面向應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機械創(chuàng)新設計課程項目化教學實踐

焦志偉 張莉彥 謝鵬程 王皓宇 譚晶 于源 粟東平 楊衛(wèi)民

摘? 要：塑料機械是現(xiàn)代制造業(yè)的“生產(chǎn)母機”，塑機行業(yè)同時也是高分子材料產(chǎn)業(yè)鏈中資金密集、人才密集和技術密集的“鉆石產(chǎn)業(yè)”。為滿足我國高速發(fā)展的塑料機械行業(yè)對于高端專業(yè)人才的迫切需求，探索建立企業(yè)高度參與的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式，中國塑料機械工業(yè)協(xié)會與北京化工大學啟動“中國塑機創(chuàng)新專業(yè)人才培養(yǎng)計劃”，建設“中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”。該教學實踐針對機械設計制造及其自動化學科，以創(chuàng)新應用性強的機械創(chuàng)新設計課程為例，依托于“中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”多種多樣的工程教育資源，以注塑機“五點斜排肘桿式”注塑機合模機構的方案創(chuàng)新設計為題，應用項目化教學方法，在理論教學的同時，使學生們帶著工程實踐問題進行學習、思考、分析和研究，鼓勵學生將多門機械類專業(yè)基礎課程所學知識進行創(chuàng)新結合與靈活運用，有效地促進學生們創(chuàng)新創(chuàng)造能力的發(fā)展，探索培育應用型創(chuàng)新人才的新模式。

關鍵詞：應用型創(chuàng)新人才；項目化教學；機械創(chuàng)新設計；塑機人才培養(yǎng)基地；創(chuàng)新創(chuàng)造能力

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0062-05

Abstract： Plastic machinery is the "production machine" of modern manufacturing industry， and the industry of plastic machinery， where the fund， the talents and the technology are intensive， and it is also "a diamond industry" in the polymer material industry chain. To satisfy the urgent demand for high-end professional talents in China's plastics machinery industry， as well as to explore the establishment of a new enterprise highly involved in innovative talent training mode. China's plastics machinery industry association and Beijing university of chemical technology launch the "China's plastics machinery for innovative professional talent training plan"， and the construction of the "China's machinery for innovative professional talent training base". This teaching practice is aimed at the mechanical design， manufacturing and automation discipline. We take the course Mechanical Innovative Design with strong application of innovation as an example， rely on the "China' s plastic machine talent training base" a variety of engineering education resources with the injection molding machine "five-point diagonal toggle style" injection molding machine closing device of innovative design， apply project-based teaching methods. We encourage students to study， think， analyze and research with practical engineering problems， and also encourage students to combine and flexibly apply the knowledge learned in the basic courses of many mechanical majors. This method effectively promotes the development of students' creativity， which will be a new mode of cultivating applied innovative talents.

Keywords： applied innovative talents; project teaching; Mechanical Innovative Design; talent training base of plastic machinery; innovation and creativity

《中國制造2025》提出我國要實現(xiàn)由“制造大國”向“制造強國”轉變的戰(zhàn)略目標，大力培養(yǎng)機械專業(yè)應用型創(chuàng)新人才已成為國家的必然需求。在新工科建設背景下，對機械類專業(yè)的人才培養(yǎng)也提出了新的要求[1]。機械創(chuàng)新設計是為增強學生創(chuàng)新能力開設的課程，通過介紹創(chuàng)新設計方法和機械創(chuàng)新設計實例，了解創(chuàng)新設計的原理與思路，更高的要求是使學生通過實踐培養(yǎng)創(chuàng)新思維，運用創(chuàng)新技法解決各種問題。機械創(chuàng)新設計課程不僅需要講述創(chuàng)新原理與技法，更應該為學生提供施展的平臺，通過項目化教學模式改革，讓每名學生都參與其中并有所收獲，培育更多的應用型創(chuàng)新人才。本課程依托于中國塑料機械工業(yè)協(xié)會與北京化工大學建設的“中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”，以注塑機“五點斜排肘桿式”注塑機合模機構的方案創(chuàng)新設計為題，應用項目化教學方法，在理論教學的同時，使學生們帶著工程實踐問題進行學習、思考、分析和研究，鼓勵學生將多門機械類專業(yè)基礎課程所學知識進行創(chuàng)新結合與靈活運用，為更多的學生提供實習參觀與技能培養(yǎng)的機會。

