基于工程創(chuàng)新競賽的機(jī)械基礎(chǔ)類課程教學(xué)實(shí)踐研究

崔玉明 王桃 楊道龍

摘 要：為了提高機(jī)械基礎(chǔ)類課程教學(xué)實(shí)效，提升學(xué)生創(chuàng)新水平和解決問題的能力，將工程創(chuàng)新競賽引入課程實(shí)踐教學(xué)過程，基于設(shè)計(jì)、仿真、創(chuàng)新等工程競賽的主要任務(wù)，結(jié)合課程內(nèi)容和企業(yè)工程案例自主選擇參賽對象和內(nèi)容，通過競賽訓(xùn)練獨(dú)立完成工程機(jī)械裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的原理、設(shè)計(jì)和優(yōu)化等過程，完善機(jī)械專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)類課程教學(xué)與培養(yǎng)方案。經(jīng)參賽實(shí)踐驗(yàn)證，該方案可有效深化學(xué)生機(jī)械基礎(chǔ)類課程學(xué)習(xí)與應(yīng)用，顯著提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，強(qiáng)化產(chǎn)教融合實(shí)施效果，為“新工科”背景下機(jī)械基礎(chǔ)類課程的創(chuàng)新教學(xué)提供范例。

關(guān)鍵詞：機(jī)械基礎(chǔ)類課程；工程創(chuàng)新競賽；實(shí)踐教學(xué)；產(chǎn)教融合

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)?；A(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項(xiàng)目（編號：22KJB440004）；江蘇師范大學(xué)博士學(xué)位教師科研支持項(xiàng)目（編號：22XFRS011）；徐州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號：KC22404）

作者簡介：崔玉明（1988— ），男，江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橹悄苎b備與教育；王桃（1990— ），女，江蘇師范大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院助理研究員，研究方向?yàn)樗颊逃?；楊道龍?988— ），男，江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)楦叩冉逃?/p>

為主動適應(yīng)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢，加快培養(yǎng)卓越工程科技人才，2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，并于2018年9月發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》中指出，要全面落實(shí)“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的先進(jìn)理念，創(chuàng)新工程教育教學(xué)組織模式，推進(jìn)產(chǎn)教融合、校企合作的機(jī)制創(chuàng)新，深化“一帶一路”工程教育國際交流與合作，建設(shè)產(chǎn)業(yè)急需的新興工科專業(yè)，創(chuàng)新體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展的新課程，培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。

工程實(shí)踐訓(xùn)練和創(chuàng)新思維是提高機(jī)械專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的必由之路，而機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)類課程對于學(xué)生建立機(jī)械系統(tǒng)概念、形成機(jī)械知識體系、掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法具有舉足輕重的作用。機(jī)械基礎(chǔ)類課程主要包括“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造基礎(chǔ)”“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”等，傳統(tǒng)的機(jī)械基礎(chǔ)類課程主要通過課堂教學(xué)和模型參觀的形式促使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)知識，不符合漸進(jìn)式教學(xué)思想。且專業(yè)知識綜合性與系統(tǒng)性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍存在主動性不強(qiáng)、理解不深刻、學(xué)習(xí)難以致用等問題。課題組在傳統(tǒng)機(jī)械類課程教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合大學(xué)生機(jī)械類工程創(chuàng)新競賽內(nèi)容要求，通過校企產(chǎn)教融合方式，重新組織課程重點(diǎn)實(shí)踐內(nèi)容，讓學(xué)生獨(dú)立完成問題研究、方案設(shè)計(jì)、仿真分析、優(yōu)化改進(jìn)等實(shí)踐任務(wù)。以企業(yè)所面臨的真實(shí)工程問題為導(dǎo)向，以工程創(chuàng)新競賽為路徑，從工程問題建模和求解的全過程深化學(xué)生課程知識學(xué)習(xí)層次，真正提升學(xué)生創(chuàng)新性解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力。

一、工程創(chuàng)新競賽與機(jī)械基礎(chǔ)類課程的融合方案設(shè)計(jì)

