以學科競賽為平臺培養學生的工程素養和能力

梁國棟 霍海濤 焦志勇 劉媛

[摘 要]研究將全國大學生工程訓練綜合能力競賽與工程訓練教學相結合，把競賽項目當作實際產品開發的工程項目，作為學生工程訓練的工程背景。通過撰寫產品開發任務書、研究制訂設計方案、制訂項目實施進度計劃、明確質量標準、采取合理的產品質量控制措施、運用軟件模擬仿真、編制零件加工工藝過程卡片、動手操作加工、裝配調試驗證以及團隊建設和競賽選拔等，實現相對完整的工程過程。按照“新工科”人才培養模式，從多方位、多角度實現對學生工程素養和工程能力的培養。

[關鍵詞]工程訓練；工程能力；工程素養；工程意識

[中圖分類號] G645 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0148-04

全國大學生工程訓練綜合能力競賽，在全國各類大學生科技創新競賽中越來越受到關注和重視。以“競賽為人才培養服務，競賽為教育質量助力，競賽為創業就業引路”[1]的競賽宗旨為指引，通過賽事的“小制作、大思維”特色題目，可為培養學生的工程素養和工程能力搭建平臺。將工程訓練教學與競賽訓練相結合，引入實際產品開發的工程項目為工程背景，以達到深化工程實踐教學改革，提升大學生的工程實踐能力、動手能力、質量意識、創新思維和團隊合作意識，提高高等工程教育質量的目的。

工程能力指的是人們運用知識解決工程實際問題的綜合工作能力。工程素養是指從事工程實踐的工程技術人員面向工程實踐時所具有的潛能和適應性。工程素養和工程能力往往是緊密結合在一起的。工程素養與工程能力的形成，不是知識的簡單綜合，而是一個將知識要素與素質要素相融合的復雜漸進過程。在融入產品開發工程思想，以競賽為平臺的工程訓練環節中，實現“學中做、做中學”[2]，從多方位、多角度實現對學生工程素養和工程能力的培養。

一、通過團隊建設培養團隊合作的工程素養

所謂團隊合作，指的是一群有信念、有能力的人在特定的團隊中，為了一個共同的目標互相支持、合作奮斗的過程[3]。這里的團隊合作還包括教師與學生之間的合作，在競賽訓練過程中，營造互助、團結、融洽的師生合作氛圍，可以激發學生的潛力，教師的贊賞可以有效激勵學生加倍努力。

工程能力競賽具有綜合性，跨學科跨專業，所涉及的內容較多，涵蓋知識面廣。通過在子項目團隊中進行選拔，組成數個競賽團隊，進一步加強學生綜合能力的訓練。團隊成員需要根據各自的特點，協調分工、通力合作，才能完成整個競賽項目，這就對團隊合作提出了較高的要求。

天津科技大學報名參加第五屆工程能力競賽訓練的學生有100 多名，每三人一組，自愿組合建立項目小組。工訓中心組織多名具有豐富實踐經驗、精力充沛和樂于奉獻的教師來建立指導教師團隊。該團隊的基本思路是把競賽項目中的“8”字形小車、S型小車和電控小車拆分成若干個功能區塊的單元子項目，然后把子項目下達給學生，為學生營造出一種真實的工程氛圍，同時由指導教師開展研究式教學。學生們組成一個個小型的“新產品”研發團隊，團隊內部每個成員都要參與“新產品”的構思、設計和加工。同時，每個學生還各自擔任設計、工藝、生產和檢驗等不同的角色，在整個研制、生產、調試過程中，他們在指導教師的監督指導下各行其責，既有分工又有合作。

這樣以項目為背景的工程訓練，給團隊成員間的學習交流提供了平臺，可以激發他們互相學習的積極性，還能夠培養他們團隊合作的精神與能力，使他們發現自身的優點和不足，從而更主動有目的地學習。

二、撰寫產品設計任務書，明確工程目標與項目方向

產品設計任務書又稱產品設計說明書，是預先對某一產品設計項目提出具體任務、指標、原則、要求的任務性文件[4]。它是設計人員根據技術發展水平和需求，對待生產、待開發的產品或新產品提出的實用技術文書，內容涵蓋具體設計任務、產品原理、結構、性能、技術指標、用途范圍和使用要求、質量檢驗標準等。

