基于太陽能風車的工程實踐教學研究

羅龍君 孫祥仲 汪琦

[摘 要] 項目式教學方法在工程實踐教學中得到了廣泛的應用，項目介紹了基于太陽能風車項目的工程實踐教學方法。通過利用“眾創社區”平臺，在工程實踐課中分組展開太陽能風車的圖紙和工藝設計，讓學生能夠認識并自主動手操作不同種類設備，通過團隊合作完成產品的制作和調試、現場比拼參與產品的全生命周期制作，從而可提升學生的工程素養，培養其創新能力。太陽能風車項目的運行為學生實訓營造了良好的氛圍，是培養學生團結協作、交流溝通與動手實踐能力的有效探索。

[關鍵詞] 太陽能風車;工程實踐;教學研究

[基金項目] 2020年度中國高校創新創業教育研究中心基金項目“立德樹人，交叉融合，構建智能制造工程實踐創新教育體系”（2020CCJG01Z004）

[作者簡介] 羅龍君（1988—），男，湖北荊門人，碩士，華中科技大學工程實踐創新中心工程師，主要從事工程創新教育研究;孫祥仲（1982—），男，湖北武漢人，碩士，華中科技大學工程實踐創新中心工程師（通信作者），主要從事數控裝備技術研究。

[中圖分類號] TS664.01;G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）18-0137-04 [收稿日期] 2021-03-22

工程實踐教學的目標在于以塑造核心價值觀為統領，著力培養大學生的工程觀、質量觀、系統觀，引導大學生樹立工程意識、掌握工藝知識、提升工程能力、厚植工匠精神。隨著新經濟、新產業、新業態的不斷涌現和對新型人才的需求，傳統單個割裂開的工種實踐訓練方法不利于為未來產業培養具有工程觀、系統觀、質量觀的項目人才。美國歐林工程學院的項目化教學方式開辟了一條易于項目式人才培養的新途徑[1]，項目化教學逐漸成為在知識、實踐、能力之間搭接轉換的新橋梁。目前全國高校工程訓練中普遍存在著教學模式陳舊，教學內容沒有鮮明的時代特征，各個工種教學之間沒有先后層級關系，每個訓練單元均獨立完成一個作品，既沒有階梯形的遞進，又沒有內容上的關聯，而實際工業生產過程中，一個零件一個產品均是多工種多車間甚至多企業聯合的結果，當前的教學模式和教學內容會局限學生的思維，不利于創新思想的培養。中國工程院院士、教育部原部長周濟指出：“工程教育必須面向工程實際，回歸工程，崇尚實踐。”中國科學院院士、清華大學原校長顧秉林也強調：“工程教育的人才培養必須面向工程實際，加強工程訓練。”2018年6月，教育部召開新時代全國高等學校本科教育工作會議，教育部部長陳寶生指出：“世界發達國家高等教育創新的腳步也從未停止，都在奮力奔跑、極速前進，如果我們仍然四平八穩、按部就班、循規蹈矩，不僅無法實現超越，還有可能進一步拉大差距。”陳寶生部長要求，不能再用過時的知識培養明天的畢業生。本文以當前流行的綠色能源為主題，設計了項目化的太陽能風車工程實踐課程，結合“眾創社區”開放式平臺，在產品方案、結構、工藝、成本、制作等多方面預留了盡可能多的創新空間，通過知識、能力、實踐、創新（KAPI）一體化的訓練，提升學生知識向能力的轉化。

一、課程的教學目標

本課程通過遴選新工科核心知識點，利用工程實踐創新中心智能制造平臺建設機會，積極對課程知識體系調整，對學生工程能力要求強化提升，選取緊扣時代主題的太陽能風車項目，通過課程的學習，使學生能夠綜合運用機械設計和加工基本知識、基本技能及增材制造等相關工種，合理選擇設備進行零件制造，能夠在項目團隊中，承擔相應的責任，發揮對應的作用，形成團隊的合力。主要達成的課程目標具體如下。

1.能夠以團隊協同的模式利用“眾創社區”競賽平臺，模擬真實工程項目運行方法，完成項目的方案選定、圖紙設計、工藝制作、成本分析、加工制造、裝配調試、質量檢測、產品推廣等全流程，培養學生的系統觀、工程觀、質量觀，以及環保、團隊協作理念。

2.掌握CAD/CAM、數字化工藝基本知識及應用特點。能夠利用CAD軟件完成作品的詳細設計，結合我中心設備性能及零件設計要求，使用數字化工藝軟件開目3DAST、3DMPS合理制定工藝流程和參數、裝配工藝卡片，通過CAM軟件編制零件加工程序，完成最后的作品。

