本科三年级机制专业“智能制造综合工程实习”项目化教学教案

本科三年级机制专业“智能制造综合工程实习”项目化教学教案

一、课程基础与顶层设计——基于产出导向（OBE）的逆向建构

（一）课程定位与性质

本课程系机械设计制造及其自动化专业（本科三年级）必修的集中性工程实践课程，前续课程为“机械制造技术基础”“数控技术”“液压与气动”“传感器与检测技术”，后续支撑“生产实习”“毕业设计”及“复杂工程问题解决”等高阶环节。课程性质为跨学科综合实践模块，以“工业4.0”真实场景为背景，以项目式学习（PBL）为核心策略，实现“工艺知识—操作技能—系统思维—工程创新”的四阶跃升。

（二）【非常重要】【高频考点】课程目标与毕业要求指标点对应

1.知识建构目标：深度整合机械加工工艺（车、铣、钳、数控）、机电控制技术（PLC、气动、传感器）与数字化设计（三维建模、仿真）的交叉知识，形成面向智能制造单元的完整技术认知图谱。

2.能力达成目标：具备典型工业零件（轴/盘/箱体类）从“图样解析—工艺规划—加工制造—质量检测—机电联调”的全流程实施能力；能够针对简单自动化机械（如小型气动搬运站）进行拆装、调试与故障排除；熟练运用CAD/CAM与虚拟仿真软件完成数控编程及加工过程模拟。

3.素养内化目标：建立基于数据的质量意识、精益求精的工匠精神、多工种协同的团队协作伦理以及全生命周期的绿色制造观念。

（三）【热点】课程重构理念

打破传统金工实习“工种轮训”的平行结构，构建“以产品为载体的工程流”逻辑。本教案以“小型桌面级三轴搬运码垛单元核心部件与集成”为贯穿总项目，下设三大子项目：子项目一“精密传动轴的数字化车削加工”；子项目二“气动阀板的复合加工与钳装”；子项目三“单元控制系统的PLC编程与调试”。将常规制造、先进制造、机电控制熔于一炉，实现知识链、技能链与创新链的深度耦合。

二、教学准备与前置规程

（一）授课对象与学时配置

授课对象：机械设计制造及其自动化专业本科三年级第5学期。总学时：64学时（集中4周，每周16学时）。场地：工程训练中心智能制造车间、机电一体化综合实验室。

（二）【重要】教学资源与工装配置

1.设备层：CA6140A普通车床、X5032立式铣床、CK6140数控车床、VDL-850A加工中心、小型钳工台位、西门子S7-1200PLC实训箱、Festo气动元件实训板、计算机辅助设计与仿真工作站（预装SolidWorks2024、UGNX2212、CIMCOEdit）。

2.量检具层：三丰游标卡尺（0.02mm）、外径千分尺（25-50mm）、杠杆百分表、粗糙度比较样块、螺纹塞规。

3.耗材层：45钢棒料（φ45×120）、铝合金板料（120×100×12）、焊条E4303、切削液、润滑油。

（三）【难点】前置能力诊断与异质分组

开课前通过在线问卷诊断学生对“机械制图读图”“G代码基本指令”“PLC梯形图基础”的掌握程度，根据“组间同质、组内异质”原则，每组4人，组合含“工艺策划型”“操作实践型”“控制逻辑型”“质量检测型”角色，轮换担任项目负责人，确保人人经历全角色体验。

三、【绝对核心】教学实施过程全景展开（64学时分阶实施）

本部分以“工程任务逻辑”替代“工种线性排列”，以四阶递进（基础赋能层→专项攻坚层→系统集成层→展演反思层）完整呈现全过程。每阶段均植入【重要】/【一般】知识点标识及【高频考点】/【难点】实战解析。

（一）第一阶段：工程认知与安全伦理筑基（4学时）

1.【一般】智能制造车间现场教学（2学时）：总控启动，参观五轴联动加工单元、AGV小车及数字化看板系统。教师在真实产线旁讲授“制造系统层级”（现场设备层、控制层、执行管理层）。【热点】以当前制造业“黑灯工厂”为引，提问：无人工厂是否需要人？导入“新工匠”内涵——不仅是操作者，更是产线的维护者与优化者。

