基于太陽能風(fēng)車的工程實踐教學(xué)研究

羅龍君 孫祥仲 汪琦

[摘 要] 項目式教學(xué)方法在工程實踐教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，項目介紹了基于太陽能風(fēng)車項目的工程實踐教學(xué)方法。通過利用“眾創(chuàng)社區(qū)”平臺，在工程實踐課中分組展開太陽能風(fēng)車的圖紙和工藝設(shè)計，讓學(xué)生能夠認識并自主動手操作不同種類設(shè)備，通過團隊合作完成產(chǎn)品的制作和調(diào)試、現(xiàn)場比拼參與產(chǎn)品的全生命周期制作，從而可提升學(xué)生的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。太陽能風(fēng)車項目的運行為學(xué)生實訓(xùn)營造了良好的氛圍，是培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作、交流溝通與動手實踐能力的有效探索。

[關(guān)鍵詞] 太陽能風(fēng)車;工程實踐;教學(xué)研究

[基金項目] 2020年度中國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育研究中心基金項目“立德樹人，交叉融合，構(gòu)建智能制造工程實踐創(chuàng)新教育體系”（2020CCJG01Z004）

[作者簡介] 羅龍君（1988—），男，湖北荊門人，碩士，華中科技大學(xué)工程實踐創(chuàng)新中心工程師，主要從事工程創(chuàng)新教育研究;孫祥仲（1982—），男，湖北武漢人，碩士，華中科技大學(xué)工程實踐創(chuàng)新中心工程師（通信作者），主要從事數(shù)控裝備技術(shù)研究。

[中圖分類號] TS664.01;G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）18-0137-04 [收稿日期] 2021-03-22

工程實踐教學(xué)的目標(biāo)在于以塑造核心價值觀為統(tǒng)領(lǐng)，著力培養(yǎng)大學(xué)生的工程觀、質(zhì)量觀、系統(tǒng)觀，引導(dǎo)大學(xué)生樹立工程意識、掌握工藝知識、提升工程能力、厚植工匠精神。隨著新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的不斷涌現(xiàn)和對新型人才的需求，傳統(tǒng)單個割裂開的工種實踐訓(xùn)練方法不利于為未來產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有工程觀、系統(tǒng)觀、質(zhì)量觀的項目人才。美國歐林工程學(xué)院的項目化教學(xué)方式開辟了一條易于項目式人才培養(yǎng)的新途徑[1]，項目化教學(xué)逐漸成為在知識、實踐、能力之間搭接轉(zhuǎn)換的新橋梁。目前全國高校工程訓(xùn)練中普遍存在著教學(xué)模式陳舊，教學(xué)內(nèi)容沒有鮮明的時代特征，各個工種教學(xué)之間沒有先后層級關(guān)系，每個訓(xùn)練單元均獨立完成一個作品，既沒有階梯形的遞進，又沒有內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)，而實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個零件一個產(chǎn)品均是多工種多車間甚至多企業(yè)聯(lián)合的結(jié)果，當(dāng)前的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容會局限學(xué)生的思維，不利于創(chuàng)新思想的培養(yǎng)。中國工程院院士、教育部原部長周濟指出：“工程教育必須面向工程實際，回歸工程，崇尚實踐。”中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)原校長顧秉林也強調(diào)：“工程教育的人才培養(yǎng)必須面向工程實際，加強工程訓(xùn)練?！?018年6月，教育部召開新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議，教育部部長陳寶生指出：“世界發(fā)達國家高等教育創(chuàng)新的腳步也從未停止，都在奮力奔跑、極速前進，如果我們?nèi)匀凰钠桨朔€(wěn)、按部就班、循規(guī)蹈矩，不僅無法實現(xiàn)超越，還有可能進一步拉大差距?！标悓毶块L要求，不能再用過時的知識培養(yǎng)明天的畢業(yè)生。本文以當(dāng)前流行的綠色能源為主題，設(shè)計了項目化的太陽能風(fēng)車工程實踐課程，結(jié)合“眾創(chuàng)社區(qū)”開放式平臺，在產(chǎn)品方案、結(jié)構(gòu)、工藝、成本、制作等多方面預(yù)留了盡可能多的創(chuàng)新空間，通過知識、能力、實踐、創(chuàng)新（KAPI）一體化的訓(xùn)練，提升學(xué)生知識向能力的轉(zhuǎn)化。

一、課程的教學(xué)目標(biāo)