在這個環節，指導教師依據命題和賽規要求，把“8”字形小車、S型小車拆分為動力、傳動、轉向、輪行和微調等模塊。電控小車除了把機械結構分成若干模塊外，還把電控機構分成程序項目、主電路、電源管理、傳感模塊、電動執行等主要模塊。

指導教師幫助學生建立每一個模塊就是一個項目和一個產品的概念，明確和認識每個模塊要實現的功能和將要達到的技術指標以及詳細的質量要求。學生通過查閱機械和電路相關標準，設定關鍵部位質量控制指標（例如旋轉零件的平衡矯正、電路的最高功耗等），撰寫產品設計任務書。

各個小組選擇感興趣的模塊，同樣的模塊可能有幾個小組選擇，有的模塊可能沒有小組選。對于沒有人選的模塊，指導教師負責適當地引導，學生依照產品設計任務書的模式，寫出該模塊項目的產品設計任務書。

這是一個富有工程內涵并能夠激發起學生興趣的教學過程，對分析問題、解決問題既起到引領作用，又有助于明確新知識、新技術的學習方向，為引導學生從事創新開發項目奠定能力基礎。

三、研究制訂設計方案，拓展學生的創新型工程能力

在鼓勵學生探索、討論、形成研究方案的過程中，指導教師要適當介入，就以前的優秀“無碳小車”進行分析，對國賽方案進行解讀，幫助所有的子項目組明辨所承擔部分的設計方向，少走彎路，鼓勵開展創新與改進方案。

通過運用所掌握的機械類專業和電類專業的相關理論知識，學生對本小組的項目任務進行具有創新性的概念構思、功能定位、結構設計、電控設計等。

每一代作品雖然在原理上大同小異，但是其結構和設計思路都有著許多的不同，外觀看似大致相同，但是運行起來的效果卻是不同的。通過分析前幾代作品，厘清前幾代作品的設計思路，從材質、加工工藝及路線、熱處理、表面處理、傳感器設置、信號采樣、芯片選擇、裝配調試等方面梳理出成功的經驗與存在的不足。設計新一代作品時，在進行受力分析、結構布局分析和運動分析以及電路布局過程中，開拓創新思維，開展迭代創新，嘗試提出改進方案。對一些從多角度提出的方案，鼓勵學生通過實踐去驗證最佳方案。比如在設計輪行機構時，學生設計出以下四種方案：一種是雙輪同步驅動，一種是差速器雙輪差速驅動，一種是單向軸承雙輪差速驅動，還有一種是單輪驅動。

由于這四個方案都有各自的優勢與不足，指導教師引導學生將其分別作為模塊項目，由四個小組進行設計、制造，然后進行裝車驗證。通過實踐試驗，差速器雙輪差速驅動和單輪驅動較另兩種方案優勢明顯，綜合分析討論后學生選擇了單輪驅動方案參加競賽。

每個項目模塊雖然小，但這個面向全體培養的過程，可讓參加訓練的學生都有機會得到工程能力和工程素養的培養。最終指導教師會在完成模塊項目的優秀團隊中通過考核和答辯選拔組建數個競賽團隊，并以整車為項目，按照工程規范進行培養訓練，參加校內運行比賽，從而使這些學生的工程能力得到進一步提升。

四、制訂項目實施計劃，培養學生的工程管理素養

制訂項目實施進度計劃，屬于工程管理的范疇，學生按照指導教師確定的各項目模塊完工時間，各小組細化分解任務，制定分解任務完成時間表，也稱為“項目進度計劃”。它包括模塊項目中每項具體工作的計劃開始日期和預計完成日期。

在工程領域，進度控制是工程項目實施階段的重要內容，項目進度計劃是項目施工組織設計的中心內容，它要保證項目工程按合同規定的期限交付使用。

按進度計劃有效控制項目的工期節點，是實現項目管理目標的主要途徑。在整個項目實施過程中，任何一個團隊和團隊中的任何一名成員，都要按計劃的時間節點完成各自的任務，否則整個項目無法按期完成。學生的班級不同，課余時間也不同，為了能夠在有限的時間內平衡項目的多種矛盾要求，實現共同目標，需要學生對時間進行規劃。能否按照時間節點保質保量完成任務，將作為競賽團隊選拔考核的條件之一。

