基于慧魚組合模型的機械類專業創新型人才培養模式

覃祖和 伍詠暉 莫興洋

【摘 要】本文針對目前機械類專業創新型人才培養狀況，以德國公司的“慧魚創意組合模型”為載體，以培養機械類專業創新型人才為目標，提出在培養機械類專業創新型人才過程中的新模式，即慧魚組合模型在專業課程教育、實訓課程教育、綜合創新能力培養的應用，為培養創新型人才的創新能力提供了借鑒和啟示。

【關鍵詞】創新型人才 慧魚創意組合模型 創新能力 綜合創新

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）23-0138-03

目前，中國制造業規模已超越歐美發達國家，躍居世界第一位，成為中國經濟快速、健康發展的重要支撐產業。為了提高中國制造業在世界中的競爭力，需要不斷地進行技術創新，加快企業的轉型升級。現階段，中國高等職業教育人才培養的總體目標是培養具有扎實的理論知識、精湛的技術技能、較強的創新意識的應用型、實踐型、創新型高級復合型人才。這樣的人才屬于知識技能型，能夠運用專業理論知識解決生產一線中的問題，同時在實踐操作中注重技術技能創新。

一、目前機械類專業創新型人才培養現狀

在現階段，培養大學生的創新意識、創新能力與實踐能力已成為高校越來越緊迫的一項任務，尤其在國家實施“中國制造2025”制造強國戰略之后，培養機械類專業創新型人才對高校來說更是一個嚴峻的挑戰。一直以來，機械類專業人才培養模式是理論學習與實踐操作環節互相獨立，理論與實踐缺乏融合，這種人才培養模式無法實現“學中做、做中學”，導致學生無法將學到的理論知識與具體的工作實踐相聯系，缺乏實踐能力和創新能力。加之實踐教學環節中教學設備硬件有限，實踐教學內容大部分是演示式、模仿式和重復式，沒有引導學生自主分析、思考和研究，無法給學生一個自由發揮創造的空間，學生按部就班式完成實操任務，缺乏創造性和創新性，久而久之，學生的思維受到了嚴重束縛和禁錮，最終導致學生的創新思維、創新精神和創新能力不足。長期以來，中國高等職業教育人才培養缺乏企業的參與和引導，造成人才培養目標與企業需求脫節，嚴重影響和制約了機械類專業創新型人才培養質量，主要原因是缺乏有效的產學研合作機制。高等學校、科研機構、企業之間在人才培養方面仍然難以達成有效的運行機制，主要體現在高校熱、科研機構和企業冷的尷尬局面。

為了能夠培養出更具有創造性和創新型的機械類專業人才，有必要探索一種新型的人才培養模式。機械類專業學生學習的專業課程主要包括機械設計、機械制造、液壓與氣動、PLC控制等課程，這些課程需要相應的硬件設備來訓練學生的專業能力、實踐能力和創新能力。目前，很多學校由于擴招導致經費投入不足，實踐教學設備的數量無法滿足學生的學習需求，同時現有的實踐教學設備功能過于單一，基本上只能用于某門專業課程、某個實訓項目、某個學習階段的教學，不能滿足學生對不同專業課程、不同實訓項目、不同學習階段的需求，因此迫切需要一種成本低、功能齊全、適合機械類專業學生對不同專業課程、不同實訓項目、不同學習階段需求的實踐教學設備。

二、慧魚創意組合模型簡介

慧魚創意組合模型（fischertechnik）是一款用于工程技術智趣拼裝的組合模型，于1964年誕生在德國。它涵蓋了機械、氣動、電子、控制、傳感器技術、機器人技術、新能源技術等多學科技術，以機械、電子、氣動元件作為基本構件，加入控制器、傳感器、驅動器、控制軟件和控制程序，可用于實現工業生產設備、大型機械設備操作的模擬、技術原理的過程還原。慧魚創意組合模型作為科學原理展示、技術過程還原的理想載體，能夠為創新實踐教學、實驗實訓教學、科研創新、生產流水線提供可行性驗證。在國內，已有超過500所高校使用慧魚開展教學科研、科技創新活動，引導學生在實踐中學習工程技術知識，培養學生創新實踐能力和綜合素質，提升學生的科學素養，讓學生在驗證理論知識的同時，實現理論知識和實踐的統一。國際上也有一大批知名企業引進慧魚創意組合模型產品以論證生產流水線，如德國的西門子、寶馬，美國的IBM等。