本課程通過遴選新工科核心知識點，利用工程實踐創(chuàng)新中心智能制造平臺建設(shè)機會，積極對課程知識體系調(diào)整，對學(xué)生工程能力要求強化提升，選取緊扣時代主題的太陽能風(fēng)車項目，通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠綜合運用機械設(shè)計和加工基本知識、基本技能及增材制造等相關(guān)工種，合理選擇設(shè)備進行零件制造，能夠在項目團隊中，承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任，發(fā)揮對應(yīng)的作用，形成團隊的合力。主要達成的課程目標(biāo)具體如下。

1.能夠以團隊協(xié)同的模式利用“眾創(chuàng)社區(qū)”競賽平臺，模擬真實工程項目運行方法，完成項目的方案選定、圖紙設(shè)計、工藝制作、成本分析、加工制造、裝配調(diào)試、質(zhì)量檢測、產(chǎn)品推廣等全流程，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀、工程觀、質(zhì)量觀，以及環(huán)保、團隊協(xié)作理念。

2.掌握CAD/CAM、數(shù)字化工藝基本知識及應(yīng)用特點。能夠利用CAD軟件完成作品的詳細設(shè)計，結(jié)合我中心設(shè)備性能及零件設(shè)計要求，使用數(shù)字化工藝軟件開目3DAST、3DMPS合理制定工藝流程和參數(shù)、裝配工藝卡片，通過CAM軟件編制零件加工程序，完成最后的作品。

3.通過在項目工藝路線設(shè)計和加工過程中的學(xué)習(xí)，理解質(zhì)量與成本、管理與效益之間的相互關(guān)系。初步具備對零件加工工藝、經(jīng)濟型進行分析和合理選擇加工方法的能力[2]，達到工程師的初級水平。

4.通過基于項目式的太陽能風(fēng)車教學(xué)，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)角色，從“叫我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，提升團隊協(xié)作實踐交流，重視學(xué)生工程合作，形成跨學(xué)科融合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)精神，促進多學(xué)科知識交叉融合的復(fù)合型新工科人才的形成。

二、課程教學(xué)設(shè)計

基于項目的實踐教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該一般與實際應(yīng)用接軌[3]，項目研制過程要兼顧考慮設(shè)計、制造、環(huán)境、污染、成本、人文等諸多方面的問題，學(xué)生可以根據(jù)自身需要和興趣選取訓(xùn)練項目。實訓(xùn)內(nèi)容要將知識、能力、實踐、創(chuàng)新訓(xùn)練有機貫穿一體[4]，既注重覆蓋傳統(tǒng)的機械核心知識點，又包括先進制造內(nèi)容，學(xué)生在教師的指引下自主學(xué)習(xí)，獲取課程核心知識點，鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。

（一）教學(xué)設(shè)計

1.項目背景。項目要貼近時代特征，2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重承諾：“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”[5]碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)將倒逼我國能源轉(zhuǎn)型的加速，綠色能源如風(fēng)能、太陽能等將進一步開發(fā)利用。項目選取學(xué)生生活所見的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電為項目背景，如圖1所示，使學(xué)生有興趣參與，積極思考綠色能源在日常生活中的應(yīng)用，例如通過風(fēng)能可以驅(qū)動扇葉轉(zhuǎn)動發(fā)電，可以舉一反三太陽照射太陽能板發(fā)電帶動電機轉(zhuǎn)動，從而帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。項目選取的背景可以在很大程度上加強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和自信心[6]，學(xué)生也能依靠現(xiàn)有條件完成設(shè)計和制作。

2.項目難度。進行項目訓(xùn)練的大部分為大一大二非機械類學(xué)生，大部分學(xué)生缺少實際工程相關(guān)經(jīng)驗與繪圖基礎(chǔ)，盡管在前置課程“工程訓(xùn)練”中進行了不同工種的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，但是時間跨度過長，先前機床操作步驟的學(xué)習(xí)容易被遺忘，且各院系培養(yǎng)方案不一樣，部分工種部分學(xué)生甚至沒有進行訓(xùn)練，在項目運行中，部分學(xué)生需要重新培訓(xùn)上崗。項目難度設(shè)置過高，會降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，起不到引導(dǎo)的效果，達不到最后的教學(xué)目的[7]。在太陽能風(fēng)車項目中，主要包括底座、支撐柱、電機箱、扇葉及電路開關(guān)系統(tǒng)部分，學(xué)生通過分組設(shè)計加工，最后完成裝配調(diào)試，為了降低機加工難度，部分零件設(shè)定了接口，同時為了避免學(xué)生都選擇3D打印制作，在項目中對零件的材料也進行了設(shè)置，只允許一類零件是工程塑料。

