镜与虚拟场景中的飞机零件进行手势交互，在镜面装配信息的引导下，通过各考核关键点处的可交互操作题目，即可完成飞机零部件的装配，从而掌握飞机装配的相关知识和实践能力。让学生体验真实深刻的沉浸式操作，使学生在游戏般的实践过程中系统地掌握飞机装配技术原理、装配工艺以及实验分析法，培养学生在工程实际中分析和解决问题的综合能力1。图2 AR技术在机翼装配实践项目中的应用（二）飞机钻铆装备数字孪生案例数字孪生的核心是充分利用物理模型、多传感器信息、历史进程等数据，在计算机虚拟空间中完成对物理实体的映射，形成以孪生数据驱动的工艺装备智能决策和闭环控制。数字孪生技术具有很强的应用实践性，对学生的工程能力要求较高，仅通过软件仿真和查阅资料的学习方式无法深入理解技术细节，较难形成全面的知识体系，面对实际项目难题时容易无从下手。通过项目实践教学的方式引导学生提出问题和解决问题，学生可以完整地参与每一环节的技术调试，有效培养了在工程实际中分析解决问题的能力。以六轴机械臂数字孪生为例，学生根据项目要求完成平台“上位机+下位机”的开发，如图3所示。首先采用多传感器融合技术，对臂杆应力应变以及关节动态扭矩等数据进行监测，完成多源数据可视化实验。在此过程中，充分考查了学生对电工电子技术和传感检测技术的掌握程度，有效排查了知识盲区，对完善理论知识体系起到了积极作用。随后基于3DE数字孪生平台完成六轴机械臂仿真模型构建，通过ADS通信建立实体与虚拟空间的数据传输通道，通过编程实现机械臂姿态实时检测、传感器信息可视化、上位机指令解耦与控制等功能。经过项目推进过程中的每一步技术试错和功能完善，学生更加全面系统地学习了包含机器人控制、物联网通信、模型仿真在内的多学科理论知识并加以综合实践，加深了对专业核心技术的理解，进一步强化了学生的项目开发能力和工程实践能力。（三）机器人综合精度补偿技术案例飞机机体机构中包含很多大型轻薄构件，在复杂多变的环境下承受各种作用力，对飞机综合性能有很大影响，因此对部件的加工精度和装配质量提出了更高的要求6。现有的自动化装配技术中，工业机器人的作业精度无法满足设计需求，因此提出机器人多级精度综合补偿技术，要求学生充分掌握机器人学的相关知识，具备自主设计机械加工类综合实验以及分析解决问题的能力。但现有的教学模式与应用结合不紧密，学生大多停留在表层知识的理解，对实际项目的自主二次设计和开发仍存在局限性。以构建基于多级精度补偿策略的机器人铣削系统项目为例，实践试验平台如图4所示。学生通过搭载了铣削精度补偿系统的KUKAKR500机器人，对复合材料舱段展开铣削精度实验，根据实验结果不断改进误差标（a）机翼零部件装配（b）线缆装配（c）机器人辅助装配图3 六轴机械臂钻铆系统数字孪生建模（a）六轴机械臂实体（b）六轴机械臂仿真模型135-第 26 期定模型和精度补偿策略以满足项目预期目标，验证了技术方案的可行性。以项目实践的方式驱动教学，引导学生自主查阅资料、构思设计方案并优化技术细节，提高了学生分析问题解决问题的能力，还对原有知识体系进行补充和完善，加深了学生对机器人精度补偿原理及机械加工方法的理解，使其直观深刻地体会理论方法的实际意义，真正做到学以致用。相较于传统的教学方式，其更具明显的创新性、灵活性、实践性，可以有效推进学生理论掌握、案例验证和技术创新的递进式工程能力训练7，充分培养学生的创新实践能力。结语航空智能制造专业具有综合性、复杂性、实践性强的显著特点，培养过程中的教学模式容易走入重理论轻实践的误区，导致无法达到预期的教学效果，不利于复合型人才综合素质的培养。本文针对航空智能制造专业人才工程实践能力与行业需求不匹配的现状，创新性地提出项目驱动式的教学案例库建设，结合具体案例实现理论教学和项目实践的有机融合，不仅达到高层次人才培养的目的，还丰富了航空智能制造专业的教学内容，为探索新工科背景下专业学位研究生的培养体系架构提供了更加广阔的思路。参考文献1 胡俊山,王忠康,田威,等.基于沉浸式虚拟现实技术的飞机装配课程教学实践研究 J.当代教育实践与教学研究(电子刊),2020(23):168-170.2 张巧荣.项目驱动的混合教学模式研究与实践 J.大众科技,2022,24(6):160-163.3 陈修龙,盛永超,高顺,等.机器人技术 案例库的建设研究 J.创新创业理论研究与实践,2022,5(11):161-163.4柴春鹏,尹绚,王姗,等.材料工程专业学位研究生实践能力培养研究 J.创新创业理论研究与实践,2022,5(3):73-75+109.5 胡俊山,吴悦雅,王忠康,等.增强现实技术在飞机装配教学中的应用 J.科教导刊,2021(26):40-42+94.6田威,焦嘉琛,李波,等.航空航天制造机器人高精度作业装备与技术综述 J.南京航空航天大学学报,2020,52(3):341-352.7 白永强,朱仲杰.项目驱动能力培养的专业硕士教学改革 J.科技与创新,2022(17):149-151.Case-base Construction of Project-driven Practice Teaching for Graduate Students:Taking the Professional Degree of Aviation Intelligent Manufacturing as an ExampleHU Jun-shan,FANG Jin-rong,TIAN Wei(College of Mechanical&Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,Jiangsu 210016,China)Abstract:With the transformation and upgradation of Chinas structure of production,the advanced manufacturing industry represented by aerospace manufacturing has put forward higher requirements for the cultivation of compound high-quality talents.Aiming at the problem that the current teaching mode for graduate students in aviation intelligent manufacturing values theoretical knowledge more than practice,a project-driven practice teaching case base has been constructed.On the basis of characterizing the courses of aerospace manufacturing and its unsatisfied current situation,the necessity of project-based case teaching method is highlighted.The cases of augmented reality-assisted assembly,digital twin model of drilling&riveting equipments and the robot precision compensation technology have been presented in detail.It indicates that the project-driven practice teaching method has been widely recognized by graduate students.It promotes the cultivation of students comprehensive practical ability effectively and meets the industrys demand for innovative practical talents.Keywords:project-driven;aviation intelligent manufacturing;practice teaching;case base胡俊山，等 项目驱动的研究生实践教学案例库建设图4 铣削系统试验平台和复合材料舱段西门子 840Dsl数控系统铣削电主轴复合材料舱段LeicaAT960激光跟踪仪KR500机器人本体