論工科學生綜合能力的培養—指導機械創新設計大賽的幾點體會與思考

田靜云

（陜西理工大學機械學院，陜西漢中723000）

論工科學生綜合能力的培養—指導機械創新設計大賽的幾點體會與思考

田靜云

（陜西理工大學機械學院，陜西漢中723000）

從機械創新設計大賽入手，結合指導學生參賽的過程中遇到的問題，指出了機械創新設計大賽對于工科大學生創新思維、團結協作能力和實踐能力培養的重要意義。機械創新設計大賽對促進高校的教育教學模式改革，有著積極的指導作用。

機械創新設計大賽；綜合能力；培養；教學改革

對于身處校園的大學生來說，參加各類科技競賽活動是培養綜合素質、提高綜合能力的最迅捷而有效的途徑。國內外各高校都非常重視大學生綜合能力的培養。

美國麻省理工學院（MIT）在教學計劃中明確規定大學生必須從低年級開始參加科研創新活動，努力培養學生的獨立工作能力、創新能力和組織能力。德國高等工程院校十分重視實踐教學環節，要求每個工科學生完成創新設計和創新實踐教學任務，通過一系列的系統教學來培養學生的工程實踐能力和創新設計能力。法國高等教育和研究部自1999年起每年舉辦國家技術創新型企業創業大賽，旨在通過創業大賽發掘優秀技術創新項目，并給予獲獎項目研究、技術及資金等方面的支持。

運20的總工程師唐長紅先生，預警機的總設計師陸軍在“開講啦”中均講到：創新設計是必須的，自主創造是必須的。為了實現從制造大國到制造強國的轉變，國家把提高大學生的創新實踐能力提高到了一個新高度。由教育部高等教育司主抓，各省教育廳具體開展，全國大學生機械創新設計大賽活動如火如荼的舉辦著，一屆比一屆盛開。機械創新設計大賽激發了學生的創新意識，培養了學生的創造精神，提高了學生的創新能力，使大學生綜合能力大大提升。正如中國科學院院士，著名機械工程專家、教育家楊叔子所指出的，機械很重要，沒有機械就無所謂工業；創新很重要，沒有創新就沒有發展；設計很重要，設計決定著產品的成本、功能和使用壽命，所以，機械設計創新大賽很重要[1]。

1 機械創新設計大賽過程中暴露出的問題

參與機械創新設計大賽過程就是一個產品設計成型的過程。設計一個產品，必須有嚴謹的思考，反復的試驗，表達明確的圖紙和文字等。但在指導的過程中發現，同學們對設計產品缺乏系統認識，存在諸多問題。

（1）追求空、大、全。學生在方案設計初期時，考慮“全面”，設想自己的方案能實現設計題目所涵蓋的所有功能，導致結構繁雜，加工難以實現。這種思想設計上的空、大、全，因為沒有并行考慮機構運動方案的可行性和考慮加工制造的難度與成本，所以設計最終只能停留在方案設想階段。進行方案設計時，分析參賽要求的各項功能，哪些是必須達到的（基本功能），哪些是輔助的，分清主次，提高設計效率[2]。

（2）設計過程混亂。一個產品的形成，是有其科學的設計過程的。市場調研-功能分析-方案選擇-運動、動力分析-結構設計-制作實物，這是機械設計的基本要序[3]。但是在機械創新設計大賽中，有很多學生是想象一個實體結構，然后三維建模、制作，常常是實物已經制作卻說不清楚工作原理。這其中就會隱藏很多不足，比如機構運動原理不可行、主要零部件結構不合理等，導致設計的失敗。

（3）缺乏設計規劃，不知控制成本。成本高低是衡量產品是否可行的一個重要因素，合理的設計規劃，對控制成本是有效的。有的學生在選定了比賽的主題后，不是先了解設計題目的目的和意義，連機構的運動方案還沒確定，就急著去選擇電動機、傳動機構等。筆者指導的一組學生，只有設計思路，還沒確定運動方案，沒有結構設計圖，就去購材、外出加工，花費較大且失敗。有的參賽組，因為沒有在設計過程中進行傳動機構類型、零件材料等的比較評價，直接購買安裝、試運行，多次改換、調整，花費巨額制作，成本太高，還浪費了時間。

（4）文字表述能力太差，繪圖能力不足。在指導過程中，發現學生的文字表達、邏輯敘述能力低下，詞不達意，設計意圖和作品功能沒有很好地表達出來。在設計過程中，學生本末倒置，先加工后繪圖。圖紙是加工的依據，沒有圖紙的制作就在不斷的修改再加工中度過，費時費力費財。若有幸制作成功，卻發現繪圖成了問題。還有視圖的選擇、零件圖的標注等等，不盡人意。作品的設計說明書和三視圖表達是非常重要的，表達清楚的設計說明書和二維三視圖，能夠使作品更加精彩。