工程創(chuàng)新競賽是以專業(yè)知識為基礎(chǔ)、以綜合應(yīng)用為導(dǎo)向的比賽形式，對于提升學(xué)生主動性、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)具有明顯的促進(jìn)作用。如全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“一帶一路”工程仿真創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽項(xiàng)、中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，競賽目標(biāo)主要是鼓勵學(xué)生運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識，聚焦當(dāng)下社會問題或企業(yè)困境，通過創(chuàng)新工程理念、整合內(nèi)外資源、統(tǒng)籌實(shí)踐操作等，形成針對性強(qiáng)、實(shí)效性高、應(yīng)用性廣的問題項(xiàng)目方案。賽事參與的過程是學(xué)生創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力提升的過程，也是解決企業(yè)問題、滿足社會發(fā)展需求的探索過程，以賽促學(xué)，以賽促教，以賽促創(chuàng)，最終實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)外的無縫銜接，以及學(xué)校與社會的有機(jī)銜接。

針對不同專業(yè)和不同課程的學(xué)生，需選擇合適的競賽以加深他們對課程內(nèi)容的記憶，提高其對現(xiàn)代化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的對象、原理、方法的認(rèn)知水平。如表1所示，不同機(jī)械專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方向略有不同，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)踐方案也有所不同。對于工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生，更加注重“機(jī)械原理”課程所涉及的機(jī)構(gòu)及基本傳動進(jìn)行創(chuàng)新和實(shí)踐，因此可以通過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行針對性的時間訓(xùn)練；對于車輛工程專業(yè)學(xué)生，可以采用產(chǎn)教融合的方式，結(jié)合車企工程實(shí)際進(jìn)行車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的仿真與校核，通過對實(shí)際工程問題的建模與求解深入理解機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在工程中的研究意義；對于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的學(xué)生，設(shè)計(jì)和制造出綜合性能優(yōu)的機(jī)械產(chǎn)品更能提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

二、基于工程創(chuàng)新競賽的課程實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式

（一）高校+企業(yè)，整合教育資源

高校之所以成為育人的重要陣地，是因?yàn)槠渚奂松鐣蟽?yōu)良的師資隊(duì)伍、先進(jìn)的教學(xué)設(shè)備和濃郁的文化氛圍，教育資源相對集中且豐富。但與此同時，對學(xué)生的教育也往往容易局限于固有思維和已有模式，缺乏足夠的活力和有效的補(bǔ)充。因此，通過高校+企業(yè)聯(lián)動，打造專業(yè)學(xué)習(xí)第二課堂，既是對工程競賽的必要準(zhǔn)備，又是學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的重要平臺，校企合作、內(nèi)外協(xié)同，集中雙方優(yōu)勢，整合各類資源，合力構(gòu)建全域教育空間。如邀請杰出校友、企業(yè)名家、一線員工代表進(jìn)校園，展示他們的職業(yè)風(fēng)采、講述他們的奮斗故事?；驇ьI(lǐng)學(xué)生走進(jìn)企業(yè)工廠，感悟創(chuàng)造力量和改革精神，為籌備競賽、提升專業(yè)認(rèn)知做了充分準(zhǔn)備和有益補(bǔ)充。

（二）理論+實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)以致用

參加工程創(chuàng)新競賽，必然需要相應(yīng)的參賽作品，僅有創(chuàng)新的方案設(shè)計(jì)而缺少實(shí)際模型和應(yīng)用的驗(yàn)證，是無法體現(xiàn)方案的可行性和有效性的，還需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐能力。為此，理論+實(shí)踐的培養(yǎng)模式十分必要且不可或缺，可通過與地方機(jī)電工程類企業(yè)開展合作共建，共推共創(chuàng)學(xué)生工程競賽培育中心，組織學(xué)生開展常態(tài)化實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，并以此為平臺推動“雙導(dǎo)師”制，就學(xué)生工程類競賽項(xiàng)目作聯(lián)合指導(dǎo)和共同培養(yǎng)，打破高校技術(shù)壁壘，促進(jìn)專業(yè)知識向?qū)嵺`操作的有機(jī)轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的主動意識和能力。