一? 課程定位

（一）? 課程簡介

機械創(chuàng)新設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)選修課，總課時24學時，為考察課。該課程以機械原理、機械設計、機械制圖等課程為基礎，以機械創(chuàng)新為出發(fā)點向各領域延伸，通過對創(chuàng)新實例的介紹，了解創(chuàng)新技法。在教學中使用多媒體教學、組織學生實習參觀豐富課程內(nèi)容。本課程在專業(yè)教學計劃中起到至關重要的作用，是提高學生創(chuàng)新能力，銜接理論學習與專業(yè)實踐的一門重要課程，同時也是學生們參加“機械創(chuàng)新設計”大賽的重要支撐課程之一[2-3]。

（二）? 課程內(nèi)容

本課程介紹創(chuàng)新設計的基本概念、創(chuàng)新思維與技法；重點分析創(chuàng)新在機械設計中應用的主要原理與方法，包括機構的變異原理、機構組合方法的組合原理、零部件結構的創(chuàng)新技法等；介紹機械創(chuàng)新設計的一般方法，并舉例講解機械創(chuàng)新設計實例；帶領學生參觀“中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”，布置項目化作業(yè)，對注塑機“五點斜排肘桿式”注塑機合模機構進行機構方案創(chuàng)新設計，綜合運用與鞏固所學知識，由此達到培育應用型創(chuàng)新人才的目標。

二? 項目化教學實踐

（一）? 項目化教學簡介

項目化教學是實施一個完整的項目工作而進行的教學活動。其實施的流程分為以下幾步：①明確項目任務；②制訂計劃；③實施計劃；④檢查評估。項目化教學對學生的學習更具有針對性，學生能夠自主、自由地進行學習，從而有效地促進學生創(chuàng)造能力的發(fā)展。項目化教學更注重學生在項目活動中的能力提升，解決項目問題就是多方面考察學生對知識的綜合運用能力，最終考核內(nèi)容也囊括了學生在參與活動中各環(huán)節(jié)的表現(xiàn)。

通過項目化教學，教師可以在課堂中充分調(diào)動學生積極性，充分挖掘學生的創(chuàng)造潛能，使學生在“做”中學，把理論與實踐教學有機地結合起來，提高學生解決實際問題的綜合能力，項目化教學是切合學生實際的教學方法[4]。

（二）? “中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”簡介

北京化工大學昌平新校區(qū)的啟用，為人才培養(yǎng)、科學研究等方面提供更廣泛的優(yōu)質(zhì)資源和良好的工作學習環(huán)境。中國塑料機械工業(yè)協(xié)會與北京化工大學以新校區(qū)落成為契機，啟動“中國塑機行業(yè)創(chuàng)新人才推進計劃”，建設“中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地”。為支撐基地建設共有20余家合作公司參與注塑機及其配套設備捐贈，如圖1所示。

該基地將為行業(yè)專業(yè)人才培養(yǎng)提供學習素材、實操設備和了解行業(yè)與企業(yè)的機會，為各參與單位提供展示平臺、智力支持與專業(yè)的設備性能評價。通過行業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新嘗試，將持續(xù)不斷地為中國塑機行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)的青年英才。

（三）? 教學流程

整門課程教學分為三大部分：①基礎課程，對基本知識與原理的講解；②實踐課，了解注塑機工作原理，重點觀察合模裝置肘桿機構的運動方式；③布置項目化作業(yè)。具體教學規(guī)劃見表1。

在教學內(nèi)容中，第一章“緒論”和第二章“創(chuàng)新性思維與創(chuàng)新技法”以概念為主，主要采取老師講授、實例啟發(fā)為主的授課形式，穿插學生提問，并留課后作業(yè)或隨堂作業(yè)。從第三章“機構變異與創(chuàng)新設計”開始為理論性和應用性很強的知識內(nèi)容，為使學生先對所學內(nèi)容的性質(zhì)有大致了解，選擇在講授完第三章后布置項目化作業(yè)，同時在中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地進行參觀學習。圖2為學生們在中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地參觀學習實況。從第四章到第七章開始，每節(jié)課大約一半時間用于課堂教學，另一半時間讓學生們利用所學的知識完成項目化作業(yè)。項目化作業(yè)的關鍵節(jié)點任務見表2。

（四）? 項目化作業(yè)

在本課程的教學中，項目化作業(yè)的布置是項目化教學的集中體現(xiàn)，課程知識講解及實習參觀都圍繞項目化作業(yè)的主題展開。項目化作業(yè)綜合考察學生對本課程及先修課程知識的掌握，最終目標是學生之間協(xié)作得出一個完整的創(chuàng)新方案。

1? 明確項目任務

本課程項目化作業(yè)的任務目標為注塑機“五點斜排肘桿式”注塑機合模機構的方案創(chuàng)新設計，學生進行討論后自由組隊，以團隊協(xié)作的方式完成任務。

