依托工程實踐與創新能力競賽的大學生工程素質教育

林繼銘 張勇 黃身桂 張鋒

摘? 要? 針對大學生工程實踐與創新能力大賽，將工程訓練綜合競賽和素質教育建設相結合，推動學生的工程素質培養。以大賽為導向，深入而全面地執行“做學融合”工程訓練的基本教學理念。在交互式教學中，實施問題分析與探索式教育教學模式，并將學科競賽與工程實踐環節相互融合，探索全周期實踐創新教學模式，能夠為學生綜合能力的提升創造條件，逐漸培養學生的創新精神與實踐能力。此項賽事的實踐顯著提升了學生的工程素質，是一種有效提高人才培育質量的積極探索。

關鍵詞? 工程實踐；創新能力；大學生；工程素質教育；勢能驅動車

中圖分類號：G642.42? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）12-0146-04

Abstract? Aiming at Undergraduate Engineering Practice and?Innovation Ability Competition， this article combines the comprehensive engineering training competition with the construction of quality education to promote the cultivation of students?engineering quality. Taking the competition as the guide， wethoroughly and comprehensively implement the basic teaching?concept of “integration of doing and learning” engineering training. In the interactive teaching， the problem analysis and exploratory education teaching mode is implemented， and the?subject competition and engineering practice links are inte-grated， and the full-cycle practical innovative teaching mode is explored， which can create conditions for the improvement of students comprehensive ability and gradually train stu-dents innovative spirit and practical ability. Through the practice of this competition， the engineering quality of students has been significantly improved， which is an active explora-tion to effectively improve the quality of talent cultivation.

Key words? engineering practice; innovation ability; under-graduate; engineering quality education for college students; potential driven vehicle

0? 引言

在全球化時代，國家工業實力的提升離不開高等工程教育的支持。圍繞創新驅動和制造強國戰略，主動應對新一輪科技革命和產業革命浪潮，深入推進工程教育改革，全面提升大學生工程創新綜合素質和能力水平。通過切實組織工程訓練競賽，將極大地提高學生的綜合能力[1-3]。但在現有教育模式下，國內高等工程教育依然存在諸多缺陷。特別是在工程科學化大環境下，我國大學工科專業的人才培養明顯存在一些問題，包括：重視課堂教育，不重視課外教育；對理論極其關注，但是不重視實踐；課堂教學和實際要完成的工程未能保持相互對接；沒有進行具體的實踐教學；學生沒有在這一方面進行訓練和實踐，不具有良好的社會適應性。

伴隨科技的進步，現代工程日益表現為“目標—分析—研發—設計—制造—運行—管理”等諸多部分相互連接的工程鏈，而其越向前技術含量相對越高，反之則經濟含量會有所增高，所以要求引入知道如何經營和管理、而且能夠保持較強的經營和創新能力的人才[4-5]。從大工程觀的角度來看，21世紀的卓越工程人才必須具備堅實的知識基礎、較強的實踐能力以及優秀的個人綜合素養。傳統的大學課堂教學在促進學生基礎知識積累這樣的任務上有良好的表現，然而要獲得很好的工程實施能力與杰出的個人素養，必然需要通過具體的工程實踐才能推進[6-7]。為了開發出自主核心的技術，需要培養大量具有工程性、創新性的機械專業人才。所以，在對機械人才的培養方面要以工程實踐人才為中心，促進實踐育人的這一目標的實現，這對大學各項事業的建設和發展也是極其重要的。

1? 大學生工程實踐與創新能力競賽簡介

大學生工程實踐與創新能力競賽（UEPIAC，Un-

dergraduate Engineering Practice and Innova-tion Ability Competition）是教育部高等教育司舉辦的全國性大學生科技技能創新競賽活動。大賽重視考查學生利用跨學科基本理論和知識，解決面向實際問題的設計、制造與創新能力，強調工程思維、工程創新與團隊合作等綜合素質。比賽堅持以基礎理論為根基，凸顯學生的創新能力，對社會實踐能力比較關注。本賽事設三個賽道11個賽項，其中工程基礎賽道的競賽題目為勢能驅動車，它將砝碼下落的重力能直接轉換為小車行駛的動能，如圖1所示。

