學(xué)科競賽提升工科類大學(xué)生綜合素質(zhì)的實踐研究
——以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院為例

呂志軍，丁 力，祝英豪，何 勛，屈 哲，李 赫，王萬章

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

0 引言

2016年12月7日，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：“我國高等教育肩負(fù)著培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展的社會主義事業(yè)建設(shè)者和接班人的重大任務(wù)，必須堅持正確政治方向。高校立身之本在于立德樹人。只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學(xué)。辦好我國高校，辦出世界一流大學(xué)，必須牢牢抓住全面提高人才培養(yǎng)能力這個核心點，并以此來帶動高校其他工作”。因此，如何提高學(xué)生綜合素質(zhì)能力是各大高校關(guān)注并需要盡快解決的問題。

提高學(xué)生綜合素質(zhì)能力的方法有很多，學(xué)科競賽便是其中之一[1]。工科類學(xué)生的培養(yǎng)更注重將理論應(yīng)用于實踐，不僅有利于科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提升，而且可以增強團隊協(xié)作力和凝聚力[2]。目前，教育部將57項賽事列入全國普通高校大學(xué)生競賽排行榜和全國高校學(xué)科評估體系，其中工科類學(xué)科競賽賽項種類較多，一般需要指導(dǎo)教師在規(guī)定的時間內(nèi)指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)實踐調(diào)研、理論分析、三維建模、臺架搭建等過程完成符合競賽要求的三維模型或?qū)嵨镒髌罚罱K完成答辯與專家問答，在此過程中既提高了學(xué)生自身的創(chuàng)新實踐能力又增強了團隊協(xié)調(diào)能力等綜合素質(zhì)。

以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院為例，對多次指導(dǎo)工科類學(xué)科競賽可提升學(xué)生綜合素質(zhì)能力進行了深入研究，提出了工科類大學(xué)生參加學(xué)科競賽中存在的問題與建議，將有助于培養(yǎng)對接產(chǎn)業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

1 加強培養(yǎng)當(dāng)代工科類大學(xué)生綜合素質(zhì)能力的必要性

綜合素質(zhì)，也稱綜合表現(xiàn)力，主要包括知識水平、道德修養(yǎng)和創(chuàng)新能力等多方面的綜合素養(yǎng)。基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的當(dāng)代大學(xué)生畢業(yè)要求應(yīng)該更注重理論研究能力、合作交流能力、創(chuàng)新思維和實踐應(yīng)用能力等多方面的綜合素質(zhì)能力的培養(yǎng)。首先，理論研究能力是當(dāng)代大學(xué)生必備的綜合素質(zhì)之一，夯實理論基礎(chǔ)、勤于練習(xí)鞏固、熟練掌握各課程的重點科學(xué)原理，將有助于表達、分析與解決機械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，為讀研、工作打下堅實的基礎(chǔ)。其次，合作交流能力是指在科學(xué)探究過程中，師生之間、生生之間對所探究問題進行交流與合作，共同完成探究任務(wù)。許多企業(yè)單位都期望大學(xué)生具有團隊精神，培養(yǎng)團隊合作意識，增強團隊合作能力成了大學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的重要任務(wù)之一，對社會發(fā)展起著積極的作用。再次，動手實踐環(huán)節(jié)是對專業(yè)理論基礎(chǔ)知識的鞏固和提升，也能鍛煉學(xué)生動手解決實際工程復(fù)雜問題的能力。教育部前部長周濟指出，“知識來源于實踐，能力來源于實踐，素質(zhì)更要在實踐中不斷提高”，大學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前我國高等教育亟待加強的重要任務(wù)之一[3]，實踐能力的培養(yǎng)更有利于大學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展需求。最后，在科技進步日新月異、綜合國力競爭日趨激烈的大環(huán)境下，科技創(chuàng)新能力成為高素質(zhì)人才的核心和靈魂。所以，在學(xué)習(xí)過程中需要知識的不斷吸收、日積月累、觸類旁通，從而在理論與實踐結(jié)合中增強自身的創(chuàng)新思維能力，推動時代的發(fā)展和社會的進步。

2 學(xué)科競賽提升工科類大學(xué)生綜合素質(zhì)能力的體現(xiàn)