2? 作業(yè)內(nèi)容

圍繞項目目標將任務細化，對于注塑機合模機構的設計，首先需要進行工況分析，即注塑機對開合模過程有一定的運動要求，例如運動速度符合“快—慢—快”的變化，這一部分需要學生查閱有關文獻，進行總結。

下一階段需要進行創(chuàng)新方案設計，這一部分會運用到本課程或先修課程，分析機構組成及作用，并且進行自由度的計算。在設計過程中有可能會產(chǎn)生多個方案，方案之間需要進行優(yōu)缺點比較，優(yōu)中選優(yōu)。

最后需要進行運動學和動力學的模擬分析，建立模型并進行動畫展示，進一步尋找問題修改方案，并通過軟件分析該方案是否能滿足要求。

3? 作業(yè)實施

各小組進行內(nèi)部分工，運用機械原理、機械設計等課程知識進行機構設計計算，運用Creo、CAD進行建模，ADAMS進行模擬分析（機械原理、機械設計、Creo、CAD和ADAMS等均為本專業(yè)先修課程）。在每個環(huán)節(jié)需要進行相應方案記錄與整理，最終每組需整理出一份模擬報告。

（五）? 考核方式

師生課堂互動是提高課堂教學質(zhì)量的有效手段，對于機械創(chuàng)新設計課程而言，教師更應該利用互動環(huán)節(jié)來保障教學的針對性、實效性，使學生可以大膽地同教師進行交流與討論，增強學生的學習信心[5]。因此，最后的考核方式采取以翻轉課堂PPT展示為主，提交模擬報告為輔的形式。

學生準備PPT并按照方案要點進行工況分析、創(chuàng)新方案、運動學及動力學模擬分析和結果分析評價四部分介紹（占比60分/100分），模擬報告則作為對課程展示的補充（占比10分/100分），其余分值為平時分。

針對學生的PPT展示有一套完整詳細的評分細則，見表3。評分采取小組互評和老師評價相結合的方式，使得評價結果更準確、更可靠。為使組內(nèi)學生分值具有區(qū)分度，由組內(nèi)協(xié)商好的完成權重予以適度傾斜。

三? 教學效果

（一）? 課堂展示總結

課堂展示中學生與老師一起分析各小組方案的優(yōu)缺點，現(xiàn)場氛圍活躍，學生以繪制三維圖、錄制視頻等方式清晰展示創(chuàng)新案例。

在35個小組的PPT與模擬報告中，有34組學生采用ADAMS軟件對機構進行建模分析，并且具體步驟可以在模擬報告中體現(xiàn)，對于機構創(chuàng)新設計，學生廣泛運用機械原理和機械設計等先修課程的知識，采用連桿機構、齒輪齒條機構、凸輪機構，也有部分小組采用帶輪傳動與齒輪齒條傳動的方式進行設計，機構組合包含串聯(lián)、并聯(lián)等多種方式，展現(xiàn)出學生的創(chuàng)新能力。

（二）? 成績分析

小組成績分布如圖3所示，35個小組的平均成績?yōu)?8分（滿分60分），通過對比小組互評和教師評分的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，有兩組評分較高，學生與教師的評價基本對應，由此可以推斷，學生們根據(jù)評分細則可以對不同的案例進行精準判斷，并且能夠對比區(qū)分出不同方案的優(yōu)缺點，進一步說明了PPT評分細則制定的合理有效性。

（三）? 問題總結與分析

在PPT展示過程中，有些小組嚴重超時，通過分析其PPT發(fā)現(xiàn)該組沒有突出設計重點，而是大量堆砌基本原理與知識，以此來補充自己在機構創(chuàng)新設計中所欠缺的工作量。針對這一問題有以下解決方案：①分階段項目化作業(yè)檢查，在每個任務節(jié)點進行工作總結與提交，以便老師快速掌握學生的任務進度；②PPT分析，在學生進行課堂展示之前，逐一檢查小組的PPT內(nèi)容，并提出修改意見供學生參考。將項目化作業(yè)分階段檢查，可以快速發(fā)現(xiàn)問題，糾正錯誤。

小組互評采用紙質(zhì)評分表打分的方式，在小組互評后會產(chǎn)生龐大數(shù)據(jù)，需要大量時間才能錄入電腦進行數(shù)據(jù)分析與計算，為了解決這一問題，可以開發(fā)問卷星等微信小程序進行手機評分，課堂展示結束后可以將數(shù)據(jù)快速導出。這樣既節(jié)省了數(shù)據(jù)錄入的時間，同時已設計好的程序又可以根據(jù)實際考核項目需要快速修改，使考核環(huán)節(jié)更加高效。

