工程教育背景下大學生工程能力課程設(shè)計與實踐

胡小艦

(西安工程大學 工程訓練中心,陜西 西安 710600)

0 引 言

高等院校的職責是為國家培養(yǎng)人才。近年來,“中國制造2025”“工程教育認證”等新標準、新理念的提出,使《工程訓練》課程成為高等院校培養(yǎng)大學生工程實踐能力與創(chuàng)新能力必不可少的環(huán)節(jié)。工程訓練是機械類專業(yè)大學生將理論知識及專業(yè)知識進行具象化的重要平臺[1-4],也是培養(yǎng)該專業(yè)大學生具有工程意識、工程實踐能力與創(chuàng)新能力的重要教學環(huán)節(jié)。目前,傳統(tǒng)的工程訓練實訓環(huán)節(jié)的知識與操作技能學習已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)綜合實踐、創(chuàng)新型人才的要求,傳統(tǒng)的實訓模式及教學體系急需改變。為了強化機械類大學生實踐創(chuàng)新環(huán)節(jié),本文探索實施了具有特色的項目化教學方法,凸顯了工程實踐創(chuàng)新的時代優(yōu)勢,以發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新思維,提升學生的實踐能力及解決工程實際問題的能力[5-6]。

1 傳統(tǒng)工程訓練模式存在的主要問題

工程訓練實踐是機械類本科生進行實踐教學的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)機械類學生勞動情懷、基本職業(yè)技能、工程實踐能力、創(chuàng)新能力的重要載體,但是傳統(tǒng)實踐教學模式存在著許多突出典型問題,在工程教育背景下,不利于學生工程素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新能力的全面培養(yǎng)[7]。

1.1 教研缺乏創(chuàng)新、教學案例單一

目前,大部分高校工程訓練一線教學模式仍以傳統(tǒng)教學模式——師徒模式開展教學,這種模式教案單一、教學方式陳舊;同時大部分實踐教師為工勤技術(shù)人員,在教學中不開展教研活動,實訓案例陳舊、單一,這與工程教育背景下學科交叉、培養(yǎng)創(chuàng)新、復合型人才的目標不符。

1.2 實訓項目未能實現(xiàn)閉環(huán)

機械類學生在傳統(tǒng)工程訓練項目實訓中,需要完成如小榔頭、開瓶器、臺階軸、激光雕刻、子彈模型等實訓作品,這些作品可以鍛煉學生一定的實踐動手能力,但是在工程教育背景下,不能做到以學生為中心、以成果為導向,作品之間沒有相互貫通,不能實現(xiàn)設(shè)計—制作—檢測—裝配—調(diào)試全閉環(huán)過程,不利于學生的主觀能動性與創(chuàng)新性的發(fā)揮。

1.3 工程實踐課程缺乏思政元素

高校工程實踐課程應(yīng)首先對學生進行勞動教育、思政教育。目前大部分高校在創(chuàng)新課程設(shè)置中只注重項目導向、成果導向,注重學生工程能力培養(yǎng)。但在核心課程建設(shè)中,多學科之間交叉融合較差,思政教學元素融入不夠,不能很好地講好中國制造、中國創(chuàng)造的家園情懷。因此,在創(chuàng)新課程中難以實現(xiàn)學生全方位能力的培養(yǎng)。

工程訓練中心作為工程技術(shù)人才的培養(yǎng)基地,同時也是本科高校工程教育的重要平臺,為了更好地落實本科高校立德樹人的根本教育任務(wù),培養(yǎng)新時代大學生工程素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新能力,傳統(tǒng)的機械類本科生工程實踐教學改革已經(jīng)勢在必行。

2 教學設(shè)計與實踐方案

2.1 教學項目設(shè)計的意義

在工程教育背景下,針對機械類課程開展工程實踐創(chuàng)新課程建設(shè)與改革,在課程中融入思政元素,并以學生為中心、以項目為導向,實現(xiàn)實訓項目全閉環(huán)。在實踐中,結(jié)合CAD/CAM數(shù)字化設(shè)計,進行工程能力實踐教學改革,將數(shù)字化、智能化制造引入教學環(huán)節(jié),在實踐教學中將理論知識與工程實踐、創(chuàng)新能力相結(jié)合,并針對項目中突出工程問題開展教研、教學、實踐一體化,從而提升學生學習主動性,讓學生以項目為基礎(chǔ)自主得進行產(chǎn)品方案設(shè)計、工藝優(yōu)化,結(jié)合數(shù)字化制造進行作品制作,并運用基礎(chǔ)工程訓練能力進行裝配與調(diào)試,將理論知識在實踐中具象化[8-9]。

