機械設計制造及其自動化專業創新設計課程教學實踐研究

張善文， 孫永元， 葛正輝， 張燕軍， 戴 敏

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

機械設計制造是國民經濟發展的基礎，其發展水平的高低直接影響國家的國際地位。我國制造業經歷了手工、機械化、自動化制造3個階段，目前朝著智能制造方向發展［1］。智能制造是中國制造業高質量發展和競爭力提升的關鍵。為推動智能制造發展，國家出臺了一系列重要文件［2］。2015年，“中國制造2025”將推進智能制造作為制造業發展的主攻方向［3］。我國制造業的發展對機械設計制造及其自動化專業人才提出了更高要求。培養專業基礎知識扎實、創新實踐能力強、綜合素質高的機械設計制造及其自動化專業人才［4-6］，對服務和支撐我國制造業的轉型升級具有重要意義。

機械設計制造及其自動化專業主要培養從事機電產品設計、制造、技術應用與運行管理等方面的復合型工程技術人才。在專業人才培養過程中，學生在學習數學、材料學、力學、傳熱學、電工電子學、計算機編程、機械制圖等基礎課程的基礎上，還需完成一系列的實踐課程，以達到專業培養目標。然而，隨著智能制造的發展，制造業對本專業技術人才的要求又提高到一個新的臺階。在此背景下，當前機械設計制造及自動化專業教學改革顯得尤為重要，尤其是面向未來智能制造人才培養方面，有進一步改進的空間。為此，探索了新形勢下機械創新設計課程教學模式，基于課堂基礎學習、大學生科技創新項目訓練、學科比賽和畢業設計綜合應用培養學生的創新設計能力，提高學生的專業實踐能力。該教學模式以學生個人及團隊合作為中心，通過專業基礎知識的系統學習，大學生科技創新項目對專業知識的實際應用，學科比賽對專業知識的創新應用以及畢業設計對專業知識的系統鞏固，最終達成專業實踐的培養目標。實踐表明，該教學模式具有較強的實用性，取得了良好的教學成效。

1 國內機械設計制造及其自動化專業實踐課程概況

機械設計制造及自動化專業實踐課程一直受到各高校重視，并做了積極改進［7］，但仍存在一些問題：停留在原有框架內，學生難以接觸到新的工藝方法和手段，學生不善于發現問題，解決實際工程問題能力不足，理論脫離實際等。目前，該專業實踐課程主要有實驗課程、課程設計、金工實習、生產實習、畢業實習、畢業設計/論文等。

1.1 實驗課程

實驗課程在機械設計制造及自動化專業中占有重要地位，各高校均設置了不少學時進行實驗課程教學。實驗課程主要有大學計算機及程序設計、大學物理實驗、理論力學、機械原理、機械設計、互換性與技術測量等基礎實驗課程以及液壓與氣壓傳動、機械制造技術基礎、機械CAD/CAM技術等專業實驗課程，幫助學生消化理論課程中接觸到的各種設計及工藝原理，掌握專業設計與制造基本技能，提高學生動手能力。

1.2 課程設計

為使學生深入理解專業基礎知識，更好掌握專業技能，機械設計制造及自動化專業均開設了工程圖學課程設計、機械設計課程設計、機械制造技術課程設計、機械CAD/CAM技術課程設計、專業綜合課程設計等實踐課程，為培養合格的機械工程師打下基礎。課程設計要求學生綜合課堂所學專業知識，根據教學實踐目標，通過查閱文獻資料，形成設計方案，完成圖紙繪制，編寫計算說明書，設計工藝規程，完成各實踐課程設計任務。

1.3 金工實習

金工實習是機械設計制造及自動化專業中重要的工程實踐環節之一［8］。該課程要求學生在工程實訓中心進行2周實習。實習過程中，學生應了解機械制造的一般過程，初步進行各種主要工藝方法的實踐，了解常用加工設備的組成、工作原理及安全操作知識，對簡單零件初步具有選擇加工方法和制定加工方案的能力，在主要工種上應具有獨立完成簡單零件加工制造的實踐能力。本實踐課程對學生工程能力的提升有重要作用。

1.4 生產實習

生產實習是培養學生工程實踐能力、工程實踐意識和工程應用水平的重要實踐環節，是學生接觸企業、獲得生產技術及管理知識，進行工程師基本素質訓練的必要途徑［9-11］。該課程一般要求學生在機械制造類企業進行為期2周的實習。實習過程中，學生應全面熟悉機械制造企業的生產工藝、生產組織、技術管理、質量保證體系和全面質量管理等方面的工作。

