機械類專業大學生創新與實踐能力培養體系研究

石永軍, 劉 峰, 崔學政, 王新慶

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

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機械類專業大學生創新與實踐能力培養體系研究

石永軍, 劉 峰, 崔學政, 王新慶

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

針對現代大學生的工程意識普遍較低、創新能力不足的問題,從理論課程教學、實驗與實訓、大學生機電創新實驗室3個方面搭建大學生創新培養體系,實現機械基礎理論課程、課程系列實驗、課程設計、創新平臺之間的無縫連接,解決針對不同學生實際學習情況開展分層分類指導的問題,解決大學生創新活動中不同專業教師與學生之間、高年級與低年級學生之間有效溝通問題。

機械專業； 創新能力； 實踐教學； 培養體系

改革開放，特別是黨的十三屆四中全會以來,大學生社會實踐不斷加強,取得了顯著成效[1-2]。提升機械類專業學生的工程意識與創新能力,增強其綜合素養,對于我國經濟的持續穩定發展具有重要意義[3-6]。為了加強本科大學生創新意識與綜合能力的培養,國內各大學都在積極探索適合本校特點的實踐教學模式[7-10]。本科生培養方案中實驗是主要的實踐環節,但目前實驗中演示性和驗證性實驗項目占較大比例,而綜合性、創新性實驗占的比重較少。由于在演示性和驗證性實驗中，學生是按照實驗指導書上的步驟進行操作,缺少獨立的思考,不能有效鍛煉學生將所學知識進行融會貫通綜合解決實際問題的能力,也不利于培養學生的創新思維和創造能力。另一方面,學生參加大學生創新訓練計劃由一個小的團隊來完成研究,但學生缺乏研究與實驗的場所,學生之間、學生與教師之間缺乏有效的交流與溝通。學生實踐中很少有機會自己擬題,創造性受抑制,個性得不到發展。此外,機械基礎理論課程設置、實驗設置、課程設計、大學生創新訓練、學科競賽之間缺乏有效的鏈接。如何通過上述環節激發學生參與實踐與創新的積極性，是一個亟需解決的問題。

本文通過從理論課程教學、實驗與實訓、大學生機電創新實驗室3個方面構建大學生創新培養體系,有效鍛煉學生將所學知識進行融會貫通綜合解決實際問題的能力,培養學生的創新思維和創造能力,解決學生之間、學生與教師之間缺乏有效交流與溝通的問題,以及機械基礎理論課程設置、實驗設置、課程設計、大學生創新訓練、學科競賽之間有效銜接的問題。

1 建立大學生創新能力培養體系

機械類專業大學生實踐創新體系包含機械基礎理論課程教學團隊、實驗教學團隊、機械基礎課程設計教學團隊、大學生科技創新協會、科技創新指導委員會、機電創新實驗室6部分。機械基礎理論課程教學團隊研究在理論課程中增進學生工程意識與逐步培養創新意識的方法；實驗教學團隊研究驗證性實驗、綜合性實驗與創新性實驗的設置,探尋通過實驗培養學生實驗技巧、動手與創新能力的方法；機械基礎課程設計教學團隊研究分類、分層次進行課程設計的方法,培養學生綜合解決問題能力與創新能力；建立大學生科技創新協會與科技創新指導委員會,解決學生之間交流以及學生與教師交流的問題；機電創新實驗室為大學生實踐與創新提供了設備與場所。

機械類專業大學生實踐與創新的培養沿著一條主線開展:基礎理論部分初步培養學生的工程意識與創新意識,實驗部分著重培養動手能力、在教師指導下的創新能力,課程設計培養學生綜合運用所學知識解決工程問題的能力，以及部分學生創新能力與團隊協作的能力。依托于大學生科技創新協會、科技創新指導委員會與機電創新實驗室,結合大創項目、科技競賽、自主發展計劃等,對學生進行自主工程設計與制造能力、表達與溝通能力、創新能力等綜合能力的培養，其培養體系見圖1。

2 結合課程內容培養學生創新意識

機械基礎理論課程主要包括機械原理部分和機械設計部分,是大學生工程意識培養和創新能力養成的重要課程,其特點是實踐性強,理論聯系實際緊密,與力學、材料、工程圖學等多門課程有著密切的關系。通過學習使學生掌握通用機械零件的設計原理、方法和機械設計的一般規律,具有設計一般機械的能力,具有運用標準、規范、手冊、圖冊等有關技術資料的能力,初步培養正確的設計思想和典型機械零件的測試能力。

