依托工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽的大學(xué)生工程素質(zhì)教育

林繼銘 張勇 黃身桂 張鋒

摘? 要? 針對(duì)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽，將工程訓(xùn)練綜合競(jìng)賽和素質(zhì)教育建設(shè)相結(jié)合，推動(dòng)學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)。以大賽為導(dǎo)向，深入而全面地執(zhí)行“做學(xué)融合”工程訓(xùn)練的基本教學(xué)理念。在交互式教學(xué)中，實(shí)施問題分析與探索式教育教學(xué)模式，并將學(xué)科競(jìng)賽與工程實(shí)踐環(huán)節(jié)相互融合，探索全周期實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)模式，能夠?yàn)閷W(xué)生綜合能力的提升創(chuàng)造條件，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。此項(xiàng)賽事的實(shí)踐顯著提升了學(xué)生的工程素質(zhì)，是一種有效提高人才培育質(zhì)量的積極探索。

關(guān)鍵詞? 工程實(shí)踐；創(chuàng)新能力；大學(xué)生；工程素質(zhì)教育；勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車

中圖分類號(hào)：G642.42? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）12-0146-04

Abstract? Aiming at Undergraduate Engineering Practice and?Innovation Ability Competition， this article combines the comprehensive engineering training competition with the construction of quality education to promote the cultivation of students?engineering quality. Taking the competition as the guide， wethoroughly and comprehensively implement the basic teaching?concept of “integration of doing and learning” engineering training. In the interactive teaching， the problem analysis and exploratory education teaching mode is implemented， and the?subject competition and engineering practice links are inte-grated， and the full-cycle practical innovative teaching mode is explored， which can create conditions for the improvement of students comprehensive ability and gradually train stu-dents innovative spirit and practical ability. Through the practice of this competition， the engineering quality of students has been significantly improved， which is an active explora-tion to effectively improve the quality of talent cultivation.

Key words? engineering practice; innovation ability; under-graduate; engineering quality education for college students; potential driven vehicle

0? 引言

在全球化時(shí)代，國家工業(yè)實(shí)力的提升離不開高等工程教育的支持。圍繞創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命浪潮，深入推進(jìn)工程教育改革，全面提升大學(xué)生工程創(chuàng)新綜合素質(zhì)和能力水平。通過切實(shí)組織工程訓(xùn)練競(jìng)賽，將極大地提高學(xué)生的綜合能力[1-3]。但在現(xiàn)有教育模式下，國內(nèi)高等工程教育依然存在諸多缺陷。特別是在工程科學(xué)化大環(huán)境下，我國大學(xué)工科專業(yè)的人才培養(yǎng)明顯存在一些問題，包括：重視課堂教育，不重視課外教育；對(duì)理論極其關(guān)注，但是不重視實(shí)踐；課堂教學(xué)和實(shí)際要完成的工程未能保持相互對(duì)接；沒有進(jìn)行具體的實(shí)踐教學(xué)；學(xué)生沒有在這一方面進(jìn)行訓(xùn)練和實(shí)踐，不具有良好的社會(huì)適應(yīng)性。

伴隨科技的進(jìn)步，現(xiàn)代工程日益表現(xiàn)為“目標(biāo)—分析—研發(fā)—設(shè)計(jì)—制造—運(yùn)行—管理”等諸多部分相互連接的工程鏈，而其越向前技術(shù)含量相對(duì)越高，反之則經(jīng)濟(jì)含量會(huì)有所增高，所以要求引入知道如何經(jīng)營和管理、而且能夠保持較強(qiáng)的經(jīng)營和創(chuàng)新能力的人才[4-5]。從大工程觀的角度來看，21世紀(jì)的卓越工程人才必須具備堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的實(shí)踐能力以及優(yōu)秀的個(gè)人綜合素養(yǎng)。傳統(tǒng)的大學(xué)課堂教學(xué)在促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)積累這樣的任務(wù)上有良好的表現(xiàn)，然而要獲得很好的工程實(shí)施能力與杰出的個(gè)人素養(yǎng)，必然需要通過具體的工程實(shí)踐才能推進(jìn)[6-7]。為了開發(fā)出自主核心的技術(shù)，需要培養(yǎng)大量具有工程性、創(chuàng)新性的機(jī)械專業(yè)人才。所以，在對(duì)機(jī)械人才的培養(yǎng)方面要以工程實(shí)踐人才為中心，促進(jìn)實(shí)踐育人的這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這對(duì)大學(xué)各項(xiàng)事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展也是極其重要的。