3.綜合能力體現(xiàn)。以往工程訓(xùn)練內(nèi)容是制作榔頭，尺寸形狀唯一，學(xué)生只需要按部就班地跟著步驟完成即可，沒有自我發(fā)揮空間[8]?；谔柲茱L(fēng)車的項目需要學(xué)生每個人參與其中，不僅要完成分配好的工作，還要充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，通過查閱資料和討論，完成產(chǎn)品的設(shè)計和加工。每一臺完成的產(chǎn)品都體現(xiàn)不同小組的設(shè)計能力和工程能力。同時學(xué)生通過比拼轉(zhuǎn)速等，能進一步思考如何增加機構(gòu)來提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，為太陽能風(fēng)車項目提檔升級打下基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)實施過程

教學(xué)內(nèi)容改革主要是通過引進工程實際案例產(chǎn)品，基于“真刀實槍”“真材實料”[9]，將設(shè)計、工藝、制造、檢測相結(jié)合，以完成太陽能風(fēng)車為訓(xùn)練項目的課程教學(xué)目標(biāo)，采用CDIO（構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行）模式[9]，將實訓(xùn)內(nèi)容與專業(yè)課程知識相結(jié)合，讓實踐流程與實際產(chǎn)品開發(fā)相貼近。具體的教學(xué)實施過程主要分為三個階段：方案設(shè)計階段、生產(chǎn)制造階段、裝配調(diào)試階段。同時為促進學(xué)生知識、能力與素養(yǎng)的全面發(fā)展，使過程考核數(shù)據(jù)可視化，引入了“眾創(chuàng)社區(qū)”線上平臺課程社區(qū)作為項目平臺對整個項目實施過程進行引導(dǎo)和跟蹤。

1.方案設(shè)計階段。由教師在課堂上介紹本項目的背景與項目要達成的目標(biāo)，課堂中推舉產(chǎn)生項目經(jīng)理，由項目經(jīng)理選取團隊成員。在項目啟動之初，利用“眾創(chuàng)社區(qū)”給予項目經(jīng)理啟動資金，用于購買毛坯材料、組外協(xié)作等。教師對太陽能風(fēng)車的基本原理和結(jié)構(gòu)類型進行簡要介紹，并給出參考圖片，對其中部件的設(shè)計難點和加工難點進行重點介紹，并在社區(qū)上發(fā)布階段設(shè)計任務(wù)節(jié)點，毛坯清單如表1所示。

2.生產(chǎn)制造階段。在生產(chǎn)制造階段，各小組工作任務(wù)由項目經(jīng)理進行分工，自行在社區(qū)進行設(shè)備預(yù)約，學(xué)生明確各自的工作任務(wù)，并拿著領(lǐng)用的毛坯和設(shè)計圖紙在對應(yīng)設(shè)備上進行實踐訓(xùn)練，如學(xué)習(xí)安全知識、機床對刀、數(shù)控程序編制等，最后加工制造。完成之后，教師扮演質(zhì)檢員，學(xué)生既扮演設(shè)計員，又扮演加工者，由質(zhì)檢員按圖進行測量檢測，并告知加工者零件是否合格，同時由設(shè)計員編制產(chǎn)品的質(zhì)量分析報告，如工件不合格，按照實際的生產(chǎn)質(zhì)量處理流程，質(zhì)檢員開出不合格品審理單，設(shè)計員決定讓步使用、返修或報廢，并需在審理單上給出充分的理由。各小組利用社區(qū)上傳作品實物、質(zhì)量分析報告、不合格品審理單，社區(qū)根據(jù)各項目小組完成節(jié)點的時間、完成質(zhì)量等給予不同評價分數(shù)。同時此階段允許協(xié)作，例如在加工風(fēng)扇底座時，有部分組對編程掌握能力不強，可將啟動資金中的虛擬貨幣協(xié)調(diào)一部分給另一組，由另一組幫助其完成。