（三）課堂+賽場，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)

對于高校學(xué)生而言，其所掌握的理論基礎(chǔ)較為薄弱，同時思維靈活發(fā)散，合作意識不強(qiáng)，創(chuàng)新能力不足，綜合素養(yǎng)有待提升。而工程類競賽是面向在校本科生的一項(xiàng)綜合性工程能力競賽，綜合體現(xiàn)了學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)踐動手能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、工程素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。為此，課堂+賽場的培養(yǎng)模式有利于學(xué)生在掌握知識的基礎(chǔ)上，提高自身綜合素養(yǎng)。

三、基于工程創(chuàng)新競賽的課程實(shí)踐實(shí)施案例

在機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)類課程教學(xué)實(shí)踐中，課題組深入調(diào)研全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“一帶一路”工程仿真創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽項(xiàng)、中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等競賽項(xiàng)目的設(shè)置目的和參賽方式，通過帶領(lǐng)不同專業(yè)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加上述工程創(chuàng)新競賽項(xiàng)目，采用產(chǎn)教融合方法，讓學(xué)生針對企業(yè)具體工程問題進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，深入企業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)場充分體驗(yàn)實(shí)際問題，掌握提出問題、分析問題和解決問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)全過程，提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和解決工程問題的能力。具體實(shí)踐教學(xué)案例如下。

（一）機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與機(jī)械原理課程實(shí)踐

全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽根據(jù)主題的不同要求參賽學(xué)生自行選題、自主設(shè)計(jì)并完成制作與調(diào)試，對于機(jī)械原理與傳動方案的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。傳統(tǒng)“機(jī)械原理”課程實(shí)踐教學(xué)中，對于傳動原理部分的實(shí)驗(yàn)要求多局限于“齒輪傳動”，而“齒輪傳動”由于輪廓造型復(fù)雜、加工制造要求高、造價高等因素對于學(xué)生的深入認(rèn)知與應(yīng)用難度較大。同時，“機(jī)械原理”作為工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于課程的理論性、抽象性較強(qiáng)，工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映難度較大。因此，課題組在“齒輪傳動”課堂實(shí)踐之外，結(jié)合全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的基本要求，針對工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)增設(shè)多樣化機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)實(shí)踐活動，并結(jié)合大賽主題設(shè)計(jì)不同的傳動方案（如帶傳動、鏈傳動等），在對各類傳動方案進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)計(jì)算和校核的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)械制圖的相關(guān)知識設(shè)計(jì)出相關(guān)齒輪、螺紋等零件，并獨(dú)立完成零部件的標(biāo)準(zhǔn)化選型和整體制作與調(diào)試。該實(shí)踐教學(xué)方案通過對常用機(jī)械傳動方案的組合和應(yīng)用有效深化了學(xué)生對“機(jī)械原理”課程內(nèi)容的理解，提升了學(xué)生學(xué)以致用的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（二）工程仿真設(shè)計(jì)賽項(xiàng)與“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐

“一帶一路”暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽工程仿真創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽項(xiàng)不限制專業(yè)方向，對于各類機(jī)械專業(yè)學(xué)生具有較好的實(shí)踐訓(xùn)練效果。常規(guī)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程和“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程中對于機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)與校核通常采用理論計(jì)算的方法實(shí)施，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對于設(shè)計(jì)與校核公式的理解不夠直觀和深入，對于零部件的失效和損傷形式了解不足，無法在實(shí)踐中有效發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，這就容易造成學(xué)生理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題?；诖?，在車輛工程專業(yè)學(xué)生對零部件的材料屬性、加工方法和強(qiáng)度性能等有了一定了解后，課題組通過走訪相關(guān)汽車零部件設(shè)計(jì)加工企業(yè)，掌握企業(yè)在零部件設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)后，組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)以車企某型號沖壓模具為研究對象，從問題分析、模型建立、強(qiáng)度與剛度性能分析等方面對零件進(jìn)行了全流程分析，構(gòu)建了該企業(yè)某型號沖壓模具的三維實(shí)體模型，在ABAQUS有限元分析軟件中模擬了高溫、高速、高壓注塑過程，獲得了模具關(guān)鍵部位在注塑過程中的應(yīng)力應(yīng)變行為規(guī)律，并以報(bào)告形式向企業(yè)進(jìn)行結(jié)果反饋。通過賽項(xiàng)的參與，有效增強(qiáng)了學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)課程有關(guān)強(qiáng)度、剛度等知識點(diǎn)的理解，強(qiáng)化了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐意識，拓展了學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的思路與方法，提升了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。