2.【重要】【高频考点】全周期安全强化闭环（2学时）：拒绝空洞说教，实施“场景—风险—措施”三对照教学。每一工种现场均设置风险点标识牌，学生需在工位旁完成“安全操作确认卡”勾选并签名。特别强调：车床禁止戴手套、铣床装刀必须停机、钳工锉刀无木柄不使用时必须置于虎钳右侧、电气接线必须断电操作。每名学生必须通过“线上安全题库（90分及格）+现场操作安全答辩”双认证方可进入实操。

（二）第二阶段：专项技能研习与典型零件加工（24学时）

本阶段实施“单工种深度研习+产品导向零件加工”的双轨模式。不再进行孤立的“车工三天、铣工两天”，而是每项技能直接服务于总项目零部件制造。

1.子项目一：精密传动轴的数字化车削加工（12学时）——【重要】【高频考点】

（1）工艺阅读与图样解析（1.5学时）：发放传动轴工程图，材料45钢，包含外圆、台阶、退刀槽、M30×1.5螺纹。任务：分组讨论并填写“零件结构特征与对应加工方法对应表”。【难点】学生常混淆粗精加工余量分配，教师以“加工余量金字塔图”直观演示，强调半精车对精度修正的关键作用。

（2）普车基础操作与技能内化（4学时）：并非重复大二金工实习内容，而是以“精度控制”为高阶目标。任务：使用CA6140车床车削阶梯试棒。核心教学点：三爪自定心卡盘装夹找正（百分表打表跳动量＜0.03mm）；车刀几何角度对表面粗糙度的影响（前角、主偏角）；切削三要素（v，f，ap）的现场匹配实训。教师巡回指导，每生必过“端面车平、外圆无锥度”关。此环节嵌入【高频考点】“切削用量选择原则”现场问答。

（3）数控车编程与精度攻坚战（4.5学时）：【非常重要】任务：在CK6140上完成传动轴的完整数控加工。教学策略：

①仿真先行：使用斯沃/宇龙仿真软件验证程序，杜绝撞机风险。教师重点解析G71（外圆粗车复合循环）、G92（螺纹切削循环）指令中参数（U、W、R）的精确含义。【难点】螺纹车削时进刀次数分配与牙高计算，教师以“等面积切削”原理破除学生单纯死记硬背的误区。

②对刀实战：采用试切对刀法，学生需独立完成刀具偏置值的输入与校验。强调“试切长度5mm，直径测量后退刀2mm”的标准动作，防止人为误差。

③首件加工与三检制：首件加工必须由组长、组员互检、教师终检三方签字方可继续。重点使用外径千分尺测量轴颈，要求公差等级IT8以内。教师针对尺寸超差现象，组织“人机料法环”根因分析会。

（4）成果固化：每小组提交1件合格传动轴，随附“数控加工程序单（含注释）”及“过程检测记录表”。

2.子项目二：气动阀板的复合加工与钳装（12学时）——【热点】【跨学科融合】

（1）阀板设计与多轴加工编程（5学时）：使用SolidWorks建立阀板三维模型，该零件包含平面、直角沟槽、4×φ8H7通孔及2×M6螺纹孔。任务：使用UGNX生成加工中心程序。

①【重要】工艺方案辩论：围绕“先铣面后钻孔”还是“先钻孔后铣面”展开小组辩论，教师点评引出“孔加工时毛刺对定位基准的影响”工程经验。

②后处理与传输：将程序通过DNC传输至机床，重点教学传输参数（波特率、数据位）设置及常见通讯故障排除（如串口号冲突）。

（2）加工中心实操（3.5学时）：【难点】学生首次面对刀库及自动换刀，易出现刀具号错乱。教学对策：要求每组必须在加工前填写“刀具卡表”，清晰列明刀号、刀具名称、补偿值。教师逐一核对后方可启动自动加工。实操中重点观察排屑情况与切削液流向。

