基于“工匠精神”的機械創(chuàng)新設(shè)計實踐課程探索與研究
——以西安航空學(xué)院機械創(chuàng)新設(shè)計實踐課程為例

周 欣，宋 敏，周小勇，王 鵬

(西安航空學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

我國經(jīng)濟高速穩(wěn)定增長，步入發(fā)展新常態(tài)，經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)急需大量創(chuàng)新型高技能人才。創(chuàng)新是經(jīng)濟發(fā)展與社會進步的核心與動力，而培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高技能人才是實現(xiàn)創(chuàng)新的核心競爭力和有力保障。從中國制造走向中國創(chuàng)造，必須要腳踏實地的以“工匠精神”指導(dǎo)人才培養(yǎng)工作。作為高校教師，不但要傳道授業(yè)解惑，還要在各自的教學(xué)及研究領(lǐng)域積極篤行李克強總理倡導(dǎo)的精益求精的“工匠精神”[1]。以精益求精、篤行篤改的“工匠精神”培養(yǎng)大國工匠，鑄國之利器。

所謂“工匠精神”就是追求卓越的創(chuàng)造精神、精益求精的品質(zhì)精神，其精神內(nèi)涵即敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新。應(yīng)用型本科院校要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高技能人才，需要秉承追求卓越、精益求精的“工匠精神”，把“工匠精神”貫穿于各項教育教學(xué)改革工作中。本文以西安航空學(xué)院近年來在機械創(chuàng)新課程教學(xué)改革工作及教改成果為例，結(jié)合計算機輔助工程技術(shù)在機械設(shè)計的發(fā)展與應(yīng)用，探索并提出了以“工匠精神”指導(dǎo)機械創(chuàng)新設(shè)計——CAE技術(shù)與機械創(chuàng)新相結(jié)合的新型培養(yǎng)模式，旨在為提升應(yīng)用型本科院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供一些借鑒。

1 背景與現(xiàn)狀

目前，一些高校在機械設(shè)計學(xué)科領(lǐng)域存在著偏重基礎(chǔ)理論課教學(xué)，對專業(yè)基礎(chǔ)課程的重要性認識不足的問題。例如在專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，沿襲傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對學(xué)生缺乏專業(yè)引導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高[2]，教材更新緩慢，知識陳舊，忽視學(xué)生實際動手能力與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，其結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生一味地死讀書，讀死書，實踐和創(chuàng)新能力薄弱，每年培養(yǎng)的大批畢業(yè)生無法滿足實體經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)對人才所應(yīng)具備的實際技能的要求，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)即失業(yè)。

近年來，隨著各種新的設(shè)計理論與分析方法不斷涌現(xiàn)，大量計算機輔助分析設(shè)計工具層出不窮，同時帶動了機械設(shè)計學(xué)科的深刻變革。隨著電子信息和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，知識的信息內(nèi)容和展示形式越來越多樣化，學(xué)生獲取知識的渠道也越來越寬廣，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式日趨多元化和個性化?；ヂ?lián)網(wǎng)所具有的開放性、分享性等特點，使得原有的機械創(chuàng)新課教學(xué)暴露出一系列問題，如創(chuàng)新實驗室投入不足、實驗室缺乏有效管理、設(shè)備使用率低、設(shè)備維護不到位、學(xué)生無法以興趣為導(dǎo)向做開放性機械創(chuàng)新實驗等[3]。與此同時，課程實踐及實訓(xùn)項目陳舊、難度偏低、缺乏新意且存在大量重復(fù)性環(huán)節(jié)；設(shè)計缺乏知識系統(tǒng)性和相關(guān)學(xué)科的融合性，無法引起學(xué)生學(xué)習(xí)熱情等。因此，機械創(chuàng)新設(shè)計課程的教學(xué)改革勢在必行。

2 探索與實踐

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高技能人才，必須以“工匠精神”為指導(dǎo)，堅持“加強基礎(chǔ)、強化應(yīng)用、突出特色、提高素質(zhì)” 的人才培養(yǎng)指導(dǎo)思想；樹立“以學(xué)科建設(shè)提升本科教學(xué)水平，以本科教學(xué)質(zhì)量促進學(xué)科建設(shè)”的可持續(xù)發(fā)展思路；以“為國家、為航空工業(yè)培養(yǎng)具備良好科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，專業(yè)基礎(chǔ)扎實、綜合素質(zhì)高的高素質(zhì)應(yīng)用性人才”為辦學(xué)目標，依托西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院的教學(xué)實力，逐步形成適合于應(yīng)用型本科教育的特色實驗教學(xué)體系[4]。