3.方案設(shè)計階段。各小組根據(jù)裝配圖紙，在項目經(jīng)理帶領(lǐng)下完成太陽能風(fēng)車的裝配調(diào)試，同時在裝配和調(diào)試中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計、加工、調(diào)試中的各種問題，各小組根據(jù)情況進行分析解決，提升學(xué)生的臨場處置能力和抗壓能力。經(jīng)調(diào)試無誤后，統(tǒng)一安排在室外場所進行現(xiàn)場比拼，以各組設(shè)計的太陽能風(fēng)車轉(zhuǎn)速快慢和風(fēng)車運行穩(wěn)定程度為主要評估指標(biāo)。同時為了進一步提升比賽的趣味性，在社區(qū)平臺上發(fā)布一些課外任務(wù)，如宣傳稿撰寫、比賽場地協(xié)助布置等，讓學(xué)生不僅可以獲得額外評分，還可以進一步融入課堂建設(shè)，圖3為學(xué)生的作品靜態(tài)展示。

三、課程教學(xué)效果

基于太陽能風(fēng)車的工程實踐教學(xué)項目已在我校生命信息與工程專業(yè)、船舶與海洋工程專業(yè)開設(shè)多人次課程，對比傳統(tǒng)的教學(xué)方式，學(xué)生反映效果良好，教師課堂講授時間大幅度減少，學(xué)生思考與動手實踐時間迅猛上升，講授實踐與實際動手時間比例由以前的5∶5下降到了2∶8，學(xué)生親自動手，親身實踐，從最開始的概念設(shè)計到最后的實物運行，參與作品的全生命周期制造，學(xué)生的積極性和參與感大大增加，項目制實施以來，考核完成率達到了100%，其中優(yōu)秀作品達到了25%。該課程項目的建設(shè)可以培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的理解能力、實際動手能力，為打造具有篤實專注、開拓創(chuàng)新、精益求精精神的工程人才起到一定作用。

在項目運行方面，基于該課程平臺，學(xué)生在明確的項目任務(wù)驅(qū)動下，對工程項目運行的興趣更加濃厚，不同的項目小組之間進行展示交流，各組學(xué)生演示自己的項目，還可以在眾創(chuàng)社區(qū)中發(fā)表項目報道，零件或者工序協(xié)作申請換取積分，各項目組分別派出評委參與項目的評價打分，項目過程中教師不處于項目運行主導(dǎo)地位，只是項目運行中的節(jié)點制作者和監(jiān)督者，提升學(xué)生的自主意識。

結(jié)語

通過基于太陽能風(fēng)車項目的工程實踐訓(xùn)練，依托學(xué)科交叉、協(xié)作學(xué)習(xí)、自主探究，讓學(xué)生全過程體驗與工程相關(guān)的一系列知識，引導(dǎo)學(xué)生突破對于簡單、局部復(fù)雜性的認知，力求實現(xiàn)認識上的螺旋上升，重新認識、思考工程的實踐本質(zhì)、綜合特征和系統(tǒng)整體性，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程觀、質(zhì)量觀、系統(tǒng)觀，提升工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力，為探索工程素質(zhì)與能力培養(yǎng)新模式，建立“中國經(jīng)驗”“中國模式”的工程實踐教育創(chuàng)新體系提供有力支撐。項目式教學(xué)目前取得了一定進展，但是隨著產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的不斷發(fā)展，行業(yè)對人才培養(yǎng)的要求不斷變化，實踐設(shè)施和實踐方法也將會不斷升級換代，項目式教學(xué)在深入推進實踐教學(xué)中，要著力推進課程內(nèi)容和方法的更新，滿足以學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進的要求，培養(yǎng)能夠適應(yīng)、甚至引領(lǐng)未來工程需求的新人才。

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Research on the Teaching of Engineering Practice Based on Solar Windmills

LUO Long-jun， SUN Xiang-zhong， WANG Qi

（Center for Practice Innovations， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan，

Hubei 430074， China）

Abstract： Project teaching method has been widely used in engineering practice teaching. We introduce an engineering practice teaching method based on solar windmill projects. Students use the “crowd creation community” platform to expand the drawings and process design of solar windmills in groups in engineering practice classes， and understand and operate different kinds of equipment， complete product production and debugging， and on-site competition through teamwork， participate in the production of product life cycle， so as to achieve the goal of improving engineering competence and cultivating innovative abilities. The operation of solar windmill project may create a good atmosphere for students’ practical training， which is an effective exploration to cultivate students’ unity， cooperation， communication and practice.

Key words： solar windmills; engineering practice; teaching research