2.1 學(xué)科競賽增強大學(xué)生理論研究能力

現(xiàn)今，大學(xué)生在本科階段每一年都需要學(xué)習(xí)足夠?qū)W分的必修和選修課程，但每門課的學(xué)時有限，課程結(jié)束后如何增加學(xué)生對此門課的知識儲備時間，直至真正地做到學(xué)以致用，這就要求教師去積極開展各類學(xué)科競賽來提升大學(xué)生的理論研究能力。本文以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院學(xué)生參加“中聯(lián)重科”杯第六屆大學(xué)生智能農(nóng)業(yè)裝備國際創(chuàng)新大賽為例，4名學(xué)生組成一個團隊共同自主設(shè)計完成一種基于智能檢測缺苗系統(tǒng)的全自動煙草缽苗移栽機械手，其競賽作品三維設(shè)計模型及現(xiàn)場實物展示如圖1（b）和（c）所示。

回顧參賽過程，團隊需要獨自去收集資料、分析總結(jié)現(xiàn)存的煙草缽苗移栽機械存在的問題，難點是學(xué)生如何運用已學(xué)過的相關(guān)理論知識解決實際問題，經(jīng)過指導(dǎo)教師系統(tǒng)的講解，學(xué)生能找到解決問題的方向，有針對性地利用農(nóng)業(yè)機械學(xué)、機械原理和電工電子技術(shù)相關(guān)知識點，對移栽機械結(jié)構(gòu)與智能檢測缺苗系統(tǒng)分別進行設(shè)計與開發(fā)，其設(shè)計過程如圖1所示。其中本作品的控制部分是采用Arduino軟件對單片機進行編程，通過光電識別模塊檢測苗盤中秧苗的存在情況，將數(shù)據(jù)傳輸至單片機，而后聯(lián)通至步進電機和直流推桿電機的動力系統(tǒng)，從而對移栽機械手和秧箱進行精準(zhǔn)運動控制，移栽機械手設(shè)計理論分析如圖1：

取苗栽植機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1（a）所示。規(guī)定行星架逆時針轉(zhuǎn)動角度為正，βj（φ）為齒輪j相對行星架的轉(zhuǎn)角，φj（φ）為齒輪j的絕對轉(zhuǎn)角，行星架的初始安裝角為 0φ，當(dāng)行星架順時針轉(zhuǎn)過φ時，各角度分析如下：

行星架的絕對轉(zhuǎn)角為：

太陽輪相對行星架的轉(zhuǎn)角和絕對轉(zhuǎn)角分別為：

中間輪A相對行星架的轉(zhuǎn)角和絕對轉(zhuǎn)角為：

式中，r1（i）為一級傳動太陽輪節(jié)曲線極徑（mm）；

a1為相互嚙合的一級傳動齒輪（太陽輪和中間輪A）中心距，可通過二分法或黃金分割法求得。

因為中間輪B和中間輪A是同軸固定，所以中間輪B相對行星架的轉(zhuǎn)角和絕對轉(zhuǎn)角為：

行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)角和絕對轉(zhuǎn)角為：

式中，r2（i）為二級傳動中間輪B 節(jié)曲線極徑（mm）；

a2為相互嚙合的二級傳動齒輪（中間輪B和行星輪）中心距，可通過二分法或黃金分割法求得（mm）。

在以O(shè)1為原點建立的直角坐標(biāo)系中，各點的坐標(biāo)分析如下：太陽輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)為：

圖1 全自動煙草缽苗移栽機械手關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與現(xiàn)場實物展示圖

式中，H—煙草株距（mm）。

中間輪A和中間輪B轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)為：

行星輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)為：

栽植臂拐點A1的坐標(biāo)為：

式中，H1為非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心O3到栽植臂拐點A1的距離（mm）；

S為非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心O3到栽植臂秧針尖點B2的距離（mm）。

栽植臂秧針尖點B1的坐標(biāo)為：

式中，δ0為栽植臂的初始安裝角（°）。

通過運動學(xué)理論分析，結(jié)合所開發(fā)的優(yōu)化設(shè)計軟件，最終優(yōu)化出滿足取苗要求的移栽機械手機構(gòu)參數(shù)，在此過程中鍛煉大學(xué)生的理論研究能力，為他們?nèi)蘸缶蜆I(yè)和繼續(xù)深造打下了堅實基礎(chǔ)，拓展了他們未來更好的發(fā)展空間。