西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院在課程及實踐創(chuàng)新方面積極探索并取得了豐碩成果。由西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院宋敏教授等人主講的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”獲2005年國家級精品課程，“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”獲2006年國家級精品課程；2005年和2006年“機械基礎(chǔ)實驗室”和“制造技術(shù)基礎(chǔ)實驗室”被列為重點實驗室建設(shè)項目，2015年“機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心”又被列為重點實驗教學(xué)中心建設(shè)項目；榮獲省級教學(xué)成果獎特等獎1項，二等獎1項；完成陜西省教育廳專項科研計劃項目2項，教改項目2項；“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程獲批國家級精品資源共享課，“機械原理”和“機械制造技術(shù)基礎(chǔ)”獲省級精品資源共享課，“機械制圖”和“公差與技術(shù)測量”獲省級精品課程?！皺C械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心”現(xiàn)已形成了集設(shè)計、制造、計量、裝配和學(xué)生創(chuàng)新一體化的大平臺，為國家培養(yǎng)應(yīng)用型人才創(chuàng)造了更好的條件，成為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要基地。

按照“夯實基礎(chǔ)，注重綜合，引導(dǎo)創(chuàng)新”的實驗改革思路，西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院以實踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標，不斷完善教學(xué)體系，探索多類型、多層次、多方式的實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，提高獨立提出問題、分析問題和動手解決問題的綜合能力。為使實驗課程內(nèi)容能真正滿足學(xué)生基本實驗?zāi)芰Α⒕C合設(shè)計能力和創(chuàng)新發(fā)展能力的實際需要，對實驗教學(xué)的內(nèi)容、方法進行了認真探索和研究，優(yōu)化實驗項目與實踐教學(xué)，并對應(yīng)制定了三個層次的實驗項目。

(1)基礎(chǔ)實驗(課內(nèi)實驗)。通過基礎(chǔ)實驗教學(xué)，使學(xué)生具備基本的實驗?zāi)芰Γ莆栈镜膶嶒灧椒ê蜏y試能力，掌握基本工具的使用，同時對課本中相關(guān)專業(yè)知識的基本原理和基本性質(zhì)有了深刻的理解，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰皠?chuàng)新性實驗?zāi)芰Υ蛳铝藞詫嵉幕A(chǔ)。

(2)綜合設(shè)計性實驗(機械綜合實驗)。為進一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力，增加了“機械系統(tǒng)傳動方案創(chuàng)新組合設(shè)計分析”“輪系創(chuàng)新設(shè)計拼裝及仿真實驗”“創(chuàng)意組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計”“創(chuàng)意組合機械系統(tǒng)裝配訓(xùn)練綜合實驗”和“機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計方案實驗”等實驗項目，學(xué)生可在教師課前布置的多個題目中自行選擇一個題目進行設(shè)計，設(shè)計好后在規(guī)定時間到實驗室進行拼裝搭接，驗證自己的設(shè)計結(jié)果，總結(jié)經(jīng)驗及教訓(xùn)，逐步提升自己的設(shè)計能力及實驗動手能力。通過實驗課程這一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，多數(shù)學(xué)生具備能夠進行簡單機械設(shè)計的能力。

(3)創(chuàng)新實驗(機械創(chuàng)新設(shè)計)。在創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)中，采用全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的主題、內(nèi)容和要求進行機械產(chǎn)品的設(shè)計和制造，著重實踐，強調(diào)“自己動腦、自己動手”。學(xué)生可自行組織設(shè)計小組，自己擬定設(shè)計項目，自由選擇指導(dǎo)教師。學(xué)校每年通過獎勵等政策鼓勵學(xué)生積極參加各類學(xué)科競賽，使學(xué)生在實踐中得到鍛煉，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。學(xué)院還開設(shè)有為期三周的機械創(chuàng)新設(shè)計實踐課程，學(xué)生通過完成選題、定方案、做設(shè)計、出圖紙、試加工、裝配調(diào)試等一系列環(huán)節(jié)，最后由教師根據(jù)學(xué)生提交的實物進行綜合評判打分。對于優(yōu)秀作品，教師和學(xué)生進一步深加工完善，申報發(fā)明專利，并作為后續(xù)競賽的儲備作品。

師生共同研發(fā)教具與實驗設(shè)備。自制了可以加工蠟制齒輪的小型插齒機20臺，價值120萬元。改進機械原理的齒輪范成實驗，將在紙上劃齒輪輪廓變?yōu)榧庸は炛讫X輪。自制牛頭刨床教具，既是機構(gòu)講解教具，也是機構(gòu)運動簡圖測繪實驗中使用的實驗設(shè)備，綜合了機械原理和機械設(shè)計課程中涉及到所有常用機構(gòu)和傳動，其綜合性是現(xiàn)有的機構(gòu)測繪模型所無法比擬的。