3.通過在項目工藝路線設計和加工過程中的學習，理解質量與成本、管理與效益之間的相互關系。初步具備對零件加工工藝、經濟型進行分析和合理選擇加工方法的能力[2]，達到工程師的初級水平。

4.通過基于項目式的太陽能風車教學，轉變學習角色，從“叫我學”轉變為“我要學”，提升團隊協作實踐交流，重視學生工程合作，形成跨學科融合創新能力，培養自主學習精神，促進多學科知識交叉融合的復合型新工科人才的形成。

二、課程教學設計

基于項目的實踐教學內容應該一般與實際應用接軌[3]，項目研制過程要兼顧考慮設計、制造、環境、污染、成本、人文等諸多方面的問題，學生可以根據自身需要和興趣選取訓練項目。實訓內容要將知識、能力、實踐、創新訓練有機貫穿一體[4]，既注重覆蓋傳統的機械核心知識點，又包括先進制造內容，學生在教師的指引下自主學習，獲取課程核心知識點，鍛煉學生的工程實踐能力。

（一）教學設計

1.項目背景。項目要貼近時代特征，2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重承諾：“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”[5]碳中和目標的實現將倒逼我國能源轉型的加速，綠色能源如風能、太陽能等將進一步開發利用。項目選取學生生活所見的風力發電和太陽能發電為項目背景，如圖1所示，使學生有興趣參與，積極思考綠色能源在日常生活中的應用，例如通過風能可以驅動扇葉轉動發電，可以舉一反三太陽照射太陽能板發電帶動電機轉動，從而帶動風扇轉動。項目選取的背景可以在很大程度上加強學生的學習動力和自信心[6]，學生也能依靠現有條件完成設計和制作。

2.項目難度。進行項目訓練的大部分為大一大二非機械類學生，大部分學生缺少實際工程相關經驗與繪圖基礎，盡管在前置課程“工程訓練”中進行了不同工種的訓練學習，但是時間跨度過長，先前機床操作步驟的學習容易被遺忘，且各院系培養方案不一樣，部分工種部分學生甚至沒有進行訓練，在項目運行中，部分學生需要重新培訓上崗。項目難度設置過高，會降低學生學習的積極性，起不到引導的效果，達不到最后的教學目的[7]。在太陽能風車項目中，主要包括底座、支撐柱、電機箱、扇葉及電路開關系統部分，學生通過分組設計加工，最后完成裝配調試，為了降低機加工難度，部分零件設定了接口，同時為了避免學生都選擇3D打印制作，在項目中對零件的材料也進行了設置，只允許一類零件是工程塑料。

3.綜合能力體現。以往工程訓練內容是制作榔頭，尺寸形狀唯一，學生只需要按部就班地跟著步驟完成即可，沒有自我發揮空間[8]。基于太陽能風車的項目需要學生每個人參與其中，不僅要完成分配好的工作，還要充分發揮自主學習能力，通過查閱資料和討論，完成產品的設計和加工。每一臺完成的產品都體現不同小組的設計能力和工程能力。同時學生通過比拼轉速等，能進一步思考如何增加機構來提升風扇轉速，為太陽能風車項目提檔升級打下基礎。

（二）教學實施過程

教學內容改革主要是通過引進工程實際案例產品，基于“真刀實槍”“真材實料”[9]，將設計、工藝、制造、檢測相結合，以完成太陽能風車為訓練項目的課程教學目標，采用CDIO（構思、設計、實現、運行）模式[9]，將實訓內容與專業課程知識相結合，讓實踐流程與實際產品開發相貼近。具體的教學實施過程主要分為三個階段：方案設計階段、生產制造階段、裝配調試階段。同時為促進學生知識、能力與素養的全面發展，使過程考核數據可視化，引入了“眾創社區”線上平臺課程社區作為項目平臺對整個項目實施過程進行引導和跟蹤。

1.方案設計階段。由教師在課堂上介紹本項目的背景與項目要達成的目標，課堂中推舉產生項目經理，由項目經理選取團隊成員。在項目啟動之初，利用“眾創社區”給予項目經理啟動資金，用于購買毛坯材料、組外協作等。教師對太陽能風車的基本原理和結構類型進行簡要介紹，并給出參考圖片，對其中部件的設計難點和加工難點進行重點介紹，并在社區上發布階段設計任務節點，毛坯清單如表1所示。