（四）? 學生感悟

學生1：“理論來源于實踐，理論最終用于實踐”。這讓我深深地感受到實踐的重要性。通過平時書本上所學到的理論知識，帶著自己的疑問去學習了解設計了肘桿機構，并進一步讓我深刻的理解、體會、證明了理論知識，讓自己有了深刻的記憶。

學生2：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。這次的方案設計讓我將所學的東西落到了實處，我在思考方案、繪制簡圖、進行ADAMS模擬分析的過程中，將所學知識進行了靈活運用，實踐是鞏固知識和檢驗所學知識的最好方法。

同時，在這次機械創(chuàng)新設計的小組討論中，我學會了很多，尤其是與同學合作時的一些技巧，剛開始由于大家的想法各有千秋，討論中出現(xiàn)了些許爭論，很難確定一個合理的方案，但是我們克服困難，迎難而上，發(fā)揮每個人的長處，最終形成了報告。我們在合作中學會傾聽、學會質(zhì)疑、學會表達，我們獲得了成長。

學生3：本次對注塑機肘桿機構的創(chuàng)新設計，對我大學三年以來所學的知識提出了一個綜合性的考驗，可以說近似于一次小的課程設計。

在本次創(chuàng)新設計中，我認識到了自身對機械原理、力學課程等知識掌握得不牢固，也認識到目前對理論知識的實際應用上還很稚嫩，這正是對我繼續(xù)努力、提升自我的一次鞭策。同時這次創(chuàng)新設計也會成為我今后進行機構設計的寶貴經(jīng)驗。

四? 結束語

項目化教學是培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才更加有效的教學方法。通過課程教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，需針對阻礙學生創(chuàng)新思維的潛在性問題，從課堂教學到實踐教學，從理論方法到工程應用，結合項目化作業(yè)，采取多樣化的綜合手段，創(chuàng)新教學模式[6]。

由于機械創(chuàng)新設計課程的特殊性，使得該課程成為學生培養(yǎng)創(chuàng)新思維的平臺，該課程是使理論與實踐相銜接的課程。一門課程的教學不能僅局限在對知識的講解上，而是要發(fā)現(xiàn)該門課程與其他先修課程的邏輯關系，布置項目化作業(yè)的意義更是在于將盡可能多的知識貫穿起來，復習與運用到多個學科中，用學到的知識來解決實際工程問題，從而形成知識框架、知識體系，讓學生懂得如何有條理有規(guī)律地進行探索創(chuàng)新。

培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才不是一蹴而就的，需要創(chuàng)新教學實踐來完善教學方法，以PPT為基礎的直觀教學[7]為基礎，以實習參觀進行實踐教學為銜接，結合實際問題布置項目化作業(yè)為重點，最后進行考核方式的創(chuàng)新，從而形成一整套完備的項目化教學體系。在教學過程中，學生能夠自主、自由地進行學習，從而有效地促進學生創(chuàng)造能力的發(fā)展，只有這樣，機械創(chuàng)新設計課程才能在培育應用型創(chuàng)新人才中發(fā)揮出最大作用。

參考文獻：

[1] 張紅霞，陳曉航，姚層林.大學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與研究

——以機械創(chuàng)新設計大賽為平臺[J].中國校外教育，2020（2）： 53-54.

[2] 劉曉軍，張曉玲，徐寧，等.“課賽訓結合”的應用技術型高校大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式研究[J].內(nèi)燃機與配件，2019（10）：241-243.

[3] 馬雪亭，丁羽，周嶺.基于機械創(chuàng)新設計大賽的“機械設計”教學實踐[J].農(nóng)業(yè)技術與裝備，2021（1）：117-118.

[4] 梁靈活.機械類專業(yè)項目化課程教學改革初探[J].廣東職業(yè)技術教育與研究，2010（2）：57-59.

[5] 蔡佳.探索《機械設計與創(chuàng)新》課程教學方式新思路[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（A0）：73-74.

[6] 何彬.面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機械設計類課程教學模式探討[J].湖北理工學院學報，2018，34（6）：64-67.

[7] 韓東.創(chuàng)新教學在機械設計制造及其自動化專業(yè)中的運用和分析[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（1）：92-93.

基金項目：2021年北京化工大學研究生教育教學改革項目“基于中國塑機創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地的‘本、碩、博貫通式人才培養(yǎng)模式研究”（G-JG-PTZG202102）

第一作者簡介：焦志偉（1985-），男，漢族，山西晉中人，博士，教授。研究方向為聚合物加工成型裝備。

*通信作者：張莉彥（1966-），女，漢族，河北遷安人，博士，副教授。研究方向為機械設計。