基于工作室與項目式的機械專業創新實踐教學

馬登秋，李 青，葉振環

（遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563006）

引言

機械設計制造及其自動化專業機械基礎系列核心課程有“機械制圖”“機械原理”“機械設計”“機械原理課程設計”“機械設計課程設計”及“互換性與測試測量技術”等，目的是培養學生掌握圖紙識別與表達、機構方案設計、運動分析、機械基礎零件設計等的能力，且具備擁有高階創新創造能力的基礎，該系列課程具有授課范圍廣、理論性與實踐性強等特點［1-3］。目前，隨著科學技術的發展，學科不斷融合交叉，工程問題也越來越復雜，這對高校學生創新實踐能力提出了更高階的要求［4-8］。

工作室的建設為高技能人才帶徒授藝、技能傳承、技能創新提供了重要的平臺［9-10］，這種培養模式為高校創新實踐能力培養提供了新載體和新思路，對我校新型多功能復合型人才培養具有重要的指導意義。為此，本文提出基于工作室與項目式的機械專業創新實踐教學方法，強化機械工程專業學生創新實踐能力培養，進而培養出滿足社會發展的人才，助力鄉村振興。

一、現有實踐教學弊端

我校機械設計制造及其自動化專業在第6學期前進行的實踐課程有“機械原理課程設計”與“機械設計課程設計”，是“機械制圖”“機械原理”“機械設計”和“互換性與測試測量技術”等課程理論教學的延伸，目的是培養學生的創新實踐能力。其中“機械原理課程設計”側重機構方案設計、機構運動學設計等，“機械設計課程設計”則側重機械結構力學性能設計、幾何尺寸與裝配關系設計等。這兩門實踐課在實踐教學中存在以下問題。

（一）創新實踐能力培養不連貫

學生在學習“機械制圖”后進入“機械原理”課程的學習，在學期末開展“機械原理課程設計”實踐活動；下一學期進入“機械設計”學習，在學期末開展“機械設計課程設計”實踐活動。該教學體系對創新實踐能力培養的不連貫表現在兩個方面：一是主要培養創新實踐能力的環節僅在兩個學期期末，導致教師指導與學生實踐不連續；二是“機械原理課程設計”側重機構運動學與機構方案設計等，“機械設計課程設計”側重力學性能與幾何齒輪設計等，兩門課程僅注重了各自課程的理論教學訓練，忽略了“機械制圖”“機械原理”“機械設計”和“互換性與測試測量技術”等課程教學內容的相互關聯，未能形成強耦合的創新實踐訓練體系，實踐內容不連續。

（二）實踐訓練命題陳舊單一，設計手段落后

“機械設計課程設計”主要根據“機械設計”教學內容進行軸系零部件，如齒輪、鍵、軸、帶傳動/鏈傳動、軸承等的設計，設計計算按書本上計算公式進行。由于該類型設計使用的高校多、時間長、設計技術指導書成熟、網絡資源豐富，學生完成任務時基本是依葫蘆畫瓢，缺乏創新，現有實踐教學方法已無法滿足高質量人才培養的要求。

二、基于工作室與項目式的創新實踐教學方法

基于工作室與項目式的創新實踐教學方法依托“機械原理”“機械設計”等理論課堂和“機械原理課程設計”“機械設計課程設計”等短期實踐課堂，是教學與實踐的補充和延伸，重點培養學生向更高階的機械創新設計能力、創造性思維和工程實踐能力的提升。

在該創新實踐教學方法中有兩個核心：一是工作室，是創新實踐能力培養的主陣地，主要通過搭建工作室課堂實現培養目標，課堂上以學生為中心、以學為中心；二是項目式，是學生創新實踐能力培養的具體載體，是“機械制圖”“機械原理”“機械設計”和“互換性與測試測量技術”等課程形成高效耦合體的經脈，項目主要包括指導教師科研項目、大學生創新創業訓練計劃和企業課題等。

工作室以創新實踐能力培養項目為主線，一是通過常年開展學生獨立文獻資料檢索、學生科技報告與教師點評、教師專題培養、學生間相互提問與評價等活動，培養學生的創新設計能力、創造性思維和工程實踐能力。截至目前，指導教師已開展創意設計、齒輪傳動、“公差與配合”、Solid-Works、UG、ADAMS、慧魚工程技術、有限元技術、線切割技術、MATLA數值計算等相關技術講座或者報告；學生已開展數十次專題報告，例如，水下智能巡檢機器人、小型手扶式菠蘿采摘機、勢能驅動車結構設計、螺絲刀夾頭設計、服務器巡檢升降平臺、手扶式山地辣椒移栽機設計、修形圓弧齒線圓柱齒輪數學建模及接觸特性分析、水下巡檢機器人設計、水果套袋裝置設計等。二是利用不同年級、不同學生之間知識結構的差異，通過“傳—幫—帶”模式形成相互開展知識傳授、學習幫助、學習領路等的學習形式，在學生之間開展創新實踐能力的培養，讓學生在達成理解和應用能力提升的基礎上不斷向分析、評價和創造的高階目標躍升。

