以学科竞赛为平台培养学生的工程素养和能力

梁国栋 霍海涛 焦志勇 刘媛

[摘 要]研究将全国大学生工程训练综合能力竞赛与工程训练教学相结合，把竞赛项目当作实际产品开发的工程项目，作为学生工程训练的工程背景。通过撰写产品开发任务书、研究制订设计方案、制订项目实施进度计划、明确质量标准、采取合理的产品质量控制措施、运用软件模拟仿真、编制零件加工工艺过程卡片、动手操作加工、装配调试验证以及团队建设和竞赛选拔等，实现相对完整的工程过程。按照“新工科”人才培养模式，从多方位、多角度实现对学生工程素养和工程能力的培养。

[关键词]工程训练；工程能力；工程素养；工程意识

[中图分类号] G645 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0148-04

全国大学生工程训练综合能力竞赛，在全国各类大学生科技创新竞赛中越来越受到关注和重视。以“竞赛为人才培养服务，竞赛为教育质量助力，竞赛为创业就业引路”[1]的竞赛宗旨为指引，通过赛事的“小制作、大思维”特色题目，可为培养学生的工程素养和工程能力搭建平台。将工程训练教学与竞赛训练相结合，引入实际产品开发的工程项目为工程背景，以达到深化工程实践教学改革，提升大学生的工程实践能力、动手能力、质量意识、创新思维和团队合作意识，提高高等工程教育质量的目的。

工程能力指的是人们运用知识解决工程实际问题的综合工作能力。工程素养是指从事工程实践的工程技术人员面向工程实践时所具有的潜能和适应性。工程素养和工程能力往往是紧密结合在一起的。工程素养与工程能力的形成，不是知识的简单综合，而是一个将知识要素与素质要素相融合的复杂渐进过程。在融入产品开发工程思想，以竞赛为平台的工程训练环节中，实现“学中做、做中学”[2]，从多方位、多角度实现对学生工程素养和工程能力的培养。

一、通过团队建设培养团队合作的工程素养

所谓团队合作，指的是一群有信念、有能力的人在特定的团队中，为了一个共同的目标互相支持、合作奋斗的过程[3]。这里的团队合作还包括教师与学生之间的合作，在竞赛训练过程中，营造互助、团结、融洽的师生合作氛围，可以激发学生的潜力，教师的赞赏可以有效激励学生加倍努力。

工程能力竞赛具有综合性，跨学科跨专业，所涉及的内容较多，涵盖知识面广。通过在子项目团队中进行选拔，组成数个竞赛团队，进一步加强学生综合能力的训练。团队成员需要根据各自的特点，协调分工、通力合作，才能完成整个竞赛项目，这就对团队合作提出了较高的要求。

天津科技大学报名参加第五届工程能力竞赛训练的学生有100 多名，每三人一组，自愿组合建立项目小组。工训中心组织多名具有丰富实践经验、精力充沛和乐于奉献的教师来建立指导教师团队。该团队的基本思路是把竞赛项目中的“8”字形小车、S型小车和电控小车拆分成若干个功能区块的单元子项目，然后把子项目下达给学生，为学生营造出一种真实的工程氛围，同时由指导教师开展研究式教学。学生们组成一个个小型的“新产品”研发团队，团队内部每个成员都要参与“新产品”的构思、设计和加工。同时，每个学生还各自担任设计、工艺、生产和检验等不同的角色，在整个研制、生产、调试过程中，他们在指导教师的监督指导下各行其责，既有分工又有合作。

这样以项目为背景的工程训练，给团队成员间的学习交流提供了平台，可以激发他们互相学习的积极性，还能够培养他们团队合作的精神与能力，使他们发现自身的优点和不足，从而更主动有目的地学习。

二、撰写产品设计任务书，明确工程目标与项目方向

产品设计任务书又称产品设计说明书，是预先对某一产品设计项目提出具体任务、指标、原则、要求的任务性文件[4]。它是设计人员根据技术发展水平和需求，对待生产、待开发的产品或新产品提出的实用技术文书，内容涵盖具体设计任务、产品原理、结构、性能、技术指标、用途范围和使用要求、质量检验标准等。

在这个环节，指导教师依据命题和赛规要求，把“8”字形小车、S型小车拆分为动力、传动、转向、轮行和微调等模块。电控小车除了把机械结构分成若干模块外，还把电控机构分成程序项目、主电路、电源管理、传感模块、电动执行等主要模块。

指导教师帮助学生建立每一个模块就是一个项目和一个产品的概念，明确和认识每个模块要实现的功能和将要达到的技术指标以及详细的质量要求。学生通过查阅机械和电路相关标准，设定关键部位质量控制指标（例如旋转零件的平衡矫正、电路的最高功耗等），撰写产品设计任务书。

各个小组选择感兴趣的模块，同样的模块可能有几个小组选择，有的模块可能没有小组选。对于没有人选的模块，指导教师负责适当地引导，学生依照产品设计任务书的模式，写出该模块项目的产品设计任务书。

这是一个富有工程内涵并能够激发起学生兴趣的教学过程，对分析问题、解决问题既起到引领作用，又有助于明确新知识、新技术的学习方向，为引导学生从事创新开发项目奠定能力基础。

三、研究制订设计方案，拓展学生的创新型工程能力

在鼓励学生探索、讨论、形成研究方案的过程中，指导教师要适当介入，就以前的优秀“无碳小车”进行分析，对国赛方案进行解读，帮助所有的子项目组明辨所承担部分的设计方向，少走弯路，鼓励开展创新与改进方案。

