課程—實踐—創新相輔相成的教學模式改革

米 潔, 高 宏(北京信息科技大學, 北京 100192)

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課程—實踐—創新相輔相成的教學模式改革

米 潔, 高 宏
(北京信息科技大學, 北京 100192)

針對機械設計專業，提出課程—實踐—創新相輔相成的教學模式改革思路。優化課程結構，將產品設計的理論方法與大型工程軟件的應用相結合，加強系統性實踐訓練。以機械創新設計課程引領創新思維的培養，用工程實例貫穿知識點的講解。建立培養創新思維的層次化的實踐教學體系，使不同層次的學生都有實踐創新的機會。在課程教學、實驗、課程設計以及畢業設計等環節中，注重創新思維的培養。規劃系統化的實踐項目，建立創新培養成為長效機制。將學生參加的科技創新活動融入教學環節，對創新的引導作為教學的責任，倡導主動帶領學生結合專業知識進行動手實踐，激發創新意識，提高學生的工程素質和創新能力。

教學改革；課程結構；實踐教學體系；創新能力

0 引 言

在我校專業設置體系中，機械設計專業方向是機械設計制造及其自動化專業下設的三個方向之一。該專業方向的培養目標為：在掌握本專業基礎理論知識基礎上，在現代工程實際中熟練應用計算機輔助工程技術，實現機電一體化產品的設計與分析。在專業人才培養過程中強調系統化設計思想和創新思維。

現代機械產品的設計分析技術逐漸向集成信息化方向發展，這提高了對從事設計工作人員的整體素質要求[1-2]。人才培養注重集成設計思維培養，以及大型工程軟件應用，增強在本專業及其相關領域中設計分析的實踐應用的能力。將計算機輔助工程技術貫穿于基礎課程學習、課程實踐以及項目設計等各個環節，提升學生的應用創新能力。

國外高校注重實踐創新能力的培養，建立創新激勵機制和多渠道、多層次開展實踐創新活動[3]。培養學生創新能力是世界上許多科技強國高等教育改革的目標[7-9]。日本把科學技術中創造力作為一個重要的發展戰略[10]。德國將學生開拓創新能力作為新世紀教育的重要部分之一[11]。我國的高等教育也提出深化教育改革，加強素質教育，開展提升創新的教育。提高學生的實踐能力，培養求異思維；注重個性發展，是培養他們的創新精神和創新能力的必要途徑[12]。

1 優化課程結構，提升創新設計能力

以工程應用型人才的培養為目標，將機械、計算機、控制知識融為一體的綜合教育，并體現學生綜合運用知識的創新實踐，是機械設計專業方向人才培養的核心[13-14]。基于此，對原機械設計專業方向的課程體系進行了改革，調整了計算機應用類課程和機械創新設計課程的理論知識和實踐內容。

1.1 理論知識的學習融合工程軟件的應用

在“計算機輔助設計”、“產品建模與仿真分析”、“機械優化設計”、“有限元分析基礎”、“機械可靠性設計”等系列課程中，講授內容是產品設計分析理論及方法。為了讓學生能夠更好掌握知識并了解如何應用，將ANSYS、ADMAS、ProE等工程軟件的學習引入教學。每門理論課程與一個工程應用軟件相結合，使學生學以致用，將傳統的機械設計知識與先進的現代技術加以融合，在知識面和能力上產生飛躍。

增加了教學內容，又要兼顧學時分配，圍繞課程教學目標進行教學內容的精選和優化，提高課程的綜合化程度，并加強系統性實踐訓練。學生在學習理論知識的基礎上，掌握了多種計算機輔助設計分析工具的應用及軟件的二次開發技術，用以解決工程問題。學生在課程設計、畢業設計的實訓中，應用設計分析工具求解問題，實現對機構和結構的運動/動力、應力/應變分析。通過三維建模與仿真、工程分析和處理，學生進行仿真驗證設計構思并改進設計的不足之處，提高自身知識的綜合靈活運用和工程品設計能力。