3 改革與創(chuàng)新

3.1 引入現(xiàn)代設(shè)計方法與計算機輔助工程技術(shù)

在設(shè)計、分析、計算、校核、繪圖等教學(xué)環(huán)節(jié)中，全面引入ADAMS、UG、AutoCAD、ANSYS等多種計算機輔助分析設(shè)計軟件，探索現(xiàn)代設(shè)計方法與計算機輔助分析設(shè)計手段相融合實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的教學(xué)模式，綜合提升學(xué)生的機械設(shè)計技能[5-6]。學(xué)院開設(shè)了“三維工業(yè)設(shè)計”“計算機輔助機械設(shè)計”“機械工程應(yīng)用軟件”“機械CAD/CAM技術(shù)”等課程。

以大多數(shù)工科院校開展的齒輪減速器課程設(shè)計為例，首先，對設(shè)計任務(wù)書進行理論計算與設(shè)計。其次，利用UG等軟件進行減速器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用三維軟件的二維投射功能或者AutoCAD軟件繪制減速器的二維裝配圖和二維零件圖。在此基礎(chǔ)上，將建好的三維模型導(dǎo)成通用格式，導(dǎo)入ADAMS軟件進行機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計、運動學(xué)與動力學(xué)分析。最后，利用ANSYS等有限元軟件進行強度設(shè)計與校核，優(yōu)化設(shè)計，總體把握并解決現(xiàn)代設(shè)計流程與計算機分析手段的匹配性、時間分配、實施難度等問題，并且對照理論計算的解析解，印證模擬仿真的有效性，加深學(xué)生對知識的理解程度。通過上述步驟可以有效減少實驗成本，加快實驗進程，實驗門檻低，同時提高了學(xué)生操作的積極性[7]。

3.2 建立工匠坊與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐基地

機械工程學(xué)院為了給學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的環(huán)境和條件，搭建了學(xué)生課外科技平臺，提供了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐訓(xùn)練項目場地，實驗教學(xué)中心創(chuàng)建了“大學(xué)生創(chuàng)新實踐教學(xué)基地”，建設(shè)了25個以“創(chuàng)客空間”命名的創(chuàng)新工作室，開設(shè)了“工匠坊”實驗室。其中的創(chuàng)新基地擁有面積達 1000 多平方米，并添置了車床、銑床、線切割機床及數(shù)控加工等設(shè)備，充分滿足學(xué)生的實踐需求。工匠坊實驗室配備基本機械加工設(shè)備，提供有機玻璃或者金屬型材、鋁材等實驗材料，對簡單零部件進行車削、鉆削、打孔、攻絲、裝配與調(diào)試等操作。工匠坊配有專業(yè)指導(dǎo)教師提供專業(yè)技術(shù)支持，保障實驗安全，并進行輔助加工等工作。通過這些條件支持，鍛煉并增強了學(xué)生的動手能力，提高了學(xué)生的交流與合作精神。通過建構(gòu)以上實踐平臺，學(xué)生將專業(yè)理論知識與機械創(chuàng)新實踐相融合并碰撞出奇思妙想，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，其創(chuàng)新設(shè)計不只落在紙面上，也不局限于模擬仿真軟件界面下，而是真正參與了 “設(shè)計構(gòu)思—設(shè)計出圖—產(chǎn)品加工制造及安裝—改進”的整個環(huán)節(jié)，真正將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實際操作，加深了對專業(yè)知識的理解，同時為今后的職業(yè)生涯提供了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和良好的技術(shù)儲備。

3.3 教材更新與教師隊伍建設(shè)

隨著機械設(shè)計課程教學(xué)改革深化，必須及時同步更新授課教材。經(jīng)過多次研討，修訂編著了反映最新教學(xué)要求和培養(yǎng)目標的教材，制定了符合最新教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求的新版教學(xué)大綱。在教師隊伍組建方面，采用新老搭配、建設(shè)職稱梯度、組建教學(xué)團隊等措施，充分發(fā)揮老教師教學(xué)經(jīng)驗豐富、中青年教師擅長科研的優(yōu)勢，同時，結(jié)合教師假期企業(yè)實踐鍛煉和校企合作項目推進，結(jié)合自身教學(xué)特色和學(xué)生培養(yǎng)方向，補充完善現(xiàn)代機械設(shè)計方法流程，重點介紹基于CAE的現(xiàn)代設(shè)計方法在機械創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用，訓(xùn)練學(xué)生熟練掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識、計算機輔助分析設(shè)計技能與機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計能力。