在項目推進過程中，項目例會是一種非常重要的管理工具，也是一種非常高效的溝通形式。學生可以了解整個訓練團隊的工作情況，可以反映問題尋求支持，可以溝通進展狀態、協調進度、分析質量問題等等，促進各項目組提高執行效率，追蹤各項目組的工作進度，推動項目按計劃進度順利進行。在這個過程中，對于如何控制好例會的議題或議程，學生可以找指導教師進行指導和示范，避免有可能造成溝通效果不理想及人員與時間浪費等問題。

通過指導學生制定項目實施進度計劃和建立項目例會制度，要求學生必須圍繞項目進度計劃要求，對各項工作進行時間和邏輯上的合理安排，建立和強化工程工期和節點意識，學會分析質量問題和采取有效的質量控制措施，培養其統籌安排時間和掌控進度等的基本工程素養。

五、運用軟件模擬仿真，培養學生運用現代設計工具的工程能力

具有仿真與虛擬現實技術的三維仿真軟件在現代工程運用中越來越廣泛，利用這個技術可以清楚三維物體中各點受力的大小，也可以任意變換角度去觀察，這樣就使設計者的思維更加直觀形象化，概念也更易于理解。三維仿真軟件的應用，不僅可以減少工程設計過程中的重復工作，還可以提高工程設計、生產等過程的可視化程度，極大縮短項目開發周期。

學生按照項目實施方案，運用三維軟件進行仿真分析技術設計。先對承擔的項目模塊進行理論分析，建立數學模型，進而得出具體參數，并構思和設計草圖，接著按照草圖在軟件中完成零件的實體建模，最后各組對所承擔項目的零件進行裝配。

經過選拔后的競賽團隊，還會進一步用三維軟件將零件組裝成機構，整合成無碳小車模型，并通過分析小車的運動規律建立運動學模型，確定小車整體結構和各零部件及機構之間的運動學關系，進行系統運動仿真。

通過仿真運動的試驗，很容易找出設計缺陷，還可以很方便地修改設計參數。例如，觀察轉向傳動裝置中曲柄滑塊連桿機構的滑塊，在方向控制盤曲線凹槽中滑動，控制小車導向輪進行周期性擺動，走出S型理論軌跡的模擬仿真，就可以通過不斷修改方向控制盤凹槽的曲線參數，減小小車走出的軌跡與設計軌跡的差異，使其趨近最佳軌跡。

完成模擬仿真以后進入出圖環節。在教師的引導下，各項目組的學生按照圖紙規范，對零件圖進行尺寸和公差、技術要求等標注，將三維圖、裝配圖、爆炸圖、零件圖打印匯總，裝訂成卷圖，用于后續的生產制造和裝配調試。本環節旨在培養學生運用現代設計工具的工程能力和按照規范進行標準化設計以及整理工程資料的工程素養。

六、加強生產過程的標準和質量意識，培養學生解決工程問題的能力

在這個生產制造環節，要求各項目組運用掌握的機械加工知識，對要加工的零件圖紙進行工藝分析，編制零件加工工藝過程卡片。工藝卡片中，學生要按照工藝卡片標準編寫工藝過程，詳細具體地寫出從下料開始到加工結束去毛刺的各個工藝環節，明確每道工序需使用的設備、刀具和工具，寫清每道工序要加工到的尺寸及公差帶，以及合理編排工序之間的質量控制過程，標出必須要設置質量檢驗的關鍵工藝環節。

學生設計的圖紙往往沒有工藝性，也就是常說的畫得出來做不出來的情況。指導教師針對設計和圖紙問題進行講解，比如典型結構的工藝設計、公差配合的選取和形位公差標注的依據等，引導學生思考感悟其中的工程內涵，體會零件加工的系統過程和具體方法[8]。學生為了減小在加工過程發生明顯錯誤的可能性，可以請教指導教師對圖紙和工藝卡片進行審核和指導。這樣既可以培養學生編寫工藝過程卡片的工程能力，解決設計加工中存在的問題，又可以培養學生的自主學習能力。

在學生自己動手操作加工過程中，指導教師還需要在完善和調整零件加工工藝、加工技術、安全監督等方面加強指導，不僅要讓學生“學得會 ”，還要讓學生懂得學習和思考的方法。