1.2 創新思維貫穿“機械創新設計”課程

在機械創新設計課程中注重貫徹強基礎、精重點、寬知識面的思想，注意把理論與大量的工程實例相結合。用典型實例分析如何巧妙實現機構功能原理，擴大學生的視野及思維空間，也啟發學生用知識解決生活中身邊的問題。例如，結合書本打包機、印刷機、點鈔機、餃子機等典型機械功能及動作原理的講解，將機構的變異與組合理論知識與實際工程應用結合起來。

將教學方法改革應用于課堂教學之中，以工程實例貫穿知識點的講解，采用歸納、分類、小結合提問的方式，突出核心信息，并讓學生達到觸類旁通的效果。教師注重資料的積累，講解中注意知識的系統化，提高知識的邏輯性及應用性。與理論課并行的實踐環節，安排機構的拆裝、組合和創新搭建，學生以小組為單位進行機構原理設計與分析，鍛煉思維和能力。

2 完備實踐教學，實現不同層次學生創新實踐

課程—實踐—創新相輔相成的學習過程，讓學生獲得知識，培養專業素質，鍛煉工程能力。實踐教學是使學生更好地把握理論知識及應用，創造效益。學生在接受知識的過程中，理解和消化的程度有區別，因此分層式實踐教學模式更有助于學生創新能力的培養。科學實用的實踐教學體系，對培養學生工程意識、增強大學生社會適應能力、學以致用，十分關鍵。

2.1 設置含有專業層次的動手實踐項目

現代技術的發展，需要對傳統實驗項目進行改進，增加工程實踐中產品設計內容。從學生的專業興趣出發，實驗教學中心在方案設計、測試分析、控制等不同側面增設多項實驗系統，如平面機構搭接分析、平面機構創意組合分析、機械方案創意設計模擬、創意組合機械系統搭接、能力風暴機器人行走規劃、創意機械模塊化搭接與控制、多自由度機器人模塊化搭接與控制、慧魚可拼裝智能模型搭接、軸系結構設計分析、機構建模與仿真分析等。另外，在計算機輔助分析系列課程中，對建模軟件(ProE)、有限元分析軟件(ANSYS)、仿真分析軟件(ADAMS)等的實驗環境和內容進行建設，構建了解決工程設計問題的一體化系統。

2.2 規劃層次化實踐體系

夯實學生對機械類基礎知識與原理的理解，以促進創新為目標構建的實踐教學體系，提高了專業實踐水平。在課程實驗、課程設計中，設置驗證、設計、創新的級層，促進和發展學生的綜合系統設計能力和創新能力，并提升到具有一定的工程問題解決能力。

在部分專業課規劃中，將理論的講授和知識理解置于實驗過程中。如本專業的兩個試點班，設置了“測試技術與實驗方法”、“機電系統設計與分析”、“計算機輔助設計及分析”、“計算機控制技術及應用”4門專業課程，理論與實踐的學時比例達到或接近1∶1。項目設計、綜合課程設計等獨立實踐環節的內容和形式，強調面向工程實踐。除基礎課中單門課程設置課程設計外，還開設了融合多門課程知識的綜合課程設計。例如，機械原理/機械設計/機械制造基礎綜合項目設計、產品建模與仿真/有限元分析基礎綜合項目設計、機械系統設計/機械創新設計/單片機應用基礎綜合項目設計等。

學生創新能力的培養是一個四年不間斷的持續和遞進的過程[15]。我校機械設計專業方向以對學生創新能力的培養為目標，在課程實驗、課程設計、項目設計以及畢業設計等環節中，注重創新思維的培養。學生從一年級的專業認識開始起步，通過制圖測繪、趣味機構搭接，建立專業興趣；進入專業基礎實驗和課程設計后，打下扎實的專業基礎，進入到工程訓練的提升階段；專業課的學習以及綜合課設、畢業設計，進入解決工程問題的實戰階段，參與完成實際項目或參加機械創新大賽。對學生來說，立體化的實踐訓練是多層次的系統訓練。將課程內容融入到實驗、課程設計、課外科技活動中，將學生置于立體化學習空間。開放實驗室、創新活動、學科競賽、工程環境，拓展了知識內涵，提升綜合能力，培養學生的科學和專業意識，樹立團隊合作精神。