3.4 賽教結(jié)合與取得成果

通過每年組織大量高質(zhì)量的學(xué)科競賽，例如“大學(xué)生機械創(chuàng)新大賽”“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等，給學(xué)生搭建展示自我才華的平臺，在教師的指導(dǎo)下，師生共同參與，協(xié)作完成。例如，在2018微軟“創(chuàng)新杯”陜西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，榮獲多項團隊獎、優(yōu)秀組織單位獎和優(yōu)秀導(dǎo)師獎；在2018“創(chuàng)青春”陜西省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽中獲得一項銀獎、三項銅獎；在“第一屆陜西省大學(xué)生工程制圖及3D建模大賽機械類比賽”中榮獲團體賽一等獎1項，單項一等獎8項、二等獎8項、三等獎2項，并獲得優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎4項。通過舉辦各類競賽，既促進了教學(xué)思路和模式的改革，也檢驗了教學(xué)質(zhì)量，真正實現(xiàn)了“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促改、賽教融合”。

由教育部、中央網(wǎng)信辦等多家單位共同主辦的“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，旨在深化高等教育綜合改革，激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)造力，培養(yǎng)造就“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的生力軍；推動賽事成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，促進“互聯(lián)網(wǎng)+”新業(yè)態(tài)形成，服務(wù)經(jīng)濟提質(zhì)增效升級；以創(chuàng)新引領(lǐng)創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)，推動高校畢業(yè)生高質(zhì)量的創(chuàng)業(yè)就業(yè)。以第三屆“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽為例，全校申報項目493項，共有49個項目獲得校級獎勵。機械工程學(xué)院獲得一等獎2項、二等獎3項、三等獎9項。在第四屆“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽中，全校共有1770名學(xué)生參加競賽，申報項目477項，共有79個項目獲得校級獎勵。機械工程學(xué)院獲得一等獎4項、二等獎2項、三等獎13項。通過組織學(xué)生參加各類競賽，并借助“工匠坊”加工制作平臺，進一步深化了高等教育綜合改革，切實提高了學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新能力。獲獎作品數(shù)量統(tǒng)計如圖1所示，各院系申報項目數(shù)量統(tǒng)計如圖2所示。

圖1互聯(lián)網(wǎng)+大賽機械學(xué)院獲獎作品數(shù)量統(tǒng)計圖

圖2各院系申報項目數(shù)量統(tǒng)計圖

以全國大學(xué)生機械創(chuàng)新大賽為例，該賽事是由教育部高等學(xué)校機械學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦，面向大學(xué)生的群眾性科技活動，目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、綜合設(shè)計能力與協(xié)作精神；加強學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對實際需求進行機械創(chuàng)新、設(shè)計、制作的實踐工作能力；通過大賽，吸引、鼓勵廣大學(xué)生踴躍參加課外科技活動，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。2018年，機械工程學(xué)院共指導(dǎo)76名學(xué)生組成16支參賽隊伍，所有參賽隊伍設(shè)計的參賽作品均在工匠坊內(nèi)完成加工制作、裝配調(diào)試。參賽隊員共獲得一等獎1項、二等獎12項、三等獎3項，與上屆比賽相比，參賽人數(shù)、整體作品質(zhì)量、獲獎等級均有顯著提高，西安航空學(xué)院獲得“優(yōu)秀組織單位獎”。獲獎作品數(shù)量統(tǒng)計如圖3所示，各院系參與競賽學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計如圖4所示。

圖3機械創(chuàng)新設(shè)計大賽近兩屆獲獎作品數(shù)量統(tǒng)計圖

圖4各院系參與競賽學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計圖

4 結(jié)語

機械創(chuàng)新設(shè)計課程是機械工程專業(yè)所普遍涉及的機械設(shè)計與機械原理的綜合學(xué)科，西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院將CAE計算機輔助工程技術(shù)引入實踐課程教學(xué)中，充分發(fā)揮了計算機模擬仿真技術(shù)在建模、仿真分析方面的優(yōu)勢，以“工匠精神“為指導(dǎo)，通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)的創(chuàng)新融合，加深了學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的感性直觀認識，通過指導(dǎo)學(xué)生參加各類設(shè)計大賽，提高了學(xué)生的實踐動手能力并增強了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提升了創(chuàng)新能力。

本文探索研究并提出了一種結(jié)合“工匠精神“指導(dǎo)機械創(chuàng)新設(shè)計——CAE技術(shù)與機械創(chuàng)新相結(jié)合的人才培養(yǎng)新模式。研究表明，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，學(xué)生參與實踐的積極性高，充分發(fā)揮了設(shè)計才華，且創(chuàng)新設(shè)計思路大量轉(zhuǎn)化為實物，學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識有了直觀和感性的認識，提升了教學(xué)效果，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。