三、慧魚模型在培養機械類專業創新型人才中的應用

慧魚創意組合模型集教具和仿真模型于一身，是創新教育和創新實踐的優良載體，為創意的有形化提供了橋梁，可以用于培養機械類專業學生不同課程、不同實訓項目、不同學習階段的實踐能力和創新能力。因專業改革發展的需要，2017年，廣西機電職業技術學院機械工程學院引進了慧魚創意組合包模型，包括機械技術組合包、機械演繹組合包、工業機器人組合包、機器人探索組合包、機器人技術組合包、氣動機械組合包等不同學科技術的模型，并建立了慧魚創新實驗室，可用于機械類專業學生不同課程、不同實訓項目、不同學習階段的實踐能力和創新能力的培養。

（一）專業課程教育

學院機械類專業開設的專業課程有機械原理、機械設計基礎、液壓與氣動技術、PLC可編程控制技術等，這些課程專業性強，機械結構抽象復雜、原理深奧，學習這些課程要求學生具有一定的空間想象能力和邏輯思維。一直以來，“機械原理”“機械設計基礎”“電氣控制”等課程的傳統教學方式是以教師為中心，課堂集中傳授理論知識，學生被動式接受知識，學生在學習過程中缺乏對機械結構、原理的觀察和思考。而引入慧魚創意組合模型授課可以改變傳統純理論式授課模式的枯燥乏味，教師講授理論知識后將慧魚模型組合包分發給各個學習小組，各小組根據任務書的要求，運用機械結構、機構運動原理、電氣控制原理進行設計和組裝實物模型，在設計和組裝實物模型過程中，學生可以加深對各種機械結構、機構運動原理、電氣控制原理的感性認識，鍛煉學生實踐能力的同時也提高他們的創新、創造能力，還可以激發學生的學習興趣。以“機械設計基礎”中鉸鏈四桿機構教學為例，說明專業課程教育如何與慧魚創意組合模型進行結合。鉸鏈四桿機構的傳動原理、運動規律是學生的學習難點，通過采用現場教學方式，教師講授完四桿機構的理論知識后，學生運用慧魚創意組合模型設計并組裝汽車雨刷器模型（圖1所示），學生在課堂上親自參與設計、組裝、調整、測試、觀察和討論，使學生更容易理解鉸鏈四桿機構的運動原理和運動特性特點。運用慧魚創意組合模型來輔助專業課程教學，極大地提高了教學效果，學生能夠把原理和方法與具體運用密切聯系起來，培養了學生運用理論知識解決工程實踐問題的能力。