為了提升學生的工程意識,在機械基礎理論課程授課中以專業典型裝備為載體,把連桿機構、齒輪傳動、帶傳動等孤立的、零散的知識聯系起來,實現內容的系統化和完整化,使學生把所學基本知識與工程實際聯系起來。例如：石油工程專業主要涉及石油鉆采裝備,該專業的教學案例設置應圍繞井架及抽油機等鉆采裝備選??；油氣儲運專業主要涉及石油存儲等相關的罐體及運輸設備,教學例題設置應圍繞罐體密封與壽命,以及石油管道與特種運輸車輛等進行選?。谎b備與控制專業主要涉及石油化工機械,教學案例應圍繞石化裝備密封與安全等設備選取。

為了培養學生的創造性思維,在每一章節后面增加相關發明專利等創新案例,展示基本知識點與創新競賽作品對應內容,使學生了解別人的創新思維,讓學生在學習的過程中逐步感受創新。機械基礎理論課程知識結構見圖2。

圖2 機械基礎理論課程知識結構示意圖

3 構建團隊協作的柔性化機械基礎類課程設計體系

課程設計教學環節是學生鞏固和深化理論知識的重要途徑。為了培養具有組織能力、團隊協作與協調能力、創新能力和工程意識強的機械工程技術人才,針對目前課程設計中存在的問題,探索通過柔性化的課程設計題目調動學生的積極性,以激發學生創造性。通過非固定的設計題目,逐步鍛煉學生的設計構思能力,使學生克服思維定勢的影響,針對新的問題能夠正確運用形象思維與抽象思維,找到問題的最佳解決途徑,通過團隊協作進行整個題目的設計與計算過程,并通過樣機試制培養學生實際動手能力和工程意識能力。

考慮到一個班級學生的實際情況各不相同,將參加課程設計的學生分為3部分：一部分學生參加常規的減速器課程設計；一部分學生進行減速器設計,可以對減速器的結構、安裝、支撐、潤滑形式進行改造,對改造部分有詳細的計算分析過程；一部分優秀的學生可以自主命題進行課程設計,題目內容要包含齒輪、軸、軸承、帶傳動、鏈傳動等機械設計所學的內容(見圖3)。其中,自擬題目的學生組隊進行課程設計,每隊的人數由指導教師根據課題的難易程度與工作量來確定。讓學生掌握機械系統的一般設計方法,學生需要自學齒輪減速器的設計。課程設計題目包括2部分,一部分學生的設計題目由教師確定的題目庫中選取,教師確定的題目庫主要來源于科研項目、歷年的本科畢業設計與各類機械創新設計比賽；另一部分學生可以根據教師的設計要求,結合實際工程需要或機電產品競賽提出新想法自己擬定設計題目。

為了使課程設計與機械設計基礎課程緊密結合,對于所有的設計題目,要滿足統一的課程設計選題規范。在設計過程中,學生可以充分發揮他們的想象力,進行新結構的設計與計算。組長負責工作計劃的分配,并制定課程設計工作計劃,確定出主要工作的時間節點；指導教師按照時間節點對所完成的工作內容進行檢查。完成裝配圖與零件圖后,由指導教師對圖紙進行審核，審核完成后根據實物尺寸選擇一定的比例進行模型制作。在試制過程中可能發現軸類零件定位、安裝以及運動干涉等問題,設計團隊再進行不斷修改以完善設計,使學生體驗從理論計算、圖紙設計到實物制作的整個過程,逐步培養學生工程意識。

4 建立大學生機電創新實驗室,實現創新軟硬件資源優化配置

目前實驗中心實驗室全面開放仍有一定的困難。為了減少實驗室教師的工作量,要充分發揮大學生科技創新協會與科技創新指導委員會的作用，需要去實驗室參加實踐與創新的學生可以與大學生科技創新協會聯系，由協會統一與實驗中心預約,實現實驗室有計劃的開放。

圖3 分層分類指導課程設計示意圖

大學生機電創新實驗室是以培養大學生創新能力和實踐能力為目標,為具有一定創新潛質的大學生提供一個對創新思維進行驗證或變為現實的平臺,也是各類機電創新競賽的培育基地。大學生機電創新實驗室擁有先進的實驗設備,如快速成型機、機構創新平臺、汽車設計平臺和自動控制平臺等設備。創新實驗室建有五大創新模塊:機構創新模塊、機械創新模塊、汽車創新設計模塊、控制創新模塊、制造創新模塊。

建立機電工程學院大學生科技創新協會,制定協會章程、管理制度與運行模式,選舉協會負責人與骨干,定期召開科技創新活動進行交流,使不同年級、不同專業學生在一起交流經驗。建立科技創新指導委員會,探討委員會的運作模式,聘請不同專業的教師對機電產品設計過程中存在的問題進行指導,解決指導教師學術背景不同而難以同時指導機械、電子、控制、計算機等多專業的問題。

