基于工程創新競賽的機械基礎類課程教學實踐研究

崔玉明 王桃 楊道龍

摘 要：為了提高機械基礎類課程教學實效，提升學生創新水平和解決問題的能力，將工程創新競賽引入課程實踐教學過程，基于設計、仿真、創新等工程競賽的主要任務，結合課程內容和企業工程案例自主選擇參賽對象和內容，通過競賽訓練獨立完成工程機械裝備關鍵結構的原理、設計和優化等過程，完善機械專業學生基礎類課程教學與培養方案。經參賽實踐驗證，該方案可有效深化學生機械基礎類課程學習與應用，顯著提升學生創新實踐能力，強化產教融合實施效果，為“新工科”背景下機械基礎類課程的創新教學提供范例。

關鍵詞：機械基礎類課程；工程創新競賽；實踐教學；產教融合

基金項目：江蘇省高等學校基礎科學（自然科學）研究項目（編號：22KJB440004）；江蘇師范大學博士學位教師科研支持項目（編號：22XFRS011）；徐州市重點研發計劃項目（編號：KC22404）

作者簡介：崔玉明（1988— ），男，江蘇師范大學機電工程學院講師，研究方向為智能裝備與教育；王桃（1990— ），女，江蘇師范大學歷史文化與旅游學院助理研究員，研究方向為思政教育；楊道龍（1988— ），男，江蘇師范大學機電工程學院副教授，研究方向為高等教育。

為主動適應新一輪科技革命與產業變革的新趨勢，加快培養卓越工程科技人才，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，并于2018年9月發布的《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》中指出，要全面落實“學生中心、產出導向、持續改進”的先進理念，創新工程教育教學組織模式，推進產教融合、校企合作的機制創新，深化“一帶一路”工程教育國際交流與合作，建設產業急需的新興工科專業，創新體現產業和技術最新發展的新課程，培養多樣化、創新型卓越工程科技人才。

工程實踐訓練和創新思維是提高機械專業學生解決復雜工程問題能力的必由之路，而機械專業基礎類課程對于學生建立機械系統概念、形成機械知識體系、掌握創新設計方法具有舉足輕重的作用。機械基礎類課程主要包括“機械原理”“機械設計”“機械制造基礎”“現代設計方法”等，傳統的機械基礎類課程主要通過課堂教學和模型參觀的形式促使學生掌握機構設計、強度校核、優化設計等專業基礎知識，不符合漸進式教學思想。且專業知識綜合性與系統性較強，學生在學習中普遍存在主動性不強、理解不深刻、學習難以致用等問題。課題組在傳統機械類課程教學基礎上，結合大學生機械類工程創新競賽內容要求，通過校企產教融合方式，重新組織課程重點實踐內容，讓學生獨立完成問題研究、方案設計、仿真分析、優化改進等實踐任務。以企業所面臨的真實工程問題為導向，以工程創新競賽為路徑，從工程問題建模和求解的全過程深化學生課程知識學習層次，真正提升學生創新性解決復雜工程問題的實踐能力。

一、工程創新競賽與機械基礎類課程的融合方案設計

工程創新競賽是以專業知識為基礎、以綜合應用為導向的比賽形式，對于提升學生主動性、實踐能力、創新能力和綜合素質具有明顯的促進作用。如全國大學生機械創新設計大賽、“一帶一路”工程仿真創新設計賽項、中國“互聯網+”大學生創新創業大賽等，競賽目標主要是鼓勵學生運用專業基礎知識，聚焦當下社會問題或企業困境，通過創新工程理念、整合內外資源、統籌實踐操作等，形成針對性強、實效性高、應用性廣的問題項目方案。賽事參與的過程是學生創新能力和應用能力提升的過程，也是解決企業問題、滿足社會發展需求的探索過程，以賽促學，以賽促教，以賽促創，最終實現課堂內外的無縫銜接，以及學校與社會的有機銜接。