1.5 畢業實習

在畢業前，學生需要到生產一線進行實踐學習。各高校的畢業實習時間不一，一般為1周～1個月。畢業實習要求學生在此期間找專業相關單位進行實習，返校后，提交實習總結。該實踐環節旨在進一步強化學生的工程實踐能力和工程實踐意識。

1.6 畢業設計/論文

畢業設計/論文是培養學生實踐能力的最后環節，也是非常重要的環節。該課程設置的時間一般是14周左右，要求學生綜合運用專業知識和工程技術原理解決機械工程領域復雜工程問題，初步掌握科學研究方法。

1.7 問題分析

以上6大類課程構成了相對完善的實踐課程體系：實驗課程讓學生掌握專業設計與制造基本技能；課程設計使學生深入學習工程設計技能（計算、手工/計算機繪圖、計算機仿真、工藝規程設計等）；金工實習讓學生初步熟悉機械制造的基本工藝過程及其裝備；生產和畢業實習讓學生全面熟悉機械產品設計與制造的全過程；畢業設計/論文讓學生綜合運用所學解決復雜工程問題，提升其實踐能力。

然而，目前的實踐課程體系仍存在一些問題。首先，工程項目/問題一般比課堂實踐內容難度要大且復雜很多，這就需要培養學生的團隊合作精神，在團隊成員共同配合下完成。而現有實踐課程設計過程中團隊合作的內容不多，個人完成的實踐內容居多。其次，實踐課程內容一般是傳統經典的、沿用下來的，不能激發學生創新能力。此外，在目前科研考核壓力之下，高校教師更注重基礎科學研究，較少關注具體工程實踐，使得學生所做的課程設計、畢業設計/論文不能滿足企業實際需求，不利于學生就業。在此背景下，已有實踐課程內容更多地注重專業知識的傳播，難以滿足當前機械制造業的發展需求。結合以上情況，提出了一種基于課堂基礎學習、大學生科技創新項目訓練、學科比賽和畢業設計綜合應用培養學生的機械創新設計課程教學模式，以彌補現有實踐課程體系的缺點，更進一步培養學生的工程實際問題解決能力和創新能力。

2 機械創新設計課程教學模式

機械創新設計課程教學模式是基于課堂基礎學習、大學生科技創新項目訓練、學科比賽和畢業設計綜合應用4個環節進行的。

2.1 課堂基礎學習

課堂基礎學習主要包括專業基礎理論知識、專業技能和調研方法的學習。首先，專業基礎理論知識的學習是本專業學生必修環節，是進行專業核心課程學習的前提［12］。比如，學生對機械制圖基礎知識的掌握與否，在很大程度上決定了其學習機械設計、機械制造等專業課的難易程度。其次，專業技能的學習是進行專業實踐的前提。專業實踐中，有的學生參加科創項目，通過調研有了設計想法，但不會用圖表達，三維建模能力不足，只能找會的同學來幫忙，這樣很不利于其在專業方向上的發展。課堂基礎學習一方面強調專業基礎知識的重要性，另一方面加強對各門課程的綜合講解與分析，讓學生體會到專業知識的聯系，形成專業知識體系。專業基礎理論和專業技能的學習培養了學生從事本專業的工作能力，但沒有培養其創新設計能力。畢業設計/論文時，不少學生不知道怎么調研，尚停留在做課程設計的模式中，認為老師會給他們相關資料，按照要求完成就行。不少學生的論文參考文獻格式是直接從百度或者其他網站復制粘貼到論文后面，不知道參考文獻是有國家標準的。因此，有必要對學生進行調研訓練，熟悉主要文獻檢索網站，進行文獻檢索培訓，讓學生一開始就具備基本調研能力。創新想法不會憑空出現，往往是看過很多相關文獻資料后，結合所學的專業知識，通過交流、認真思考與琢磨，才會產生。通過調研方法的學習，可以解決學生感覺資料少，找資料難的問題，有利于培養學生的創新想法。