2.2 教學項目引入

在教學項目引入方面,我們以全國大學生工程綜合能力競賽項目——無碳小車等項目為實踐案例。無碳小車是一個勢能小車,以重力勢能驅(qū)動小車沿固定路線(S環(huán)形或8字環(huán)形)行走,如圖1所示。該小車的重力勢能通過一個質(zhì)量為1kg的標準砝碼來獲得,砝碼的可下降高度為(300±2)mm。無碳小車的結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖2所示。

(a) 環(huán)形8字無碳賽道示意圖

圖2 無碳小車結(jié)構(gòu)示意簡圖Fig.2 Schematic diagram of carbon free trolley

無碳小車競賽要求學生自主設(shè)計一種通過重力勢能驅(qū)動,以此檢驗學生對機械傳動機構(gòu)、凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、連桿機構(gòu)的合理設(shè)計與優(yōu)化,同時要求小車具備自行走、自轉(zhuǎn)向功能,并能在自行走過程中精準地進行避障,最終以自主設(shè)計小車行走距離及避障數(shù)量作為比賽評判標準。因此,引入無碳小車項目主要是通過與工程訓練教學相銜接,綜合體現(xiàn)大學生機械創(chuàng)新設(shè)計能力、制造工藝能力、實際動手能力、工程管理能力和團隊合作能力。目的在于激發(fā)大學生進行科學研究與探索的興趣,加強大學生工程實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神的培養(yǎng)。

在教學與實踐過程中,首先,通過機械工程發(fā)展案例融入社會的變化與發(fā)展、社會的改革與進步,將機械工程發(fā)展史滲入到專業(yè)知識學習中,使學生既有家國情懷、又有環(huán)球視野。其次通過對無碳小車項目介紹,讓學生通過了解無碳小車發(fā)展、結(jié)構(gòu)原理與演變,從而借鑒歷史、溫故知新,探索工程實踐的發(fā)展規(guī)律。最后通過前幾屆大賽案例教學成果的回顧與展示,加深學生對工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程的了解,使學生在胸中升起一股追尋實踐真理的強烈愿望,并激發(fā)學生創(chuàng)造發(fā)明的沖動。

2.3 教學項目組織及準備

為確保教學目標的成功實現(xiàn),將教學環(huán)節(jié)分為項目引入、教學演示、任務(wù)實施、任務(wù)評價4個階段,同時在課程緒論中融入了新時代工匠事跡,通過學習工匠精神、培養(yǎng)學生實踐求真能力[10-12],通過課堂案例教育來感染學生,培養(yǎng)大學生敬業(yè)守信、有責任擔當?shù)穆殬I(yè)精神,其中教學內(nèi)容與思政元素詳見表1。

表1 課程思政Tab.1 Curriculum ideology and politics

按照項目內(nèi)容,結(jié)合我?，F(xiàn)有實訓環(huán)節(jié)及設(shè)備,合理安排項目所需設(shè)備等資源。加工環(huán)節(jié)設(shè)備采用數(shù)控銑床、數(shù)控車床、激光雕刻,以及量具、附具等;材料為YL12鋁塊、鋁棒、高碳鋼、亞克力板;根據(jù)每組學生設(shè)計小車零件的加工特點、關(guān)鍵工序,預估項目完成所需時間,由學生進行分組實施任務(wù),每組學生為5～6人,項目實施方案如表2所示。

表2 項目實施方案Tab.2 Project organization

2.4 教學項目實施

教學目標達成的關(guān)鍵在于項目實施。根據(jù)教學組織安排,實訓項目設(shè)計制作的任務(wù)流程。學生接受項目任務(wù)書后,首先,結(jié)合理論教學知識,閱讀文案、明確任務(wù),查找資料、進行數(shù)字化設(shè)計。其次,要分析關(guān)鍵零件技術(shù)要求、技術(shù)難點,針對復雜零件(如凸輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等)進行工藝分析、制定工藝路線;同時指導教師講解加工難點與重點,針對零件質(zhì)量及裝配關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出要求;學生通過小組討論、師生交流的方式對任務(wù)實施進行合理安排;最后,各個小組根據(jù)總體設(shè)計方案,按照所學理論與實踐操作知識,合理安排各零部件的加工工藝與加工方式,同時,正確選擇符合零件加工工藝的設(shè)備,完成小車各個零部件的制造、檢測與裝配。