1? 大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽簡(jiǎn)介

大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽（UEPIAC，Un-

dergraduate Engineering Practice and Innova-tion Ability Competition）是教育部高等教育司舉辦的全國性大學(xué)生科技技能創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng)。大賽重視考查學(xué)生利用跨學(xué)科基本理論和知識(shí)，解決面向?qū)嶋H問題的設(shè)計(jì)、制造與創(chuàng)新能力，強(qiáng)調(diào)工程思維、工程創(chuàng)新與團(tuán)隊(duì)合作等綜合素質(zhì)。比賽堅(jiān)持以基礎(chǔ)理論為根基，凸顯學(xué)生的創(chuàng)新能力，對(duì)社會(huì)實(shí)踐能力比較關(guān)注。本賽事設(shè)三個(gè)賽道11個(gè)賽項(xiàng)，其中工程基礎(chǔ)賽道的競(jìng)賽題目為勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車，它將砝碼下落的重力能直接轉(zhuǎn)換為小車行駛的動(dòng)能，如圖1所示。

自主設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有自行調(diào)整行走方向功能的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)無碳小車，小車必須行駛在規(guī)定的賽道上，并且小車獲得的所有能量只能由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來。重力勢(shì)能通過自主設(shè)計(jì)制造的1 kg±10 g重物下降（300±2）mm高度獲得。勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車的命題充分體現(xiàn)了個(gè)性化發(fā)展，驅(qū)動(dòng)車的能量轉(zhuǎn)化形式、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、方向控制、調(diào)試方法等，都可以讓參賽人員自己而定，為更好地促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新提供有力的支持。通過該賽事，學(xué)生參與研究、分析、設(shè)計(jì)、問題解決、制造、結(jié)果評(píng)價(jià)等一系列過程。此賽事需要三四位學(xué)生之間通過分工與協(xié)作來完成，學(xué)生個(gè)人的交流能力、組織協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)精神乃至管理能力都會(huì)有明顯提高。

2? 依托UEPIAC的大學(xué)生工程素質(zhì)教育體系及相關(guān)啟示

目前，本科階段學(xué)生的專業(yè)實(shí)習(xí)主要是企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、金工實(shí)習(xí)等，然而這種以參觀體驗(yàn)形式為主的實(shí)習(xí)也只能是讓學(xué)生對(duì)零件結(jié)構(gòu)和工藝有一個(gè)基本的了解，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的提升作用有限。機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是大學(xué)生唯一要?jiǎng)邮植僮鞯漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)，然而目前研究對(duì)象主要是圓柱齒輪減速器，其輸出成果往往就是關(guān)于該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙和說明書，而沒有牽涉相關(guān)的設(shè)計(jì)過程，學(xué)生對(duì)機(jī)械部件、零件的設(shè)計(jì)、開發(fā)與生產(chǎn)，到最后實(shí)物驗(yàn)證其設(shè)計(jì)方案是否可行并親自動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)相對(duì)不多。

UEPIAC賽事因?yàn)槠浔旧硭逃械墓こ虒?shí)踐特征，通過實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)的途徑，便于和課程教學(xué)對(duì)接，讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從接受知識(shí)到實(shí)踐工程師轉(zhuǎn)變的過程，也是提升其能力的重要手段。以UEPIAC

賽事為基礎(chǔ)，經(jīng)由實(shí)踐設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試小車等這些和實(shí)踐有關(guān)的培訓(xùn)，必然會(huì)加深學(xué)生對(duì)教材知識(shí)的認(rèn)知，促進(jìn)思維發(fā)散，可以更好地促進(jìn)學(xué)生掌握這些機(jī)械專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，這樣也能較好地解決好課程教學(xué)和實(shí)踐相互分離的狀況，進(jìn)而更好地提升學(xué)生使用專業(yè)技術(shù)知識(shí)和對(duì)實(shí)際問題予以處理的能力。借助這項(xiàng)比賽，筆者獲得如下啟示。