2.2 大學生科技創新項目訓練

大學生科技創新項目是各高校培養學生創新能力的重要途徑［5］。在進行科技創新項目之前，①招收愿意參與科創活動的學生，一般招3～4組，每組3～4人，這樣大約是半個班的人數。招收組數不宜過多或過少，一方面指導教師時間和精力有限，另一方面組數多了，教學效果不佳，組數少了，沒有競爭，課題組間沒有你追我趕的勁頭，學習效果不好。每組人數也不宜過多，一般主持人是重要參與人，其他人都需要配合主持人完成科創項目，人多了，會出現工作任務分配不均勻、工作量相差懸殊的現象。②確定科創課題。科創課題的確定有多種途徑，如：教師的科研項目，企業的技術需求，社會發展需求，產業需求，學生自己的想法等。針對學生的興趣所在，教師與學生共同確定科創課題，這樣學生能以團隊的形式直接深入了解科技前沿、社會、企業、產業需求，有助于學生與社會的深度融合，提高科創課題的完成質量。③執行科創課題。學生經過調研方法的系統學習，可通過常用檢索網站找到與課題相關的專利、論文和書籍等資料，從而對課題進行全面調研，提出創新設計想法，通過與教師、企業工程師等進行交流，確定設計方案，然后進行詳細設計、專利、論文、結題報告撰寫等工作。這里并沒有讓學生進行詳細設計，設計方案的可行性驗證，樣機制作和試驗等環節。因為科創一般在大二下學期時開始進行，很多專業課沒有學習，完成難度較大。大學生科技創新項目可以讓學生以主人翁的身份直接參與實踐活動，有利于培養學生的創新設計能力，提高專業實踐能力。

2.3 學科比賽

學科比賽具有與常規教學不可及的特殊教育功能，且與大學生綜合創新能力培養密切相關［13-14］。鑒于國務院提出的“大眾創新，萬眾創業”，目前，學科比賽的主題也均來源于社會和產業發展需求。比如中國高校智能機器人創意大賽的主題是：家用智能機器人-讓生活更美好；第十屆全國大學生機械創新設計大賽主題是“自然·和諧”。比賽主題均與我們的生活息息相關。比賽作品主要考查學生創新設計能力。學科比賽一般要求學生獨立或合作完成作品圖樣設計、樣品制作、報告撰寫、動畫制作、匯報答辯等一系列具有實踐性和創新性的任務，最后呈現參賽作品。根據學科比賽的要求，一般大三下學期，學生基本學完專業課程，有專業基礎參與這樣的實踐活動。為達到比賽要求，學生或學生團隊需要進行精心調研、思考、設計、制作，并不斷改進，使所學專業知識得到整合和融會貫通。通過大一到大三期間的課堂基礎學習和大學生科技創新項目訓練，學生基本具備了參加學科比賽的知識儲備、設計能力和實踐能力。學生可以利用專業所學，通過調研，方案設計，詳細設計，設計方案驗證，樣機制作及試驗，順利完成學科比賽任務。對學生而言，其參賽情況對獎學金評選、保研就業等均為加分項，有利于激發學生參賽熱情，有利于提高學生創新實踐能力。

2.4 畢業設計/論文綜合應用

畢業設計/論文是機械設計制造及自動化專業教學計劃中最重要的工程實踐能力培養環節，是該專業人才培養質量的重要體現［15-16］。通過課堂基礎學習、大學生科技創新項目訓練和學科比賽強化，學生基本具備了分析和解決復雜工程問題的能力。畢業設計/論文的題目選定可以是科創、比賽作品的進一步補充和完善，也可以是做一個新的與學生生活或工作相關的課題。學生可以自主選題，當選題確定后，可以再次重復科創和學科比賽所經歷的各種環節。畢業設計/論文的時間很充足，足以讓學生將大學4年所學進行綜合應用，設計出質量比較高的畢業作品。學生可以完善科創中因時間不足，專業知識不夠等原因而未完成的一些內容，如：課題的詳細設計、設計方案驗證等工作。學生也可以將科創或比賽作品的控制部分進行添加，完整地設計一個功能完善的產品。通過前期科創訓練和學科比賽，教師指導學生進行畢業設計/論文會比較輕松，學生做起來不會感覺到困難，能夠自己把握工作進度，完成畢業設計/論文的主動性強。