2 機械創新設計大賽對學生綜合能力的培養與要求

工科大學生的綜合能力培養著重在創造性思維、創新能力、艱苦創業精神、團結協作意識等方面。而機械創新設計大賽是培養大學生自主創新能力、綜合設計能力與團隊協作精神，并且加強大學生動手動腦能力與工程訓練的重要舉措。

（1）培養學生的創新思維與實踐能力。機械創新設計大賽，激發和練就學生的創新意識和創新能力，提高學生整體素質。沒有創新意識、創新能力的學生，談不上是有素質的當代優秀大學生。通過參加創新設計大賽，學生的創新思維得到了鍛煉，其機械設計和工藝制作等實際工作能力得到了提升。機械創新設計大賽的主題充滿了人文內涵，通過參加大賽，促發了學生服務國家服務人民的社會責任感。

只有創新思想，沒有實踐能力，是不可能設計出一款優秀的作品的。筆者指導的一組學生，自己在車床上車削了套筒式固定聯軸器，聯軸器和軸的連接采用了型面連接，這是學生融合貫通了所學“連接”和“聯軸器”兩章內容的結果。學生用廢舊的車胎橡膠自己動手粘制了符合他們要求尺寸的平帶。在硬幣分揀機中，當硬幣下落時有撞擊噪聲，學生利用軟塑料墊板粘在箱壁和護板上，起到減震降噪的作用[4]。在自己動手，實際制作的過程中，學生通過使用各種加工工具和加工設備，其實踐能力也得以提升。

（2）提高大學生對所學知識的綜合運用能力。參與機械創新設計大賽的過程，就是學生對所學知識綜合運用的過程。選定比賽的設計題目后，就要著手了解大賽所給題目的設計含義和社會意義，了解即將設計的機械的國內外發展狀況；分析現有產品或類似產品的性能和不足，找準參賽設計的入手點。這就需要學生具有查詢文獻和閱讀提煉的能力。

筆者指導的另一組設計——助理機械之一臂之力。學生初始只設計了人工手搖，只考慮了室外應用條件。后來綜合分析，加上電控可以擴大使用范圍。在參賽前的兩周時間內，這個學生自己設計了和安裝了電控系統，實現了產品的機電一體化。

設計圖紙的繪制和設計說明書的表達是作品介紹的窗口。圖紙設計表達清楚，加工中出現錯誤的幾率就會大幅下降，避免了返工，節約成本，提高效率。通過參加機械創新設計大賽，學生的繪圖能力都有明顯的鍛煉和提高。設計說明書應言簡意賅地說清楚設計意圖、機構的工作原理和零部件的結構。一份撰寫優秀的設計說明書會給參賽時的答辯提供不少幫助，給作品加分。

一個機械產品的設計，需要綜合運用多項理論知識，機構運動原理設計、力學和運動學分析、強度設計、公差技術、自動控制技術、加工工藝和選材等等。通過參加機械創新設計大賽，鍛煉了學生對所學理論知識綜合運用的能力。而學生綜合運用所學知識的能力高低對以后走上工作崗位影響深遠，工作需要的是能夠解決實際問題的能力。

（3）培養學生系統考慮作品全局和團結協作精神。新產品的設計是一個系統工程。運動方案的簡潔、結構設計的簡化、加工制造和材料的成本、操作是否方便等，在設計初期就應該統籌考慮。作品的成本包括加工制造成本、材料成本，對于參賽作品還有一項就是反復的試驗、改進所帶來的成本。這就要求在方案設計時要盡量簡潔、結構盡可能簡單，降低加工過程成本；盡可能利用校辦工廠、實驗室里現有的機床自己加工，減少外出加工，降低成本。選材，我們的作品是參賽，在選材上不要和商業產品比較，可以利用一些廢舊物料，降低成本。比如：機架，可以采用廢舊角鋼等。

良好的團結協作能力是21世紀人類必須具備的最基本素質。只有把自己融入他人之中，才能相互取長補短，完善自我。通過合作研究，反饋和辯論，可以激發創新思維。筆者今年指導的一參賽組，組員一人。學生本人積極努力，認真能干，可就是不愿與他人合作。認為試圖參與的同學能力達不到他的要求，還不如他一人完成。作品的電控裝置是他個人自學、反復試驗摸索完成的。因為反復試驗、裝拆了多次，花費了大量的時間，報廢了很多電子器件，成本大幅提高，外觀上很粗糙。一個機械產品的完成，往往不是一個人單打獨斗能成功地，幾個人的合作會事半功倍。

3 機械創新設計大賽對現有教學教育模式改革的需求

（1）拓展課程內容，調整課程體系。現在多數的產品都是機電一體化，學生的專業知識面應該涉及多個學科。創造能力來源于寬厚的基礎知識和良好的素質，所以拓展課程內容，調整課程體系，給學生更多的選擇學習的機會，是教學改革的方向。增加選修課的比重，放開選修課程的專業限制，允許學生跨系、跨專業選修課程。比如機械類學生可以根據自己的興趣、以后的工作意向選擇相應的科目。這樣也可變被動學習為主動汲取所需知識，效果會更好。