2.3 建立本科教育全周期的主題工程設計與實訓

培養學生的創新思維，使其在工程中形成一定的思維習慣和理念。為學生創造條件，鍛煉系統化思考。根據提出問題、解決問題、獲取知識的創新思維規律，設計了主題工程實訓項目，如典型機械產品減速機的設計制造過程。學生在從一年級到四年級的理論知識學習基礎上，在實踐環節上建立減速器部件及其零件的認知、測繪、繪圖、材料、設計、建模、分析、加工、控制、綜合的各個環節訓練，實踐內容分單元完成，又結合同一減速器產品實體，使學生能夠結合理論知識與工程實踐對產品設計有更深入的認識。

2.4 畢業設計開放式管理，著重解決工程實踐問題

畢業設計是大學4年學習的一個總結，實施開放性管理，靈活規定工作量，重點解決實際工程問題。

畢業設計的課題選擇強調實用性，教師結合已做項目或工程技術創新來命題。在內容及要求上，力求內容具體，鼓勵進行完整的產品設計，從方案擬定、機構分析、結構設計分析、加工、運動控制等環節對學生實施全方位訓練。在成果形式上，鼓勵實物型畢業設計，允許設計失敗，但要分析原因，找到改進措施。教師和學生積極響應，學校也設立專項經費資助學生制作物理樣機，部分畢業設計作品參加北京市機械創新大賽并獲獎。

小組型的設計團隊是畢業設計組織形式的一個亮點，也是試圖培養和鍛煉學生的團隊精神和組織溝通能力的有力形式。在一個小組的設計團隊中，學生可以來自不同專業，各自負責自己工作，但又合作完成一個產品開發。小組指導教師也是由不同專業背景的多位教師組成。小組型畢業設計題目來自教師的科研項目或者科技創新活動及學科競賽，這類題目設計內容包含產品預算、結構設計、模型制造、控制、外觀造型等，需要不同專業同學齊心努力完成。與學生科技創新活動及學科競賽相結合的畢業設計的管理機制、實施方法已經規范化，從選題、實施、考核等方面制定規定，學生按要求進行系統的設計和制作實物樣機。

3 創新實踐活動作為培養學生成才的著力點

準確把握學校人才培養目標，在校院兩級積極優化實踐教學體系，創造條件、搭建平臺，促進學生參加科研訓練和科技創新活動。將學生參加的科技創新活動與日常的教學環節緊密結合，讓這項工作成為應用型人才培養的重要輔助方式。倡導主動帶領學生結合專業知識進行工程實踐，激發創新意識，增強創新素質，提高創新能力，將開展科技創新活動做為提升實踐教學的途徑。

3.1 對創新的實施作為教學內容

結合機械原理、機械設計、機械創新設計的課程教學目標，講解參加科技創新設計活動、機械創新大賽目的。這兩項活動的內容是以機構、機械結構的創新為前提的小型產品開發，用所學的知識去解決生活實際問題。在計算機系列課程教學中，設計綜合實踐項目，讓學生充分利用大型工程軟件實現產品的設計建模、分析、優化。對于工作量適當的創新活動題目，將其與專業方向綜合課程設計、綜合實驗以及畢業設計等教學環節相結合，要求學生完成產品的方案分析比較、結構設計，樣機加工，運動控制。學生在設計和制造過程中，按要求進行市場調查、資料檢索、方案比較、對機構進行運動分析和受力分析、原理和結構設計以及有關計算等工作，并繪制機器運動簡圖、總裝圖，撰寫設計說明書等，每一個環節都是理論知識的靈活應用。

