机械类专业capstone综合实作项目的开发与教学实践

在《国务院关于国家职业教育改革实施方案的通知》（国发[2019]4号）中，把“推动高等职业教育高质量发展”作为国家发展战略，把“推动校企全面加强深度合作”作为高等职业教育应用型人才培养的有效途径。

在教育部关于《全国普通高等学校体育教育资源本科课程方案》（教体艺[2003]7号）中，明确指出“顶石课程”是为毕业班开设的综合四年所学知识的课程，这是我国首次把“顶石课程”纳入高校人才培养课程体系中，对于推动本科人才培养教育教学改革具有重要意义。

Capstone课程（capstone courses）是国际工程教育专业认证规范所要求的重要必修课，受到国际工程教育界的广泛重视。Capstone课程，即整合性综合实作课程或顶石课程，是指大学高年级学生在校内教师或企业教师指导下，应用所学专业课程知识，解决复杂且整合性工程设计制造问题的教学过程，是本科课程教学的最后一门课程。通过Capstone课程教学，可以更好地引导学生学习与结业，促进教学效果。本文以国际工程教育认证“以学生为中心、OBE、持续改进”三大理念为引导，结合机械专业特色，开发Capstone课程塔式起重机设计与制造实践项目，培养学生工程实践能力。

1　Capstone综合实作项目来源与设计制造任务

按照国际工程教育认证规范，在开设机械设计制造及自动化专业Capstone必修课程中，选择QTZ40塔式起重机设计制造课题作为综合实作项目，是经广东白云学院与北京精雕集团（东莞）公司共同麟选的18个经过整合的

QTZ40塔式起重机设计制造

100:1的比例要求，发布设计和

50多年历史。塔式起

80%的特点，在工业领起重机基本结构设计与制造采用内部爬升式和外部附着式，在工作机构中采用了先进技术，如新结构、新工艺、新材料、直流电机调速、可控硅调速以及涡流制动器；在回转和运行机构中，安装有液力耦合器；QTZ类型塔式起重机都是上回转动臂式，可整体托运，我国专门制定了《塔式起重机设计规范》（GB/T 13752-1992-2017），以满足港口装卸与建筑施工的工程需要，充分体现了塔式起重机设计制

造与工程应用背景。

图1　QTZ40塔式起重机

按照《塔式起重机设计规范》（GB/T 13752-2017）规定，本次设计选取的QTZ40自升式建筑用塔式起重机的利用等级为U4，载荷状态为Q2，起升等级为HC2，则整机工作级别为A4，名义载荷谱系数K m=0.25。另外，查阅塔式起重机使用手册和《塔式起重机设计规范》（GB/T 13752-92）附录L，起升机构、回转机构、变幅机构以及顶升机构的工作级别如表1所示。

表1　工作机构级别

起升机构回转机构

K m=0.25

回转机构

K m=0.50

变幅机构

K m=0.25

顶升机构

K m=0.25 T4 L2 M4T4 L3 M3T3 L2 M3T1 L2 M1

其中，T为机构利用等级；L为机构载荷状态；M为机构工作级别；K m为名义载荷谱系数。塔式起重机主要

（广东白云学院 机电工程学院，广州 510450）

摘　要：针对机械类专业Capstone综合实作项目开发与教学实践问题，以国际工程教育认证“三大理念”为引导，开发塔式起重机设计与制造作为Capstone综合实作项目。首先，对塔式起重机设计与制造项目的工程背景和涵盖的专业知识结构进行了分析，确定了整机和机构的工作级别以及项目设计制造的技术要求；其次，在塔式起重机Capstone综合实作过程中，通过组织学生团队、协作分工等方法，在校企双方教师指导下，引导和激发学生通过查阅资料、研究讨论，整合所学专业知识、自主分析计算、设计验证、绘制图纸、编排制造工艺、选择切削刀具和设计切削路线、数控加工编程、数控加工中心设备操作、总体装配调试、总体装配及测试等全周期工程过程体验，为学生今后从事机械工程类工作提供帮助，培养他们综合工程能力，提高分析和解决机械领域复杂工程问题的能力。