2.1? UEPIAC競(jìng)賽的命題內(nèi)容范圍廣，與工程實(shí)踐教育的培養(yǎng)目標(biāo)緊密結(jié)合

三天的競(jìng)賽中，學(xué)生要圍繞“以重力勢(shì)能為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出能夠控制方向的自行小車”的要求進(jìn)行思考、設(shè)計(jì)。為鍛煉學(xué)生的綜合能力，提高時(shí)間利用率，學(xué)生需在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)與改裝小車、規(guī)劃路徑、安裝調(diào)試并最終完成比賽。命題有很強(qiáng)的綜合性，能夠全過程考查學(xué)生的工程素質(zhì)，包括方案論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、加工工藝分析、成本分析等。利用本賽事，能夠讓學(xué)生對(duì)教材知識(shí)有新的理解，同時(shí)會(huì)綜合考查學(xué)生的時(shí)間管理能力、設(shè)計(jì)能力、操作能力、成本控制能力，以及在“大工程”理念和思維下的綜合能力。在彰顯研究性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性的要求下，還能在訓(xùn)練競(jìng)賽的全過程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和綜合管理能力。從競(jìng)賽的命題可知，其體現(xiàn)了綜合型工程訓(xùn)練教學(xué)的內(nèi)容與特點(diǎn)，綜合考查了多個(gè)學(xué)科知識(shí)，并突出強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)、工程管理的應(yīng)用能力。

2.2? 競(jìng)賽可以開闊學(xué)生眼界，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的綜合能力

比賽之前，學(xué)生需要閱讀大量設(shè)計(jì)資料，并從整體入手確定整車的設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如計(jì)算阻力矩，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向輪結(jié)構(gòu)，定位驅(qū)動(dòng)輪。學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合已學(xué)理論知識(shí)，加深對(duì)教材內(nèi)容的認(rèn)知。參賽期間，很多學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，獨(dú)辟蹊徑，根據(jù)自己的想法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并獲得場(chǎng)內(nèi)外專家的一致認(rèn)可。比如在無碳小車上，有的學(xué)生創(chuàng)新性地引入變滑輪、微分頭機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行主、從動(dòng)設(shè)計(jì)，降低加工安裝誤差對(duì)小車運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，提高調(diào)試效率。

在制作過程中，學(xué)生需要操作機(jī)床、3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等機(jī)加工設(shè)備，一步步地將設(shè)計(jì)理論付諸實(shí)踐，滿足小車的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)小車時(shí)，學(xué)生需要對(duì)方案的可行性進(jìn)行詳細(xì)研究，同時(shí)要確定生產(chǎn)工藝、裝配方法、材料選購等問題。比賽讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)必然要保證“設(shè)計(jì)科學(xué)，制作優(yōu)秀”，才可以達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。借助此次競(jìng)賽，不僅開闊了學(xué)生的視野，而且讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到勞動(dòng)成果不容易取得，體會(huì)了勞動(dòng)的艱辛，強(qiáng)化了對(duì)工程素養(yǎng)的認(rèn)知。

2.3? 競(jìng)賽拓寬了學(xué)生的思維方式，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)意識(shí)

正式比賽之前，組建包括理論教師和實(shí)踐教師的教師隊(duì)伍，負(fù)責(zé)相關(guān)指導(dǎo)工作，所有人員在小車設(shè)計(jì)過程中始終保持相互交流、相互配合。開始比賽后，理論教師根據(jù)命題要求確定設(shè)計(jì)目標(biāo)、計(jì)劃與內(nèi)容，將不同的任務(wù)分配到各小組并確定完成時(shí)間；實(shí)踐教師對(duì)各小組參賽人員的操作進(jìn)行監(jiān)督與指導(dǎo)，學(xué)生可向指導(dǎo)教師表達(dá)自己的設(shè)計(jì)想法。每?jī)芍?，學(xué)生需要匯報(bào)工作進(jìn)展并確定未來工作計(jì)劃。每名學(xué)生都需要提出小車設(shè)計(jì)方案，并通過小組討論的方式從多種設(shè)計(jì)理念中挑選出最后的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)時(shí)，指導(dǎo)教師不能過多地干涉學(xué)生的想法，并鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，探索新的工藝和方法，有意識(shí)地把自己的想法融入創(chuàng)新中，滲透到小車的設(shè)計(jì)中。在開展工程訓(xùn)練教育之后，組織的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽將直接考查學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，為引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多學(xué)科、多專業(yè)的學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。