項目式以教師科研項目、大學生創新創業訓練計劃、企業委托課題等為創新實踐教學方法的載體，在工作室中，通過“項目立項+方案設計+運動設計+結構設計+圖紙設計+產品加工與制作+產品運行與調試+發表論文/申報專利+全過程工作室教師不間斷指導”的具體教學實施路徑，將“機械制圖”“機械原理”“機械設計”和“互換性與測試測量技術”等課程的教學內容串聯起來，兼顧理論教學與實踐教學的需求，形成強耦合性教學體系，強化學生解決復雜工程問題的能力。例如，在勢能驅動車結構設計和手扶式山地辣椒移栽機設計中，分別對機械制圖、機械原理、機械設計等三大核心模塊知識體系（機械制圖：投影基礎知識、工程圖紙表達、標準件選用等；機械原理：機構運行原理、運動學尺寸設計、機構運行規律等；機械設計：方案設計、結構設計、零件設計與校核等）和各個核心模塊知識的接續協同（例如，機械原理對機械制圖中機械零件表達、機械零件運動形式；機械設計對機械原理的運動學、機構組合及形式，對互換性與測試測量技術的形位公差與尺寸公差等）進行訓練，實現各門課程之間、理論與實踐教學之間的耦合。

三、創新實踐教學實例

（一）手扶式山地辣椒移栽機設計

項目《手扶式山地辣椒移栽機設計》源于貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（S202010664016），項目主持人為我校2018級機械設計制造及其自動化專業學生。該項目針對山地辣椒種植機械化程度低的問題設計了手扶式山地辣椒移栽機，如圖1所示。其中栽植機構是一種新型回轉式栽植機構，通過速度補償，理論上可保證絕對零速投苗。根據設計數據利用SolidWorks建立手扶式山地辣椒移栽機三維模型，經檢測移栽機運動設計與裝配合理，符合設計要求。圖2為設計的栽植機構，采用新型栽植機構，利用凸輪進行速度補償，回轉臂做周轉運動帶動鴨嘴進行上下往復運動。圖3所示為設計的凸輪搖臂機構，采用凸輪搖臂機構控制拉線，可以控制拉線移動距離，進而精確控制鴨嘴開合動作，從而實現辣椒苗較為精準的栽植。

圖1 手扶式山地辣椒移栽機總裝三維圖

圖2 栽植機構

圖3 凸輪開合機構示意圖

該項目于2020年8月立項，項目主持人于2020年9月起在遵義師范學院機械仿真工作室開展項目。項目實施過程中，項目主持人通過工作室會議、學生科技報告、指導教師交流會等活動對手扶式山地辣椒移栽機方案設計、機構選擇、三維建模、二維出圖、裝配工藝、CAE技術仿真等問題進行了多次論證、分析與分享。相對于多數未進行訓練的學生，項目主持人的創新設計能力、復雜工程問題解決能力得到較大幅度的提升，已申報發明專利1項，發表省級期刊論文1篇，結題貴州省大學創新訓練計劃1項，參加貴州省3D打印創意設計大賽獲得省級二等獎，專業能力獲得了有關企業的高度認可。

（二）絕緣螺絲固定夾設計與加工

項目《絕緣螺絲固定夾設計與加工》來源于遵義市某企業，所設計產品絕緣螺絲固定夾是輔助螺絲刀工作的一種裝置，可根據工作需求裝設在螺絲刀上，主要為螺絲刀工作時提供支撐并防止螺釘脫落，避免螺釘或人員觸碰二次線，預防短路、螺釘對不準螺釘孔等問題，縮短工作時間，提高工作效率，降低作業人員的工作強度，圖4所示為絕緣螺絲固定夾實物模型。產品主體結構分為固定部分和夾持部分，固定部分由外殼和套筒組成，夾持部分由兩個相同的抓夾組成。

圖4 絕緣螺絲固定夾

項目主要完成人為我校2019級和2020級機械設計制造及其自動化專業的幾位學生，歷時3個月完成。該項目自立項后，項目組綜合考慮制造成本、工作環境與空間尺寸、使用功能、材料特性、裝配工藝等問題，多次利用工作室會議論證絕緣螺絲固定夾的設計與加工，特別是針對夾持裝置設計多種方案，最終選定圖4所示夾持結構，該結構需選用變形性能合適材料與加工工藝，項目組經過多次論證選用高性能尼龍材料和3D打印技術完成設計產品的加工與制造。

結語

創新設計能力、創造性思維和工程實踐能力是高階人才應具備的核心素質，本文提出基于工作室與項目式的機械工程專業創新實踐教學方法，具體以工作室課堂為陣地，以大學生創新創業訓練計劃、科研項目、企業課題等項目為經脈，將機械專業各基礎課程串聯起來，開展學生創新實踐能力培養。實踐表明，基于工作室與項目式的機械專業創新實踐教學方法對機械工程專業學生創新實踐能力培養效果較好。