定期舉辦創新設計或作品講座，從市場調研，方案選擇，結構設計，成本核算，營銷等，讓學生對做一個產品的全過程有一個了解。請老師或以往參加過比賽的優秀學生，介紹一些最基本的科研和創新方法，例如選題的確定，相關資料的查找、分析、整理，怎么撰寫研究報告、學術論文和專利申請書等等。

（2）改進考核模式。以大作業的形式，練習學生方案設計和選擇的能力，成績計入課程考核當中。把機械創新設計大賽和畢業設計、課程設計結合起來。機構運動方案選擇、尺度綜合階段正好同步機械原理課程設計；結構設計、繪制工程圖代替機械設計課程設計。這樣，學生有更多的時間、更集中精力參與創新設計，也能夠帶動更多的學生參與創新設計。

機械創新設計大賽是一個產品設計的全過程，與畢業設計相似。利用大賽的主題替代畢業設計，給大四的學生也提供了機會，既完成了學習任務，又鍛煉了學生的創新、實踐能力。

（3）開放型的創新實驗室。實踐必須有堅實的軟硬件基礎[5]。深圳大學的王華權老師，建立了DIY實驗制作實驗室，吸引了眾多的學生跨學科跨專業來參與，國外的學校和企業也組織學生和職工來體驗，取得了非常好的效果。為了更好地推動校內機械創新設計大賽，加強人才培養實踐活動的進行，我院教學實驗中心設置創新開放實驗——機構運動方案的設計實驗和機械傳動的設計實驗，給學生搭建機構、探索組合傳動提供了平臺。實驗室也針對機械創新設計大賽購置一些常用的材料，比如帶輪、機架板，角鋼等，為學生提供方便。

（4）建立培養創新人才的教學模式。改變傳統的教學模式，通過討論課、微課等，提高學生的學習積極性，變被動學習為主動學習。在教學上要營造一種有利于工程實踐能力、創新能力的培養和學生個性發展教育的氛圍。機械類的理論課乏味枯燥，填鴨式教學極少打動學生。教師可以把自己的科研、工程實例等內容，在上課時與學生討論，也可以鼓勵學生改進實驗設備等，帶動學生參與工程實際。帶領學生在工程實踐中發現問題，思考問題，繼而解決問題。解決工程問題必須要有扎實的理論基礎知識和較高的綜合素質，引導學生為此而努力奮斗。

（5）指導教師的培養。實踐是創新之根。在實踐中學習與思考，在實踐中創新[6]。中央10套的科學與探索節目中，很多的機械愛好者，制造出剝板栗機、刮魚鱗機、刀削面機等，這都是實踐出真知的例子。而我校的高校教師基本都是從學校畢業就進入高校從教，缺乏生產一線的實踐經歷。教師在工作初期兩年內，盡量多的時間去工廠的生產一線鍛煉。售后服務也是鍛煉的好地方，只有知道了產品在使用過程中存在的問題和不足，才會有創新和改造。

4 結束語

通過參加機械創新設計大賽，工科學生的創新思維和實踐能力得到了提升和鍛煉，團隊精神得到了培養。機械創新設計大賽促使高校進行教學改革，實現理論與實踐有機結合，促進學生綜合能力的培養。在就業擇業的過程中，用人單位更看重學生的綜合能力，因此參加過機械創新設計大賽的學生，受到了用人單位的青睞。

[1]楊叔子，吳昌林，彭文生.機械創新設計大賽很重要[J].高等工程教育研究，2007（2）：1-5.

[2]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]陜西理工大學.一種小型硬幣分揀機：中國，ZL201620972 504.4[P].2017-01-05.

[5]王樹才，宗望遠，丁幼春，等.大學生機械創新設計大賽與創新人才的培養[J].高等農業教育，2007（10）：63-65.

[6]楊叔子，吳昌林，張福潤.四論創新之根在實踐[J].高等工程教育研究，2006（2）：3-6.

Discuss Cultivating Comprehensive Abilities of Engineering Students—To Guide the Mechanical Innovation Design Competition Some Experience and Thinking

TIAN Jing-yun
（School of Mechanical Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong Shaanxi 723000，China）

Based themechanical innovation design competition，it combined with the problems encountered in the process of guiding students to participate in the competition，this paper points out that it is significantly important of themechanical innovation design competition for the cultivation of innovative thinking，unity and cooperation ability and practical ability.Mechanical innovation design competition has a positive guiding role in promoting the reform of education and teachingmode in colleges and universities.

mechanical innovation design competition；comprehensive abilities；cultivate；educational reform

G642

A

1672-545X（2017）04-0178-03

2017-01-04

陜西省重點學科機械設計及理論學科（陜教科（[1992]29））

田靜云（1975-），女，碩士，副教授，主要研究方向為新型機械傳動的設計與研究。