2.生產制造階段。在生產制造階段，各小組工作任務由項目經理進行分工，自行在社區進行設備預約，學生明確各自的工作任務，并拿著領用的毛坯和設計圖紙在對應設備上進行實踐訓練，如學習安全知識、機床對刀、數控程序編制等，最后加工制造。完成之后，教師扮演質檢員，學生既扮演設計員，又扮演加工者，由質檢員按圖進行測量檢測，并告知加工者零件是否合格，同時由設計員編制產品的質量分析報告，如工件不合格，按照實際的生產質量處理流程，質檢員開出不合格品審理單，設計員決定讓步使用、返修或報廢，并需在審理單上給出充分的理由。各小組利用社區上傳作品實物、質量分析報告、不合格品審理單，社區根據各項目小組完成節點的時間、完成質量等給予不同評價分數。同時此階段允許協作，例如在加工風扇底座時，有部分組對編程掌握能力不強，可將啟動資金中的虛擬貨幣協調一部分給另一組，由另一組幫助其完成。

3.方案設計階段。各小組根據裝配圖紙，在項目經理帶領下完成太陽能風車的裝配調試，同時在裝配和調試中學生會發現自己設計、加工、調試中的各種問題，各小組根據情況進行分析解決，提升學生的臨場處置能力和抗壓能力。經調試無誤后，統一安排在室外場所進行現場比拼，以各組設計的太陽能風車轉速快慢和風車運行穩定程度為主要評估指標。同時為了進一步提升比賽的趣味性，在社區平臺上發布一些課外任務，如宣傳稿撰寫、比賽場地協助布置等，讓學生不僅可以獲得額外評分，還可以進一步融入課堂建設，圖3為學生的作品靜態展示。

三、課程教學效果

基于太陽能風車的工程實踐教學項目已在我校生命信息與工程專業、船舶與海洋工程專業開設多人次課程，對比傳統的教學方式，學生反映效果良好，教師課堂講授時間大幅度減少，學生思考與動手實踐時間迅猛上升，講授實踐與實際動手時間比例由以前的5∶5下降到了2∶8，學生親自動手，親身實踐，從最開始的概念設計到最后的實物運行，參與作品的全生命周期制造，學生的積極性和參與感大大增加，項目制實施以來，考核完成率達到了100%，其中優秀作品達到了25%。該課程項目的建設可以培養學生對理論知識的理解能力、實際動手能力，為打造具有篤實專注、開拓創新、精益求精精神的工程人才起到一定作用。

在項目運行方面，基于該課程平臺，學生在明確的項目任務驅動下，對工程項目運行的興趣更加濃厚，不同的項目小組之間進行展示交流，各組學生演示自己的項目，還可以在眾創社區中發表項目報道，零件或者工序協作申請換取積分，各項目組分別派出評委參與項目的評價打分，項目過程中教師不處于項目運行主導地位，只是項目運行中的節點制作者和監督者，提升學生的自主意識。

結語

通過基于太陽能風車項目的工程實踐訓練，依托學科交叉、協作學習、自主探究，讓學生全過程體驗與工程相關的一系列知識，引導學生突破對于簡單、局部復雜性的認知，力求實現認識上的螺旋上升，重新認識、思考工程的實踐本質、綜合特征和系統整體性，從而培養學生的工程觀、質量觀、系統觀，提升工程素質和創新能力，為探索工程素質與能力培養新模式，建立“中國經驗”“中國模式”的工程實踐教育創新體系提供有力支撐。項目式教學目前取得了一定進展，但是隨著產業和技術的不斷發展，行業對人才培養的要求不斷變化，實踐設施和實踐方法也將會不斷升級換代，項目式教學在深入推進實踐教學中，要著力推進課程內容和方法的更新，滿足以學生中心、產出導向、持續改進的要求，培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的新人才。

參考文獻

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[5]習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話（全文）[EB/OL].（2020-09-22）[2021-02-28].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1678548442884440520&wfr=spider&for=pc.

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Research on the Teaching of Engineering Practice Based on Solar Windmills

LUO Long-jun， SUN Xiang-zhong， WANG Qi

（Center for Practice Innovations， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan，

Hubei 430074， China）

Abstract： Project teaching method has been widely used in engineering practice teaching. We introduce an engineering practice teaching method based on solar windmill projects. Students use the “crowd creation community” platform to expand the drawings and process design of solar windmills in groups in engineering practice classes， and understand and operate different kinds of equipment， complete product production and debugging， and on-site competition through teamwork， participate in the production of product life cycle， so as to achieve the goal of improving engineering competence and cultivating innovative abilities. The operation of solar windmill project may create a good atmosphere for students’ practical training， which is an effective exploration to cultivate students’ unity， cooperation， communication and practice.

Key words： solar windmills; engineering practice; teaching research