針對不同專業和不同課程的學生，需選擇合適的競賽以加深他們對課程內容的記憶，提高其對現代化機械創新設計過程中的對象、原理、方法的認知水平。如表1所示，不同機械專業學生培養方向略有不同，設計的創新實踐方案也有所不同。對于工業設計專業學生，更加注重“機械原理”課程所涉及的機構及基本傳動進行創新和實踐，因此可以通過機械創新設計大賽進行針對性的時間訓練；對于車輛工程專業學生，可以采用產教融合的方式，結合車企工程實際進行車體關鍵結構的仿真與校核，通過對實際工程問題的建模與求解深入理解機械結構強度在工程中的研究意義；對于機械設計與制造專業的學生，設計和制造出綜合性能優的機械產品更能提升學生的實踐創新能力。

二、基于工程創新競賽的課程實踐創新培養模式

（一）高校+企業，整合教育資源

高校之所以成為育人的重要陣地，是因為其聚集了社會上優良的師資隊伍、先進的教學設備和濃郁的文化氛圍，教育資源相對集中且豐富。但與此同時，對學生的教育也往往容易局限于固有思維和已有模式，缺乏足夠的活力和有效的補充。因此，通過高校+企業聯動，打造專業學習第二課堂，既是對工程競賽的必要準備，又是學生專業學習的重要平臺，校企合作、內外協同，集中雙方優勢，整合各類資源，合力構建全域教育空間。如邀請杰出校友、企業名家、一線員工代表進校園，展示他們的職業風采、講述他們的奮斗故事。或帶領學生走進企業工廠，感悟創造力量和改革精神，為籌備競賽、提升專業認知做了充分準備和有益補充。

（二）理論+實踐，促進學以致用

參加工程創新競賽，必然需要相應的參賽作品，僅有創新的方案設計而缺少實際模型和應用的驗證，是無法體現方案的可行性和有效性的，還需要豐富的實踐經驗和實踐能力。為此，理論+實踐的培養模式十分必要且不可或缺，可通過與地方機電工程類企業開展合作共建，共推共創學生工程競賽培育中心，組織學生開展常態化實習實訓，并以此為平臺推動“雙導師”制，就學生工程類競賽項目作聯合指導和共同培養，打破高校技術壁壘，促進專業知識向實踐操作的有機轉化，增強學生學以致用的主動意識和能力。

（三）課堂+賽場，提高學生綜合素養

對于高校學生而言，其所掌握的理論基礎較為薄弱，同時思維靈活發散，合作意識不強，創新能力不足，綜合素養有待提升。而工程類競賽是面向在校本科生的一項綜合性工程能力競賽，綜合體現了學生機械創新設計能力、制造工藝能力、實踐動手能力、工程管理能力和團隊合作能力，目的在于培養學生的動手能力、工程素養、創新意識和團隊協作精神。為此，課堂+賽場的培養模式有利于學生在掌握知識的基礎上，提高自身綜合素養。

三、基于工程創新競賽的課程實踐實施案例

在機械專業基礎類課程教學實踐中，課題組深入調研全國大學生機械創新設計大賽、“一帶一路”工程仿真創新設計賽項、中國“互聯網+”大學生創新創業大賽等競賽項目的設置目的和參賽方式，通過帶領不同專業的學生團隊參加上述工程創新競賽項目，采用產教融合方法，讓學生針對企業具體工程問題進行自主創新設計，深入企業生產與應用現場充分體驗實際問題，掌握提出問題、分析問題和解決問題的創新設計全過程，提升學生學習主動性和解決工程問題的能力。具體實踐教學案例如下。

（一）機械創新設計大賽與機械原理課程實踐

全國大學生機械創新設計大賽根據主題的不同要求參賽學生自行選題、自主設計并完成制作與調試，對于機械原理與傳動方案的設計具有較強的指導性。傳統“機械原理”課程實踐教學中，對于傳動原理部分的實驗要求多局限于“齒輪傳動”，而“齒輪傳動”由于輪廓造型復雜、加工制造要求高、造價高等因素對于學生的深入認知與應用難度較大。同時，“機械原理”作為工業設計專業學生的專業基礎課程，由于課程的理論性、抽象性較強，工業設計學生在學習過程中普遍反映難度較大。因此，課題組在“齒輪傳動”課堂實踐之外，結合全國大學生機械創新設計大賽的基本要求，針對工業設計專業的學生團隊增設多樣化機構傳動設計實踐活動，并結合大賽主題設計不同的傳動方案（如帶傳動、鏈傳動等），在對各類傳動方案進行詳細的參數計算和校核的基礎上結合機械制圖的相關知識設計出相關齒輪、螺紋等零件，并獨立完成零部件的標準化選型和整體制作與調試。該實踐教學方案通過對常用機械傳動方案的組合和應用有效深化了學生對“機械原理”課程內容的理解，提升了學生學以致用的創新實踐能力。