自主設計并制作一臺具有自行調整行走方向功能的勢能驅動無碳小車，小車必須行駛在規定的賽道上，并且小車獲得的所有能量只能由重力勢能轉換而來。重力勢能通過自主設計制造的1 kg±10 g重物下降（300±2）mm高度獲得。勢能驅動車的命題充分體現了個性化發展，驅動車的能量轉化形式、結構、材料、工藝、方向控制、調試方法等，都可以讓參賽人員自己而定，為更好地促進大學生創新提供有力的支持。通過該賽事，學生參與研究、分析、設計、問題解決、制造、結果評價等一系列過程。此賽事需要三四位學生之間通過分工與協作來完成，學生個人的交流能力、組織協調能力、團隊精神乃至管理能力都會有明顯提高。

2? 依托UEPIAC的大學生工程素質教育體系及相關啟示

目前，本科階段學生的專業實習主要是企業生產實習、金工實習等，然而這種以參觀體驗形式為主的實習也只能是讓學生對零件結構和工藝有一個基本的了解，對學生實踐能力的提升作用有限。機械設計課程設計是大學生唯一要動手操作的產品設計，然而目前研究對象主要是圓柱齒輪減速器，其輸出成果往往就是關于該產品的設計圖紙和說明書，而沒有牽涉相關的設計過程，學生對機械部件、零件的設計、開發與生產，到最后實物驗證其設計方案是否可行并親自動手實踐的機會相對不多。

UEPIAC賽事因為其本身所固有的工程實踐特征，通過實踐教學和培訓的途徑，便于和課程教學對接，讓學生經歷一個從接受知識到實踐工程師轉變的過程，也是提升其能力的重要手段。以UEPIAC

賽事為基礎，經由實踐設計、制造、調試小車等這些和實踐有關的培訓，必然會加深學生對教材知識的認知，促進思維發散，可以更好地促進學生掌握這些機械專業知識。同時，這樣也能較好地解決好課程教學和實踐相互分離的狀況，進而更好地提升學生使用專業技術知識和對實際問題予以處理的能力。借助這項比賽，筆者獲得如下啟示。

2.1? UEPIAC競賽的命題內容范圍廣，與工程實踐教育的培養目標緊密結合

三天的競賽中，學生要圍繞“以重力勢能為驅動，設計出能夠控制方向的自行小車”的要求進行思考、設計。為鍛煉學生的綜合能力，提高時間利用率，學生需在現場設計與改裝小車、規劃路徑、安裝調試并最終完成比賽。命題有很強的綜合性，能夠全過程考查學生的工程素質，包括方案論證、結構設計、組裝調試、加工工藝分析、成本分析等。利用本賽事，能夠讓學生對教材知識有新的理解，同時會綜合考查學生的時間管理能力、設計能力、操作能力、成本控制能力，以及在“大工程”理念和思維下的綜合能力。在彰顯研究性、設計性、實踐性的要求下，還能在訓練競賽的全過程培養學生的創新思維、動手能力、團隊協作精神和綜合管理能力。從競賽的命題可知，其體現了綜合型工程訓練教學的內容與特點，綜合考查了多個學科知識，并突出強調工程技術、工程管理的應用能力。

2.2? 競賽可以開闊學生眼界，增強學生的動手能力，提高學生的綜合能力

比賽之前，學生需要閱讀大量設計資料，并從整體入手確定整車的設計目標，比如計算阻力矩，設計轉向輪結構，定位驅動輪。學生在設計過程中需要結合已學理論知識，加深對教材內容的認知。參賽期間，很多學生發揮創造力，獨辟蹊徑，根據自己的想法進行結構設計，并獲得場內外專家的一致認可。比如在無碳小車上，有的學生創新性地引入變滑輪、微分頭機構，對驅動輪進行主、從動設計，降低加工安裝誤差對小車運動軌跡的影響，提高調試效率。

在制作過程中，學生需要操作機床、3D打印機、激光切割機等機加工設備，一步步地將設計理論付諸實踐，滿足小車的設計指標。在設計小車時，學生需要對方案的可行性進行詳細研究，同時要確定生產工藝、裝配方法、材料選購等問題。比賽讓學生認識到設計和生產必然要保證“設計科學，制作優秀”，才可以達成預期目標。借助此次競賽，不僅開闊了學生的視野，而且讓學生認識到勞動成果不容易取得，體會了勞動的艱辛，強化了對工程素養的認知。