（3）钳工精密装配基础（3.5学时）：传统钳工训练偏向“榔头制作”，本教案将其升级为“精密孔系加工与阀芯装配”。

①攻螺纹专项：在阀板上加工2×M6螺纹孔。教学要点：底孔直径计算（D=d-1.0825P），强调丝锥切入时垂直度目测法及攻螺纹过程中必须回断屑。

②【重要】去毛刺与倒角：使用倒角器对所有棱边进行C0.5倒角，此环节引入“顾客代表”概念，由教师扮演质检员，以手指触摸法评判锐边是否彻底去除。

③阀芯滑配体验：制作阶梯轴式阀芯，要求与阀板φ8H7孔实现间隙配合（H7/g6）。学生需通过研磨棒对孔进行微量修正，体验“配作”这一钳工精髓。

3.常规技能巩固（此部分穿插在子项目中）：【一般】普通铣削平面加工（2学时）用于阀板基准面加工；【一般】氩弧焊点焊（1学时）用于后续支架连接（仅演示，不强求焊透）。

（三）第三阶段：跨学科综合项目实战——小型气动搬运站集成（28学时）

本阶段是本教案的最高创新点，将机械零件整合为具备控制逻辑的机电系统，全面对标新工科“智能制造工程”能力要求。

1.【重要】【热点】项目导入：发布总任务——搭建一套“双缸气动顺序搬运单元”。系统构成：阀板（已加工）、双作用气缸（2个）、单电控电磁换向阀（2个）、节流阀、S7-1200PLC、电感式接近开关（2个）、铝合金型材支架。要求：按下启动按钮，A缸伸出（模拟抓取）→到位后延时1s→B缸伸出（模拟提升）→到位后延时1s→A/B缸依次缩回→循环5次后自动停止。

2.机械系统总成装配（6学时）——【难点】【高频考点】

（1）零部件全检与清洁：学生需对前序加工的传动轴、阀板进行最终尺寸复测，并对所有零件进行煤油清洗，去除铁屑及油污。强调“清洁度是液压气动系统的生命线”。

（2）支架与气缸装配：使用内六角扳手、力矩扳手将气缸固定在型材支架上。教学要点：活塞杆与负载连接时必须采用浮动接头，防止径向力导致气缸拉伤。现场设故障模拟：故意提供刚性连接件，学生通过盘车阻力大发现异常，教师再引出浮动接头的选型原理。

（3）气动回路搭建：根据气动原理图，使用φ4/φ6PU管连接气源、三联件、电磁阀、气缸、节流阀。核心教学法：实行“接线/接管双确认制”——两人一组，一人连接，一人对照图纸复核并在图纸对应位置打钩。教师随机抽查管路连接密封性（听声、手感）。

3.电气控制系统设计与调试（12学时）——【非常重要】【高频考点】

（1）PLCI/O分配与硬件接线（3学时）：给出S7-1200（1214CDC/DC/DC）端子排。任务：完成启动按钮、停止按钮、2个接近开关的输入接线，以及2个电磁阀线圈的输出接线。【难点】学生极易混淆PNP与NPN传感器接线逻辑。教师实施“信号发生器模拟教学法”：用信号发生器模拟接近开关触发状态，学生用万用表测量输入点通断，直观理解“高电平有效”含义。

（2）控制程序阶梯式建构（6学时）：摒弃以往“教师编好程序，学生验证”的模式，实施“半成品程序填空法”。

①基础层（2学时）：教师提供包含主程序块、变量表的空白框架，学生完成自锁、互锁电路的梯形图转化。此部分【一般】，旨在建立PLC基本编程感。

②核心层（3学时）：【热点】【难点】编写顺序控制程序。教学工具：引入GRAPH（顺序功能图）语言，比梯形图更直观表达“步+转换”逻辑。学生将搬运站动作流程分解为S0.0至S0.4共5步，在GRAPH中插入互锁条件及定时器。教师重点解析“步进不重入”的保护机制。

③优化层（1学时）：增加“急停复位”与“单步/自动”切换功能，此为工程实用必备功能，体现程序健壮性。

（3）人机交互初级体验（3学时）：【热点】使用西门子精简面板或PC端WinCCRT实现简单监控画面，要求显示“当前步序”“循环计数”及“故障报警”。学生通过拖拽控件完成画面组态，并建立变量连接。