（三）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程實(shí)踐

中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽旨在激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)造力，以創(chuàng)新引領(lǐng)創(chuàng)業(yè)，推動賽事成果轉(zhuǎn)化，推動高校畢業(yè)生實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)。針對高年級機(jī)械專業(yè)課程“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”中所涉及的優(yōu)化、仿真和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，教師通過鼓勵學(xué)生跨專業(yè)、跨年級、跨學(xué)院、跨學(xué)校組建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，讓學(xué)生自主探尋行業(yè)痛點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)，在對行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)上，采用創(chuàng)新組合，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對原有產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，衍生出新產(chǎn)品，并對新產(chǎn)品進(jìn)行商業(yè)開發(fā)與試驗(yàn)研究。課題組堅(jiān)持以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促創(chuàng)的實(shí)踐教學(xué)精神，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽著重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)。在該案例中，課題組組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)深入發(fā)掘煤礦與工程鉆探行業(yè)中面臨的痛點(diǎn)難題，通過理論分析、仿真模擬、模型開發(fā)和產(chǎn)品推廣等方式，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到公司運(yùn)營，從知識產(chǎn)權(quán)到財(cái)務(wù)分析，全身投入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程。通過創(chuàng)新方案與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生深刻體驗(yàn)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過程中的難度，為學(xué)生高質(zhì)量就業(yè)創(chuàng)業(yè)提供有力基礎(chǔ)。該案例實(shí)施效果顯著，有效提升了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平、綜合實(shí)踐能力以及企業(yè)經(jīng)營與管理經(jīng)驗(yàn)。

通過上述課程教學(xué)實(shí)踐措施，既有效深化了學(xué)生對機(jī)械基礎(chǔ)類課程理論知識的理解，又提升了學(xué)生設(shè)計(jì)水平和實(shí)踐創(chuàng)新能力。其中，通過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽與機(jī)械原理課程實(shí)踐組織學(xué)生參加“全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”并獲全國二等獎1項(xiàng)；通過工程仿真設(shè)計(jì)賽項(xiàng)與機(jī)械設(shè)計(jì)課程實(shí)踐組織學(xué)生參加“一帶一路”工程仿真創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽，榮獲東區(qū)二等獎1項(xiàng)；通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程實(shí)踐組織學(xué)生參加江蘇省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，并榮獲一等獎1項(xiàng)。可見，相比于傳統(tǒng)課程實(shí)踐形式，基于競賽的課程教學(xué)實(shí)踐活動對于“教”與“學(xué)”均有明顯的優(yōu)勢。

因此，為培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，通過對不同機(jī)械基礎(chǔ)類課程重點(diǎn)理論知識重新梳理，并基于工程創(chuàng)新競賽內(nèi)容與要求設(shè)計(jì)出滿足不同課程培養(yǎng)要求的教學(xué)實(shí)踐方案，提升了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力、工程創(chuàng)新能力和優(yōu)化創(chuàng)新能力，建立了基于工程創(chuàng)新競賽的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)類課程教學(xué)與實(shí)踐育人體系，相關(guān)案例具有較高的參考意義和推廣價值。

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[9]劉戰(zhàn)合，田秋麗，王菁，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大學(xué)生科技競賽培養(yǎng)策略探析[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（2）.

[10]陳霞，冷護(hù)基，劉慶運(yùn)，等.基于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與實(shí)踐[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2019（4）.

[11]李周密，付玲，駱清銘，等.新工科工程科學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)特色及其啟示：基于華中科技大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院的實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2021（5）.

責(zé)編：應(yīng) 圖