3.2 對創新的引導作為教學的責任

以機械原理、機械設計、機械創新設計三門基礎專業課為依托，結合機械專業其它課程的知識，教師給學生布置課外題目，引導學生制定方案，并對多種方案進行分析對比，自己動手解決實際生活中的問題。從單純理論知識學習，拓展到工程實踐中，更有助于增進理解和掌握理論知識，提高學生的專業學習興趣。

在學生參加科技創新活動和學科競賽活動中，突出學生的主體地位，讓學生在生活中發現問題，提出解決方案。教師處于引導地位，與學生一起探討方案，拓展學生思路，給學生指出思考的方向和存在的問題，并通過多次討論引導學生向設計的深層次發展，直至完成產品設計。

3.3 對創新的激勵作為教學的協助

北京市機械創新設計大賽是一項面向機械類專業大學生的科技活動，其目的是提高學生的創新產品的設計能力和工程實踐能力，培養學生的合作意識和創新精神。該項賽事直接針對學生機械類專業基礎知識學習和實際應用，也促進各高校教學研究與改革工作。學校每年舉辦一次創新設計大賽的預選賽，每屆參加人數100余人，是目前學院參加學生最多學科競賽。

參加市級機械創新比賽是開闊視野和加強合作學習的良好機會，高層次的比賽培養了團隊精神，也是學生能力提高的有力保證。北京市高校機械創新設計大獎賽每兩年舉辦一次，通過答辯篩選校級比賽較好作品，2006、2008、2010、2012、2014年連續5次組隊參加，均取得良好成績，并且制作的作品申請了專利。

通過參加競賽，學生經過實際觀察和思考，利用所學專業知識設計和制造出有實際意義的機械產品。了解在設計過程中應嚴格遵守的流程和工藝規范，提高工程產品的設計開發能力，體現出團隊協作精神。

4 結 語

課程—實踐—創新相結合的教學模式，加強專業基礎、拓寬專業視野，提升實踐創新能力。優化專業的課程結構，將計算機輔助工程先進技術融入傳統機械設計專業理論知識，使傳統機械設計理論與現代新技術互為依托、相互融合。立足于機械工程與信息工程的交叉，打造出機械制造產業的計算機應用技術人才和信息產業的機械專長人才，使學生具有交叉行業的結合點和生長點。合理規劃理論與實踐的教學內容，并相輔相成地實現不同層次的學生實踐創新機會。在解決問題過程中，學生積極思考、敢于創新、團結協作。組織學生參加科技創新活動或學科競賽，在學生頭腦中建立工程設計的系統概念，使學生具備利用所學專業知識解決工程問題的能力。

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Course-Practice-Creation Complementary Teaching Model Reform

MIJie,GAOHong
(Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

The reform idea of course-practice-creation complementary is proposed for mechanical design professional. The curriculum structure is optimized to implement that the theories and methods of product design are combined with the application of large engineering software. Furthermore, they strengthen the systematic practical training. We use the mechanical creative design course to lead to cultivation of creative thinking, and use engineering examples to complete the knowledge point explanation. The modular practical teaching system is constructed for cultivation of innovative thinking for different levels students. Moreover, the cultivation of creative thinking is focused in areas such as curriculum teaching, experiment courses, curriculum design, project design and graduation field work. Systematic practice projects are planned to establish innovative training mechanism. The daily teaching is closely integrated with science and technology innovation activities. And the guide on innovation is to realize the purpose of teaching responsibility. The reform initiative promotes practice to combine with knowledge, inspires innovation consciousness, improves innovative quality, and enhances innovation capabilities.

teaching reform; course structure; practice teaching system; innovation capabilities

2014-02-19

北京高等學校教育教學改革立項項目(PXM2014_014224_000088_00133093_FCG)；校教改重點項目(2012JGZD01)；北京市高等教育學會“十二五”高等教育科學研究規劃課題(BG125YB037)

米 潔(1971-)，女，河北唐山人，博士，教授，從事機械設計制造及其自動化專業教學和科研工作。

Tel.: 13683330808; E-mail: zhiwei99@263.net

TH 12； G 420

A

1006-7167(2015)02-0167-04