2.2 學(xué)科競賽促進大學(xué)生工程實踐能力提升

大學(xué)生參加學(xué)科競賽的過程中因競賽要求或是想追求更好的成績，會對虛擬仿真模型進行加工與裝配，裝配的過程就是將理論應(yīng)用于實踐的過程，這也是對大學(xué)期間的理論知識的整合與拓展，筆者在組織學(xué)生參加第十四屆三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽全國總決賽以及精英聯(lián)賽時，學(xué)生對移栽機械手進行了創(chuàng)新與完善，增加了栽植機構(gòu)、送秧機構(gòu)、輔助導(dǎo)航及動力輸入等功能模塊，并在有限時間內(nèi)完成關(guān)鍵部件建模與整機裝配過程，具體見圖2。在競賽準(zhǔn)備的過程中能夠鍛煉學(xué)生從實踐出發(fā)考慮工程問題的思維能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，對高校的發(fā)展和學(xué)生的成長具有現(xiàn)實意義。

2.3 學(xué)科競賽促進創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)

積極參加學(xué)科競賽可以讓學(xué)生的思維發(fā)散，多角度地思考問題。同時，可以將創(chuàng)新理念轉(zhuǎn)換為科技成果[4-5]。在帶領(lǐng)學(xué)生參加第十屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽時，結(jié)合大賽主題，學(xué)生基于前期多項競賽的經(jīng)驗積累，將啄木鳥“啄木取蟲”特點運用到移栽機械手缽盤取苗動作中，解決了移栽機械手末端執(zhí)行器取苗階段秧針在缽盤中“攪土擺角大、根系損傷多”等難題，實現(xiàn)了類似“啄木鳥尖嘴形”直進直出的快速取苗動作，同時整體移栽軌跡也類似“啄木鳥”外形，如圖3所示。事實證明，學(xué)生在參加學(xué)科競賽的過程中針對實際問題不斷探索、鉆研，并充分發(fā)揮自己的想象力來解決問題，進而提升自己的創(chuàng)新實踐能力。這是素質(zhì)教育成果的體現(xiàn)，更是學(xué)生受用終生的寶貴財富。

2.4 學(xué)科競賽促進團隊合作交流能力融合

在多次指導(dǎo)學(xué)生參加各項學(xué)科競賽過程中，每一次團隊都有不同突破的原因在于團隊合作，正所謂：“一花獨放不是春，百花齊放春滿園”，團隊每年都會有新鮮血液加入，這就需要一名有經(jīng)驗、有責(zé)任感的學(xué)生作為隊長，起到一個掌舵和導(dǎo)航的關(guān)鍵作用，根據(jù)隊員的特長分配不同的任務(wù)，這可以增強學(xué)生彼此間的默契程度，培養(yǎng)學(xué)生的集體榮譽感，提升學(xué)生的交流與溝通能力，為其畢業(yè)后盡快順利融入社會打下堅實的基礎(chǔ)。學(xué)科競賽團隊掠影如圖4所示。

圖2 關(guān)鍵部件建模與整機裝配

圖3 移栽機構(gòu)仿生運動軌跡

圖4 學(xué)科競賽團隊掠影

3 關(guān)于工科類大學(xué)生參加學(xué)科競賽中存在的問題與建議

通過筆者指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽的經(jīng)歷，提出工科類大學(xué)生參加學(xué)科競賽中存在的幾點問題：目前，參加這類競賽大部分是二年級和三年級的學(xué)生，一年級學(xué)生因課程多、任務(wù)重、專業(yè)知識接觸較少，所以大一學(xué)生很少參與學(xué)科競賽活動；隊長和各年級隊員間的傳承銜接不夠緊密，隊長會因為步入大四年級陷入考研、擇業(yè)等事宜中而缺少與隊員間的交流與分享；剛進入團隊的學(xué)生積極性較高，但熱情過后的真正參與度不夠高。

針對上述問題，建議專業(yè)輔導(dǎo)員在一年級就要向?qū)W生宣傳參加有影響力的學(xué)科競賽是可以提升大學(xué)生綜合素質(zhì)能力、有助于豐富大學(xué)生活的思想，引導(dǎo)大學(xué)生做出正確的選擇；同時任課教師在課堂講授過程中也能將科研成果融入課程中，使學(xué)生對科研課題產(chǎn)生興趣，在學(xué)科競賽成果頻出的同時也能鍛煉工科類學(xué)生的工程素養(yǎng)，其成果將為日后深造和擇業(yè)錦上添花，最終達到“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促用、以賽促新”的教學(xué)目的。

4 結(jié)語

實踐表明，針對各類競賽的主題要求，團隊在探索競賽作品創(chuàng)新設(shè)計研發(fā)突破口的過程中，有利于提高大學(xué)生學(xué)會自主思考、團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維等解決實際問題的能力。同時，工科類大學(xué)生要克服重理論、輕實踐的思想觀念，積極參加創(chuàng)新實踐活動，為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)打下堅實的基礎(chǔ)。