（二）工程仿真設計賽項與“機械設計”課程實踐

“一帶一路”暨金磚國家技能發展與技術創新大賽工程仿真創新設計賽項不限制專業方向，對于各類機械專業學生具有較好的實踐訓練效果。常規“機械設計”課程和“機械設計基礎”課程中對于機械零部件的設計與校核通常采用理論計算的方法實施，學生在學習過程中對于設計與校核公式的理解不夠直觀和深入，對于零部件的失效和損傷形式了解不足，無法在實踐中有效發現問題和解決問題，這就容易造成學生理論與實踐脫節的問題。基于此，在車輛工程專業學生對零部件的材料屬性、加工方法和強度性能等有了一定了解后，課題組通過走訪相關汽車零部件設計加工企業，掌握企業在零部件設計過程中的關鍵指標后，組織學生團隊以車企某型號沖壓模具為研究對象，從問題分析、模型建立、強度與剛度性能分析等方面對零件進行了全流程分析，構建了該企業某型號沖壓模具的三維實體模型，在ABAQUS有限元分析軟件中模擬了高溫、高速、高壓注塑過程，獲得了模具關鍵部位在注塑過程中的應力應變行為規律，并以報告形式向企業進行結果反饋。通過賽項的參與，有效增強了學生對機械設計課程有關強度、剛度等知識點的理解，強化了學生理論聯系實踐意識，拓展了學生在實踐中發現問題和分析問題的思路與方法，提升了學生解決工程實際問題的能力。

（三）創新創業大賽與現代設計方法課程實踐

中國“互聯網+”大學生創新創業大賽旨在激發大學生的創造力，以創新引領創業，推動賽事成果轉化，推動高校畢業生實現更高質量創業就業。針對高年級機械專業課程“現代設計方法”中所涉及的優化、仿真和創新設計方法缺乏實踐環節的現狀，教師通過鼓勵學生跨專業、跨年級、跨學院、跨學校組建創新團隊，讓學生自主探尋行業痛點與技術難點，在對行業技術現狀進行深入分析研究的基礎上，采用創新組合，優化設計方法，對原有產品進行優化改進，衍生出新產品，并對新產品進行商業開發與試驗研究。課題組堅持以賽促學、以賽促教、以賽促創的實踐教學精神，通過創新創業大賽著重培養學生的工程實踐能力、創新精神和綜合素質。在該案例中，課題組組織學生團隊深入發掘煤礦與工程鉆探行業中面臨的痛點難題，通過理論分析、仿真模擬、模型開發和產品推廣等方式，從產品設計到公司運營，從知識產權到財務分析，全身投入創新創業過程。通過創新方案與創業實踐的有機結合，讓學生深刻體驗了創新創業過程中的難度，為學生高質量就業創業提供有力基礎。該案例實施效果顯著，有效提升了學生創新設計水平、綜合實踐能力以及企業經營與管理經驗。

通過上述課程教學實踐措施，既有效深化了學生對機械基礎類課程理論知識的理解，又提升了學生設計水平和實踐創新能力。其中，通過機械創新設計大賽與機械原理課程實踐組織學生參加“全國大學生機械創新設計大賽”并獲全國二等獎1項；通過工程仿真設計賽項與機械設計課程實踐組織學生參加“一帶一路”工程仿真創新設計賽，榮獲東區二等獎1項；通過創新創業大賽與現代設計方法課程實踐組織學生參加江蘇省“互聯網+”大學生創新創業大賽，并榮獲一等獎1項。可見，相比于傳統課程實踐形式，基于競賽的課程教學實踐活動對于“教”與“學”均有明顯的優勢。

因此，為培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才，通過對不同機械基礎類課程重點理論知識重新梳理，并基于工程創新競賽內容與要求設計出滿足不同課程培養要求的教學實踐方案，提升了學生的實踐創新能力、工程創新能力和優化創新能力，建立了基于工程創新競賽的機械專業基礎類課程教學與實踐育人體系，相關案例具有較高的參考意義和推廣價值。

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責編：應 圖