2.3? 競賽拓寬了學生的思維方式，培養了學生的創新意識和團隊意識

正式比賽之前，組建包括理論教師和實踐教師的教師隊伍，負責相關指導工作，所有人員在小車設計過程中始終保持相互交流、相互配合。開始比賽后，理論教師根據命題要求確定設計目標、計劃與內容，將不同的任務分配到各小組并確定完成時間；實踐教師對各小組參賽人員的操作進行監督與指導，學生可向指導教師表達自己的設計想法。每兩周，學生需要匯報工作進展并確定未來工作計劃。每名學生都需要提出小車設計方案，并通過小組討論的方式從多種設計理念中挑選出最后的設計方案。設計時，指導教師不能過多地干涉學生的想法，并鼓勵學生創新，探索新的工藝和方法，有意識地把自己的想法融入創新中，滲透到小車的設計中。在開展工程訓練教育之后，組織的工程實踐與創新能力競賽將直接考查學生的學習成果，為引導學生進行多學科、多專業的學習創造條件。

3? 依托UEPIAC的大學生工程素質培養實踐

借助開發勢能驅動小車，學生能夠將課堂上學習的專業知識應用到具體對象上，經歷包括在明確的設計目標導引下列出問題、分析問題、提出方案、優化方案、進行結果評價和歸納等流程的訓練過程。勢能驅動車的設計開發過程表現為一個多學科交叉項目任務，在實現這一任務期間除了需要學生靈活利用好所學理論知識外，還需要學生具有跨專業的知識提取與綜合利用能力。以下列出一些措施來提升大學生的工程素質水平。

3.1? 以競賽為導向，深入貫徹“做學融合”的工程實踐教學理念

通過工程訓練，將學生的實踐動手能力培養與專業理論知識學習互相融合，做到“做中學、學中做”，讓學生在重新認知教材知識基礎上鍛煉動手能力，有效地克服實踐與理論相互分離的傾向，激發創新意識?！白鰧W融合”較好地體現了研究型工程訓練的實踐性、先進性和綜合性。為真正地做到“做學結合”，設計工程實踐教育體系框架，完善實踐教學大綱、教學日歷、教案等教學文件，保證教學理念落到實處。

3.2? 實施基于實例研究式學習為中心的案例教學方法

實例研究式學習方法是以零件為實例，對零件進行深入剖析，從材質、加工工藝、裝配、調試等環節分別進行分析，編寫出工藝過程，然后自己動手操作加工。該方法不單單是對學生觀察和分析問題的能力進行培訓，也能活躍學生思維，拓展學生的視野。在工程實踐的每一個環節，都以富有工程內涵、能夠激發學生興趣的代表性實例為載體，設計“知識準備—基本訓練—拓展訓練—思考感悟”四環節有機結合的工程訓練運行模式，讓學生的綜合能力得到鍛煉。將學科競賽與工程實踐環節相互融合，推行包括“概念—設計—產品”的全周期開放學習過程，向學生提供自主學習、思考學習、互動學習的學習平臺，引導學生樹立正確的工程意識，培養創新理念，提高實踐動手能力。

4? 結束語

通過大學生工程實踐與創新能力競賽創造工程素質教育的優良環境，推動工程實踐的教學模式、教學方法進一步優化，培養學生的實踐能力、合作意識與創新意識。大學生工程實踐與創新能力競賽凸顯的綜合性特征，對工程實踐訓練教學改革起到積極的導向作用，推動培訓和比賽有機結合，有計劃地鍛煉學生的綜合能力?？偠灾?，學生工程能力與工程素養的培養不是僅僅通過專業課程教學就能實現的，科技賽事對鍛煉學生工程實踐能力具有不可替代的作用。借助滲透于工程訓練比賽期間的實踐教學，不但可以提升學生對專業技術知識的掌握與理解，而且可以提高他們對專業知識的興趣，實現以人才培育為根本任務的工程素質教育，有效提高人才培育質量。

參考文獻

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