3 機械創新設計課程教學實踐總結

3.1 教學實踐成效

機械創新設計課程教學模式已開展了5年，取得了良好的成果。學生及學生團隊共計完成了16個創新設計項目（見表1）。針對產業、企業、科研等需求，學生設計了可行方案，獲得了企業好評，申請專利18件，授權專利15件，其中發明專利9件，發表論文5篇，學科比賽獲獎4個，優秀本科畢業設計1人，獲中國商業聯合會科學技術獎三等獎1項，其中一些成果可以直接推廣應用。

表1 學生在2016—2020年間已完成的創新設計課題列表

本教學模式有助于培養學生問題發現與分析、課題調研、時間管理、團隊合作、解決實際復雜工程問題等能力。筆者將參與和未參與該教學模式的學生進行了比較，發現參與該教學模式的學生在發現問題、解決問題、設計方案、詳細設計、專利與論文撰寫等方面均優于未參加的，且參與學生很認同該教學模式，并愿意做科技創新項目、參與學科競賽、做畢業設計/論文，甚至保研或讀研。通過參與社會、產業、企業、科研等需求相關項目，使得學生在解決問題過程中積累了項目經驗，這對學生們的創業、就業、進修都有重要的啟發和影響作用。

3.2 教學模式的優缺點與改進措施

機械創新設計課程教學模式的優點有：

（1）學生主動參與度高。創新設計課程教學模式以學生為中心，學生參與的主動性強。學生在整個教學過程中占主導地位，教師起引導和把關作用。該教學模式激發了學生對本專業的興趣，有效提高了主動參與度。

（2）學生對4年所學專業知識有系統且深入的認識和理解。創新設計課程教學模式在不改變原有教學模式下，指導學生基于課堂所學、實踐所需，通過深入調研，產生創新想法，完成創新設計，這對學生們進一步理解本專業理論與實踐有很大的提升作用。

（3）學生創新與實踐能力得到提升。創新設計課程教學模式有助于提高學生的創新設計和實踐能力，培養學生利用創新思想針對社會、產業、科技等需求解決實際問題的能力。通過本教學模式，學生順利完成了科創項目、學科比賽作品以及畢業設計/論文，提高了專業創新與實踐能力。

（4）加強學生團隊合作能力。創新設計課程教學模式中科創與學科比賽環節，學生均以團隊形式進行創新實踐，學生能夠對課題任務進行合理分工協作，共同高效完成創新設計任務，對團隊合作精神有深刻理解，這對機械工程師的培養非常重要。

（5）學生可以接觸到與實際生活、生產等密切相關的課題。學生可以在生活、生產、科研等活動中發現問題，提出創新設計方案，為實際問題提出解決方案，有助于激發學生對本專業的學習熱情，同時了解當前及未來的技術發展方向，有利于學生就業、創業與深造。

（6）促進產學研合作。創新設計課程教學模式中各環節的課題來自于教師科研項目、企業技術需求、產業技術需求、科研機構橫向課題等，學生在校期間接觸這樣的課題，并進行創新設計與實踐，有利于培養高校、企業及科研院所所需的高質量人才。

盡管創新設計課程教學模式的實踐取得了一些成績，但在今后的教學活動中應關注以下兩點：

（1）學生的專業實踐經驗不足。專業實踐經驗是需要經過長期積累的，短期內很難有豐富的創新設計經驗，即使通過大量閱讀文獻，也不能彌補這一缺陷，在以后的教學過程中，應加強這方面的傳授與指導，盡可能帶領學生多到生產實際中觀察、交流與學習。

（2）課題難度差異不等。盡管學生接觸到的課題來自生產與生活實踐，但由于課題背景不同，實際問題復雜多樣，難免存在課題難度不一的問題。難度小的課題，學生容易完成，有利于提高其參與的積極性。難度大的課題，學生完成困難，產生挫敗感，不利于課題的執行。在以后的教學中，應合理把握課題難度，控制在學生可接受的范圍內，從而充分調動學生的積極性完成創新設計。

4 結 語

機械設計制造及其自動化專業實踐課程教學對學生進修與工作有重要影響。針對該專業現有實踐課程的不足，提出基于課堂基礎學習、大學生科技創新項目訓練、學科比賽和畢業設計綜合應用培養學生的機械創新設計課程教學模式，并以我院2016～2020屆機械設計制造及其自動化學生為研究對象進行了教學實踐。實踐結果證明，機械創新設計課程教學模式起到了很好的教學效果，不僅提高了學生主動參與度，創新與實踐能力和團隊合作能力，同時培養了學生利用創新思想解決實際問題的能力。