由于機電創新實驗室現有設備、空間尚不能滿足所有學生進行實驗,對于有較好項目的學生,向創新協會提出申請,創新協會根據項目的成熟程度,分批安排學生進入機電創新實驗室。對于有創新想法的低年級學生,把自己的想法寫成書面材料向創新協會匯報,由創新協會與科技創新指導委員會聯系推薦指導教師,解決低年級學生找不到合適的指導教師的問題。創新協會吸收實踐與創新活動成果突出的高年級學生或研究生,作為輔助的指導教師,把他們的經驗傳遞給創新活動剛起步的低年級學生。創新協會根據學生從事科技創新與實踐活動的情況,對研究團隊做適當調整,把不同專長的學生組合在一起,避免項目研究內容重疊,解決了團隊優化配置的問題。由于有些項目工作量較大,一屆學生還不能做得比較成熟,創新協會負責把這些不成熟的項目再組織低年級學生繼續進行下去,解決項目的持續發展問題(見圖4)。

5 教學效果

面向本校機電工程學院、石油工程學院等7個學院23個專業3 000多名本科生開設機械設計基礎課程設計、創新實驗等實踐教學,教學覆蓋面廣。先進的教學理念、豐富的教學內容以及現代化的教學手段,極大地激發了學生的學習熱情。

(1) 學生綜合素質高,解決實際工程問題能力強。學生經過實驗掌握了一些實驗設備、實驗方法,提高了學生綜合素質與能力,使得學生工程意識逐步養成。通過綜合實驗的訓練,顯著提高了學生的自學能力、實驗技能和動手能力、分析和解決實際問題的能力等。畢業生就業率始終保持在95%以上,受到了用人單位的一致好評。

(2) 學生的綜合設計能力和創新能力有了明顯的提高。在學校的支持下每年舉辦課外創新設計大賽,并組織學生參加校外的比賽。學生的綜合設計能力、創新能力和動手能力得到了極大的提高。近5年,先后指導大學生創新創業訓練計劃項目216項,學生在挑戰杯、全國三維數字化創新設計大賽、山東省機電產品創新設計大賽中獲得各類獎勵179項。2015年大學生新增授權專利86項,其中,車輛工程專業12級學生劉勇的作品“高能摩擦制動器的設計及控制策略的研究”獲 2015年挑戰杯國賽二等獎。學生的作品充分顯示了他們的創新意識和設計能力,不少作品能運用光、機、電知識,具有較好的功能和性能要求,部分作品經詳細設計后可轉化為產品。

(3) 課程設計改革取得良好效果。柔性化課程設計改革教學效果良好,既可以激發學生的學習積極性,又可以培養學生的創新能力、動手能力與團隊協作精神。完成課程設計任務后,學生均表示收獲了許多理論課堂上無法學到的知識,對于培養他們的工程意識與創新能力很有幫助。

該研究成果具有較強的示范和輻射作用,已在機械制造及其自動化、車輛工程以及工業設計等專業推廣應用。

6 結語

隨著改革的全面深化,經濟發展對高等教育人才培養提出了更高的要求,為了全面提升我國經濟的國際市場競爭力,需要越來越多基礎扎實、知識面寬、能力強、素質高的復合型人才。以培養大學生的動手能

力、工程意識養成、創新能力、綜合運用所學知識解決實際問題能力為目標,深入進行機械工程實踐教學內容、體系、方法和運行管理機制的改革,以創新實驗、課程設計、大學生創新訓練為抓手,引導學生開展自主實驗研究,逐步建立柔性化、分層次、科學、系統的創新實踐教學體系,為大學生搭建起適應時代需求的實踐教學平臺,對于本科生創新意識與綜合能力的培養具有重要的指導意義。

References)

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[10] 閆茹, 鄭甲紅, 王寧俠. 機械基礎課程改革與創新型工程人才培養探究[J].中國電力教育,2014(8):132-133.

Research on cultivation system of innovative and practical talents for mechanical engineering majors

Shi Yongjun, Liu Feng, Cui Xuezheng, Wang Xinqing

(College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum,Qingdao 266580, China)

According to the problem that the project consciousness and innovation talents of modern college students are generally low, the innovative cultivation system is built from three aspects, including theory teaching, experiment and training and students’ mechanical innovation laboratory. The connection can be achieved between the basic mechanical theory course, a series of experiments, the curriculum design and innovation platform. The different guidance can be carried out according to learning requirement of the different students. Communication can be obtained between different professional teachers and students, high grade and low grade students in the innovative activities.

mechanical engineering majors; innovative ability; practical teaching; cultivation system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.005

實驗室創新

2016-05-26

中國石油大學(華東)教學改革重點項目“基于能力培養的機械類專業大學生實踐創新體系研究”(JY-A201408)

石永軍(1973—)，男，山東東營，博士，教授，博士生導師，中國石油大學(華東)機電工程學院副院長，從事機械工程、石油裝備等方面的教學與科研工作.

E-mail：syjgl@upc.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)11-0018-05