4.系统联调与故障注入排故（6学时）——【绝对核心】【高频考点】

（1）空载调试（1.5学时）：先断开气缸负载，仅测试电磁阀得电是否正常、PLC程序逻辑是否符合预期。学生通过观察LED指示灯及聆听阀芯换向声判断动作。

（2）带载联调（2学时）：连接气缸，调节节流阀使活塞运动速度适中（不喘振、不冲击）。【难点】气缸爬行现象的解决：教师引导学生检查气源压力是否不足、导轨是否平行、润滑是否到位，形成“现象—物理机理—解决方案”闭环。

（3）【重要】故障排故实战（2.5学时）：设置“最具工程代表性的三类故障”——传感器信号丢失（遮挡接近开关）、电磁阀线圈烧毁（串接LED模拟断路）、程序逻辑死循环（故意错置转换条件）。要求每组在规定时间内利用“万用表测通断、PLC状态监控、逻辑推理”三步法锁定故障点并修复。此环节学生参与度极高，是技能内化的关键爆发点。

（四）第四阶段：成果展演、多维考核与工程复盘（8学时）

1.项目路演与动态验收（3学时）：每组进行3分钟陈述+5分钟系统动态演示。演示时必须展示“正常连续运行”与“手动处理异常”两个场景。邀请企业导师（来自合作机器人公司工程师）担任评委，从“机械装配工艺质量”“电气布线规范”“程序结构合理性”“团队分工协作”四个维度打分。

2.【难点】图纸与技术文档整理（3学时）：工程技术人员不仅会做，更要会写。要求每组提交：

（1）机械零件竣工图（含实测尺寸标注，红线标注与理论值的偏差）；

（2）电气原理图（I/O接线图）；

（3）PLC程序注释清单及变量表；

（4）调试过程问题日志（记录至少3个典型问题、根因分析、解决措施）。

教师逐组审阅图纸，重点检查尺寸链闭环及符号规范性。

3.个体反思与集体复盘（2学时）：采用“ORID焦点呈现法”。客观性提问：今天我们完成了什么？反应性提问：哪一刻让你感到最有成就感/最挫败？诠释性提问：这个项目让你重新理解了哪些以前学过的理论（如材料力学、流体力学）？决定性提问：如果你重新做这个项目，会在哪里投入更多时间？通过深度对话将感性经验升华为理性认知。

四、【非常重要】全要素考核与增值评价体系

坚决摒弃“唯作品论”或“唯考勤论”，实施“过程数据采集+结果质量认证+团队贡献区分”的三维评价。

（一）过程性评价（占比50%）

1.【重要】操作规范数字化（15%）：利用车间物联终端，教师手持PAD在工位旁即时打分。关键扣分项：未停机装刀（-5分）、量具使用后未擦洗归位（-2分）、安全防护眼镜未佩戴（-10分并约谈）。

2.【高频考点】工艺知识随堂测（15%）：每天下午收工前10分钟进行“微测”，内容均为当日实操中必须理解的原理，如“为何车螺纹要开合螺母？”“为何气缸要加排气节流阀？”等，强制学生不仅动手更动脑。

3.团队协作日志（20%）：组员每日轮流担任记录员，使用云文档填写《项目进展与贡献表》，包含“今日完成实物图”“个人工时记录”“明日计划”。教师通过批注功能进行异步指导。

（二）终结性评价（占比50%）

4.【非常重要】实物作品质量（25%）：采用三坐标抽检或常规量具全检，重点考察传动轴关键尺寸CPK（过程能力指数概念渗透）、阀板平面度、气动系统无泄漏。设立“±0.01mm精度奖”“最美布线奖”等荣誉激励。

5.【难点】综合答辩与技术文档（20%）：企业评委根据答辩表现及图纸规范性给分，特别关注“异常处理思路”而非单纯的成功结果。

6.【一般】同伴互评（5%）：使用在线匿名互评系统，每人给同组其他成员分配“贡献系数”，最终个人得分=小组作品分×个人贡献系数。有效避免“搭便车”