（二）實訓課程教育

實訓課程主要是考查學生運用所學專業知識進行機電系統設計、加工、裝配的能力，由于慧魚創意組合模型具有集機械、電子、液壓、氣動、控制技術于一身的特點，可以將慧魚模型引入實訓課堂，用于訓練和培養學生的綜合系統設計能力和創新能力。教師設置綜合實訓項目，項目盡可能結合生產實際并涵蓋機、電、液、氣、控制于一體，如數控銑床、數控車床、數控鉆床、立體倉庫、傳送帶、搬運機器人等，以2～3名學生為一個團隊小組，團隊小組根據實訓項目任務書的要求進行作品創意構思與結構設計，并利用慧魚模型組合包設計和組裝作品實物、編寫作品控制程序、連接作品電路、調試作品控制程序并實現任務書要求實現的功能。實訓期間，要求學生編寫作品設計說明書、制作項目答辯PPT、錄制與剪輯影像，目的是培養學生的文字應用與編輯能力、影像和PPT制作與編輯能力。實訓結束后，安排學生現場答辯和路演，答辯和路演環節需向指導教師、全體學生演示作品，目的是培養學生現場隨機應變能力、溝通交流能力。以“慧魚創意組合模型”作為載體開展實訓項目，有助于培養學生的實踐能力、創新能力、綜合應用知識能力、團隊協作能力，極大地促進了學生綜合素質能力的提升。為了提高學生運用所學專業知識進行機電系統設計，運用慧魚創意組合模型開設機電創新綜合實訓，實訓時間為2個星期，學生根據實訓任務書設計一款三自由度工業機器人（圖2所示），其中三自由度工業機器人帶有識別物體表面顏色的傳感器，機器人能夠根據識別的結果把物體搬運到立體倉庫并按顏色歸類。通過這個實訓項目，幫助學生把各部分的機械設計知識、電氣控制知識互相聯系起來，在程序調試階段，學生將會更深入理解電氣控制原理，同時也培養了學生運用所學基本理論與方法去分析和解決工程實際問題的能力。

（三）綜合創新能力培養

綜合創新能力是機械類專業創新型人才培養的目標，這種能力的培養主要結合大學生第二課堂和學科競賽進行。慧魚創意組合模型涵蓋了機械設計、機械原理、電子控制、氣動控制、汽車技術、機器人技術、遙控技術等多學科技術，以機械演繹組合包、工業機器人組合包、機器人探索組合包、機器人技術組合包、氣動機械組合包作為載體用于培養學生的綜合創新能力。學生在第二課堂中可以結合現實生活、生產需要進行作品創新、創意設計，再利用慧魚創意組合包模型將創新創意變為現實作品，運用慧魚ROBO Pro編程軟件、PLC編程軟件編寫程序控制模型并驗證創新創意的可行性。例如，生活中許多學生喜歡玩一種彈球游戲，游戲過程中，小球從發射點出發后，參與者通過控制彈射手柄擊打小球，小球上升過程需要通過不同的分區，如果進入無效區，本輪游戲結束。根據彈球游戲的原理，學生可以運用慧魚創意組合模型設計一款彈球機（如圖3所示），該彈球機綜合了機、電、光、氣等技術，是一款技術復雜程度很高的產品原型機，可以用于驗證產品機的可行性方案和各項技術指標。這樣教學，有助于學生樹立創新思維觀念，激發創新欲望，了解創新方法。學生還可以根據自己的興趣和能力參加學科競賽，利用競賽平臺培養自己的綜合創新能力，目前，結合慧魚創意組合模型開展競賽的有全國大學生機械創新設計大賽、全國慧魚工程技術創新大賽。

圖3 ?彈球機

綜上所述，將慧魚創意組合模型引入機械類專業創新型人才培養體系中，有效地將理論學習和實踐操作深度融合，真正地實現了“學中做、做中學”的教學效果，克服了傳統人才培養中“學、做”互相獨立的不足之處。探索目前高等職業教育機械類專業創新型人才培養的新模式，為學生營造具有濃厚的創新創意學習氛圍，提高了學生自主學習的主動性和自由探索的積極性，更好地激發學生將創造性思維應用到實踐中。由于慧魚創意組合模型的綜合性和開放性，學生可以將所學專業知識進行應用性、創新性訓練與實踐，培養了學生的應用能力和創新實踐能力，提升了學生的綜合素質。

【參考文獻】

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[4]司文慧.應用慧魚模型實現創新性開放實驗的模式探索[J].科技信息，2014（13）.

注：2020年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2020KY32009）;2017年廣西職業教育專業發展研究基地“廣西職業教育數控技術專業及專業群發展研究基地”項目資助;廣西機電職業技術學院科研項目（2017YKYZ004）

【作者簡介】覃祖和（1986— ），廣西象州人，碩士研究生，廣西機電職業技術學院工程師，研究方向為機械結構設計與優化、智能制造應用技術。

（責編 黃桂嬋）