裝配是小車制造的重要環節。學生根據設計文件的裝配圖進行組裝，多數情況下是不能一次裝配成功的，甚至有的零件要修改尺寸重新加工。學生通過多次拆裝切實體會到“公差配合”“形位公差”的真正含義，以及零部件的精密型對產品的重要意義。裝配結果的好壞直接關系到小車的整體運行性能。

小車在調試運行初期，往往是走不出理想的設計軌跡的，學生很容易喪失信心，教師要及時對學生予以鼓勵，以維持學生持續的研究熱情。也需要指導教師結合設計任務書中的目標參數，引導學生潛下心來耐心調整。比如，電車就需要調整傳感器位置和布局，修改程序等等，機械小車需要調整轉向機構，微調零點幾毫米小車運行軌跡就會有很大變化。經過反復調試，最終達到理想的設計目標。

綜合能力競賽項目的創新過程是一項高度復雜的學習過程，往往需要通過對多種不同的方案進行比較和實驗，才能達到最優效果。通過引導學生在實踐中發現問題，在理論學習中找到解決問題的方法，再回到實踐中去解決問題的工程訓練過程[9]，培養學生的創新性工程能力。通過按照標準化生產制造過程進行規范的加工生產，培養學生嚴謹認真、精益求精、追求卓越的“工匠精神”。

七、通過競賽和競爭性選拔，培養學生的競爭意識

競爭意識是工程意識中的一個非常重要的部分，它有助于學生奮發圖強，不甘平庸，追求卓越。

組織各種級別的競賽，在競爭意識的培養等方面的確發揮著獨特的作用。培養競爭意識而不是好勝心，可以激發學生的積極性和主動性。無論成績如何，所有參與者都收獲很大，不僅在工程能力方面受益良多，而且培養了不怕失敗、屢敗屢戰的心理素質，進一步提高了工程素養。綜合能力競賽是提高學生工程創新能力[10]和工程素養的有效途徑。

八、結束語

工程意識是工程師最重要、最基本的素質之一[11]。高校的工程訓練是幫助學生樹立現代工程意識的重要教學環節[12]。充分利用具有鮮明工程背景的工程訓練競賽作為工程訓練實踐平臺，結合工程訓練實踐教學，把傳統的工程訓練教學向更高的層次推進，推動工程訓練的教學理念、教學方法和教學模式的進一步改革，培養學生包括創新精神、規劃能力、應用能力、實踐能力、管理能力、合作能力在內的一系列工程能力和工程素養，遵循 “新工科”人才培養模式，培養具備解決復雜工程問題能力的卓越工程技術人才。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 徐漫琳.關于獨立學院參加工程訓練綜合能力競賽的研究[J].科教文匯，2013（22）：63-64.

[2] 朱俊華.以大賽為導向，提升大學生工程訓練綜合能力[J].價值工程，2014（21）：283-284.

[3] 王湘江，楊毅.基于工程訓練能力競賽提升學生科技創新能力的研究[J].中國教育技術裝備，2014（4）：64-65.

[4] 趙東元，查長松，雍明遠.科技寫作[M].北京：國防工業出版社，2008.

[5] 徐巖，佟岳軍，陳彥國.自動繞障無碳小車的設計[J].現代企業教育，2012（21）：281.

[6] 艾孝杰，汪朝暉，蘇磊，等.重力勢能驅動方向控制無碳小車的設計[J].機械設計與制造，2016（4）：157-160.

[7] 劉旋坤，李衛國，王利利.S型路線無碳小車設計[J].機電信息，2016（15）：133-134.

[8] 韓同樣，邢書明，張若達，等.研究型工程訓練模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2011（3）：253-255.

[9] 張亞利，鄧海祥，于兆勤.依托工程綜合能力競賽培養學生創新能力[J].實驗科學與技術，2014（4）：163-165.

[10] 田杰，鮑宏，周小帥.工程訓練綜合能力競賽中創新人才培養機制探討[J].實驗技術與管理，2016（12）：17-20.

[11] 高雅.工科大學生的倫理素質及培養研究[D].長沙：中南大學，2010.

[12] 梁峰，趙樹國，王亞杰，等.在工程訓練中培養大學生的工程意識[J].沈陽航空航天大學學報，2013（S1）：84-87.

[責任編輯：龐丹丹]