关键词：工程教育 Capstone课程 塔式起重机 人才培养

升速度为0.63m/min。

表2　起升特性参数表

倍率A=2A=4

起重量（t）空钩220.1844速度9261143020 4.5

3　Capstone综合实作课程的教学目的及塔式起重机项目的知识涵盖

Capstone综合实作课程是为大学本科高年级学生、特别是临近毕业的学生开设的必修课，通过本课程学习，使学生将所学数学、自然科学、专业基础理论和专业技术课程等整合成统一整体。机械工程Capstone综合实作课程是为机械设计制造及自动化专业开设的一门整合性、综合性实作课程，通过塔式起重机项目的综合实作将所学机械基础理论和技术技能、团队合作素质等应用于工程实践，获得对机械工程相关领域的道德伦理和社会等问题的全局认识，帮助学生理解理论和实践相关性，引导学生适应将来的机械工程职业工作，为学生真正进入企业与社会打下坚实基础。

3.1　Capstone整合性综合实作项目的教学目的

首先，整合性综合实作课程是综合检查学生专业课、专业基础课教学效果的重要方法，通过本课程实践，应用机械工程技术和其他先修课程理论知识与技术，使所学知识得到进一步巩固、深化和发展，提升学生综合设计应用能力，实现IEET国际工程教育认证EAC规范中，专业核心能力培养的Capstone作用。

其次，通过分组分工协调沟通共同设计制造综合项目，促进学生团队进一步熟悉分析、计算以及绘图等机械设计基本技能，熟悉查阅手册、图册等设计资料，熟悉标准和规范等工程伦理，掌握计算机辅助设计与制造CAD/CAM 等方法，学习和掌握现代化智能精雕3轴、4轴、5轴数控加工制造工艺和制造过程。

最后，通过对综合设计题所给产品总成的现状调研、资料文献查阅和课程知识再学习，对产品总成进行构思设计，明确设计制造方法、步骤及重点技术要求，拟定设计、制造工作方案，进一步推动学生团队团结合作、沟通交流，共同解决机械领域复杂工程问题，培养学生团队观察、提问和分析问题及解决问题的能力，树立正确的设计理念、加工制造工艺和工程伦理态度。

总之，整合性综合实作课程是锻炼学生综合思维、团队合作、发现问题、协同解决问题能力和创新意识的重要手段，是学生从求学阶段过渡到工作和创业就业阶段的重要环节；培养学生尊重科学、尊重工程伦理的良好习惯，使学生充分认识到自己每一笔、每一个数据都与企业发展息息相关，从而养成认真细致、一丝不苟的工作作风；对于培养机械设计工程师团队所需结构设计能力和机械设计制造及自动化专业学生核心能力而言，综合实作课程是很液压顶升系统、电气控制系统及安全保护装置等五大部分组成。塔式起重机设计与制造涵盖机—电—液等专业知识，

满足机械类专业Capstone综合实作课程教学大纲的要求；塔式起重机设计与制造所涵盖的理论、技术和工程应用等专业知识，适合综合性、机械工程复杂性、需要团队协作共同完成的Capstone课程，具体涵盖知识结构如图2所示。

图2　塔式起重机的涵盖知识结构

4　塔式起重机整合性综合实作项目的设计制造内容对塔机进行合理设计和有效制造直接关系到塔式起重机应用性能、安全性能、工作效率及经济性。按照《塔式起重机设计规范》（GB/T 13752-2017）以及QTZ40型塔式起重机的基本技术参数，计算出塔机所主要承受的载荷，完成QTZ40型塔式起重机三大工作机构的设计及计算。

然后，对塔式起重机各零部件进行结构分析，主要是零部件力学结构以及加工方法研究分析，从而明确零件结构及其加工工艺。通过绘制零件工程图，确定各组合零件所需要的加工精度及其要求；确定所需毛坯大小以及尺寸；确定加工所需要的基面、加工零件粗基准和精基准以及设计加工工艺路线；确定零件加工精度和结构形状。通过应用相关软件，进行零件加工选择合理刀具以及对零件加工进行数控编程，并用模拟仿真来观察其加工合理性。

在对塔式起重机各个零部件加工制造需要的8套铣床夹具进行设计。按照零部件的加工要求，设计夹具的结构方案。在满足一定精度要求下，对零部件加工制造进行合理的、正确的安装、定位以及夹紧，也要考虑到零件间的连接和螺钉、螺母等固定件的使用，对所设计夹具的进行材料的选择、制造。

5　塔式起重机整合性综合实作项目的教学实施过程由5名学生组成设计制造综合实作团队，协同分工，共同完成塔式起重机整合性综合实作项目的设计与加工制造任务。整个教学实施过程分为两个阶段：第一阶段，为第六个学期，在校内，历时2周，对课题项目技术要求进

在企业中，历时3

验证和加工制造、总装、测试。

图3所示。

和验证，

设计与计算；