2.5 教學環(huán)節(jié)任務(wù)評價

實踐教學環(huán)節(jié)任務(wù)評價是工程教育必不可少的環(huán)節(jié)。無碳小車設(shè)計與制造實訓,針對機械類大學生專業(yè)知識、設(shè)計思路、工程實踐,以及在實踐中的項目自身修正進行綜合考察與評價。無碳小車各個零件制作完成后,學生小組之間相互交叉,按照圖紙要求使用檢測工具進行零部件尺寸公差測量。對不合格品、超差品要分析其原因,同時與指導教師交流,提出工藝及加工改進方案。然后,按照裝配要求完成小車總裝。在每個制造環(huán)節(jié)都要進行小組自評、教師評價,填寫任務(wù)評價表(表3)。同時按照全國大學生工程訓練競賽的要求,各自小組對小車進行運行軌跡調(diào)試。在所有小組制造完成后,進行無碳小車項目答辯及小車路演,此環(huán)節(jié)各小組按照小車設(shè)計不同進行S環(huán)形或8字環(huán)形賽道挑戰(zhàn)。

表3 任務(wù)評價Tab.3 Task evaluation

3 實訓成果展示

通過對無碳小車項目的實訓,每個小組都可以完成一部小車的設(shè)計與制造,圖3為機械類學生設(shè)計S環(huán)形賽道無碳小車,圖4為8字環(huán)形賽道無碳小車。兩部小車動力勢能均通過后驅(qū)動輪傳導至主傳動軸,由主傳動軸上主動齒輪帶動被動齒輪實現(xiàn)自行走功能。S環(huán)形賽道無碳小車,轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)S形繞圈,前端使用螺旋測微器來調(diào)整小車避障軌跡。8字環(huán)形賽道無碳小車,轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)8字環(huán)形繞圈,該結(jié)構(gòu)簡單緊湊,運動規(guī)律、動作準確可靠,前端使用螺旋測微器來調(diào)整小車避障軌跡。

圖3 S環(huán)形賽道無碳小車Fig.3 Carbon free car in circular S track

圖4 8字環(huán)形賽道無碳小車Fig.4 Carbon free car on circular figure 8 track

在我校校級工程訓練能力競賽中,無碳小車項目的比賽獲獎選手均是該課程改革實踐優(yōu)秀的小組,并且通過課程實踐、校級競賽遴選出一批優(yōu)秀團隊參加省級、國家級競賽,獲得優(yōu)異成績。我校在2021年中國大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽中取得突破性成績,首次在全國總決賽中獲勢能驅(qū)動車項目銀獎1項、省級特等獎1項、省級一等獎3項、省級二等獎2項。表4為我校在2021年中國大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽獲獎情況一覽表。實踐證明,通過無碳小車教學項目的實施,提高了學生的綜合工程實踐及創(chuàng)新能力。

表4 無碳小車參加競賽獲獎一覽表Tab.4 List of prizes won by carbon-free cars in the competition

4 結(jié) 論

在工程教育背景下,工程訓練實訓指導教師應(yīng)時刻踐行教師使命,以適應(yīng)新時代高校工程教育及創(chuàng)新實踐理念與人才培養(yǎng)的需要。本文通過工程實訓課程教學改革,以科技競賽項目為驅(qū)動激發(fā)學生學習動力?；诠こ探逃尘跋麓髮W生工程能力實踐課程設(shè)計與實踐,為學生提供一個創(chuàng)新實踐平臺,達到符合本科高校新工科背景下工程實踐教育的標準。通過項目驅(qū)動方法的實施,學生專業(yè)知識應(yīng)用、工程實踐與創(chuàng)新能力有了顯著提高,同時,在大學生創(chuàng)新實踐能力和團隊合作能力方面也取得了較好的效果,為培養(yǎng)了具有工匠精神的大學生打下了堅實的基礎(chǔ),本文的研究也為工程實踐類課程教學改革提高了參考。