3? 依托UEPIAC的大學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)實(shí)踐

借助開發(fā)勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車，學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到具體對(duì)象上，經(jīng)歷包括在明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)導(dǎo)引下列出問題、分析問題、提出方案、優(yōu)化方案、進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和歸納等流程的訓(xùn)練過程。勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程表現(xiàn)為一個(gè)多學(xué)科交叉項(xiàng)目任務(wù)，在實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)期間除了需要學(xué)生靈活利用好所學(xué)理論知識(shí)外，還需要學(xué)生具有跨專業(yè)的知識(shí)提取與綜合利用能力。以下列出一些措施來提升大學(xué)生的工程素質(zhì)水平。

3.1? 以競(jìng)賽為導(dǎo)向，深入貫徹“做學(xué)融合”的工程實(shí)踐教學(xué)理念

通過工程訓(xùn)練，將學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)與專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)互相融合，做到“做中學(xué)、學(xué)中做”，讓學(xué)生在重新認(rèn)知教材知識(shí)基礎(chǔ)上鍛煉動(dòng)手能力，有效地克服實(shí)踐與理論相互分離的傾向，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)?！白鰧W(xué)融合”較好地體現(xiàn)了研究型工程訓(xùn)練的實(shí)踐性、先進(jìn)性和綜合性。為真正地做到“做學(xué)結(jié)合”，設(shè)計(jì)工程實(shí)踐教育體系框架，完善實(shí)踐教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案等教學(xué)文件，保證教學(xué)理念落到實(shí)處。

3.2? 實(shí)施基于實(shí)例研究式學(xué)習(xí)為中心的案例教學(xué)方法

實(shí)例研究式學(xué)習(xí)方法是以零件為實(shí)例，對(duì)零件進(jìn)行深入剖析，從材質(zhì)、加工工藝、裝配、調(diào)試等環(huán)節(jié)分別進(jìn)行分析，編寫出工藝過程，然后自己動(dòng)手操作加工。該方法不單單是對(duì)學(xué)生觀察和分析問題的能力進(jìn)行培訓(xùn)，也能活躍學(xué)生思維，拓展學(xué)生的視野。在工程實(shí)踐的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都以富有工程內(nèi)涵、能夠激發(fā)學(xué)生興趣的代表性實(shí)例為載體，設(shè)計(jì)“知識(shí)準(zhǔn)備—基本訓(xùn)練—拓展訓(xùn)練—思考感悟”四環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的工程訓(xùn)練運(yùn)行模式，讓學(xué)生的綜合能力得到鍛煉。將學(xué)科競(jìng)賽與工程實(shí)踐環(huán)節(jié)相互融合，推行包括“概念—設(shè)計(jì)—產(chǎn)品”的全周期開放學(xué)習(xí)過程，向?qū)W生提供自主學(xué)習(xí)、思考學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的工程意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新理念，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

4? 結(jié)束語

通過大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽創(chuàng)造工程素質(zhì)教育的優(yōu)良環(huán)境，推動(dòng)工程實(shí)踐的教學(xué)模式、教學(xué)方法進(jìn)一步優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、合作意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)。大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競(jìng)賽凸顯的綜合性特征，對(duì)工程實(shí)踐訓(xùn)練教學(xué)改革起到積極的導(dǎo)向作用，推動(dòng)培訓(xùn)和比賽有機(jī)結(jié)合，有計(jì)劃地鍛煉學(xué)生的綜合能力?？偠灾瑢W(xué)生工程能力與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)不是僅僅通過專業(yè)課程教學(xué)就能實(shí)現(xiàn)的，科技賽事對(duì)鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力具有不可替代的作用。借助滲透于工程訓(xùn)練比賽期間的實(shí)踐教學(xué)，不但可以提升學(xué)生對(duì)專業(yè)技術(shù)知識(shí)的掌握與理解，而且可以提高他們對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，實(shí)現(xiàn)以人才培育為根本任務(wù)的工程素質(zhì)教育，有效提高人才培育質(zhì)量。

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