通过运用所掌握的机械类专业和电类专业的相关理论知识，学生对本小组的项目任务进行具有创新性的概念构思、功能定位、结构设计、电控设计等。

每一代作品虽然在原理上大同小异，但是其结构和设计思路都有着许多的不同，外观看似大致相同，但是运行起来的效果却是不同的。通过分析前几代作品，厘清前几代作品的设计思路，从材质、加工工艺及路线、热处理、表面处理、传感器设置、信号采样、芯片选择、装配调试等方面梳理出成功的经验与存在的不足。设计新一代作品时，在进行受力分析、结构布局分析和运动分析以及电路布局过程中，开拓创新思维，开展迭代创新，尝试提出改进方案。对一些從多角度提出的方案，鼓励学生通过实践去验证最佳方案。比如在设计轮行机构时，学生设计出以下四种方案：一种是双轮同步驱动，一种是差速器双轮差速驱动，一种是单向轴承双轮差速驱动，还有一种是单轮驱动。

由于这四个方案都有各自的优势与不足，指导教师引导学生将其分别作为模块项目，由四个小组进行设计、制造，然后进行装车验证。通过实践试验，差速器双轮差速驱动和单轮驱动较另两种方案优势明显，综合分析讨论后学生选择了单轮驱动方案参加竞赛。

每个项目模块虽然小，但这个面向全体培养的过程，可让参加训练的学生都有机会得到工程能力和工程素养的培养。最终指导教师会在完成模块项目的优秀团队中通过考核和答辩选拔组建数个竞赛团队，并以整车为项目，按照工程规范进行培养训练，参加校内运行比赛，从而使这些学生的工程能力得到进一步提升。

四、制订项目实施计划，培养学生的工程管理素养

制订项目实施进度计划，属于工程管理的范畴，学生按照指导教师确定的各项目模块完工时间，各小组细化分解任务，制定分解任务完成时间表，也称为“项目进度计划”。它包括模块项目中每项具体工作的计划开始日期和预计完成日期。

在工程领域，进度控制是工程项目实施阶段的重要内容，项目进度计划是项目施工组织设计的中心内容，它要保证项目工程按合同规定的期限交付使用。

按进度计划有效控制项目的工期节点，是实现项目管理目标的主要途径。在整个项目实施过程中，任何一个团队和团队中的任何一名成员，都要按计划的时间节点完成各自的任务，否则整个项目无法按期完成。学生的班级不同，课余时间也不同，为了能够在有限的时间内平衡项目的多种矛盾要求，实现共同目标，需要学生对时间进行规划。能否按照时间节点保质保量完成任务，将作为竞赛团队选拔考核的条件之一。

在项目推进过程中，项目例会是一种非常重要的管理工具，也是一种非常高效的沟通形式。学生可以了解整个训练团队的工作情况，可以反映问题寻求支持，可以沟通进展状态、协调进度、分析质量问题等等，促进各项目组提高执行效率，追踪各项目组的工作进度，推动项目按计划进度顺利进行。在这个过程中，对于如何控制好例会的议题或议程，学生可以找指导教师进行指导和示范，避免有可能造成沟通效果不理想及人员与时间浪费等问题。

通过指导学生制定项目实施进度计划和建立项目例会制度，要求学生必须围绕项目进度计划要求，对各项工作进行时间和逻辑上的合理安排，建立和强化工程工期和节点意识，学会分析质量问题和采取有效的质量控制措施，培养其统筹安排时间和掌控进度等的基本工程素养。

五、运用软件模拟仿真，培养学生运用现代设计工具的工程能力

具有仿真与虚拟现实技术的三维仿真软件在现代工程运用中越来越广泛，利用这个技术可以清楚三维物体中各点受力的大小，也可以任意变换角度去观察，这样就使设计者的思维更加直观形象化，概念也更易于理解。三维仿真软件的应用，不仅可以减少工程设计过程中的重复工作，还可以提高工程设计、生产等过程的可视化程度，极大缩短项目开发周期。

学生按照项目实施方案，运用三维软件进行仿真分析技术设计。先对承担的项目模块进行理论分析，建立数学模型，进而得出具体参数，并构思和设计草图，接着按照草图在软件中完成零件的实体建模，最后各组对所承担项目的零件进行装配。

经过选拔后的竞赛团队，还会进一步用三维软件将零件组装成机构，整合成无碳小车模型，并通过分析小车的运动规律建立运动学模型，确定小车整体结构和各零部件及机构之间的运动学关系，进行系统运动仿真。

通过仿真运动的试验，很容易找出设计缺陷，还可以很方便地修改设计参数。例如，观察转向传动装置中曲柄滑块连杆机构的滑块，在方向控制盘曲线凹槽中滑动，控制小车导向轮进行周期性摆动，走出S型理论轨迹的模拟仿真，就可以通过不断修改方向控制盘凹槽的曲线参数，减小小车走出的轨迹与设计轨迹的差异，使其趋近最佳轨迹。

完成模拟仿真以后进入出图环节。在教师的引导下，各项目组的学生按照图纸规范，对零件图进行尺寸和公差、技术要求等标注，将三维图、装配图、爆炸图、零件图打印汇总，装订成卷图，用于后续的生产制造和装配调试。本环节旨在培养学生运用现代设计工具的工程能力和按照规范进行标准化设计以及整理工程资料的工程素养。

六、加强生产过程的标准和质量意识，培养学生解决工程问题的能力

在这个生产制造环节，要求各项目组运用掌握的机械加工知识，对要加工的零件图纸进行工艺分析，编制零件加工工艺过程卡片。工艺卡片中，学生要按照工艺卡片标准编写工艺过程，详细具体地写出从下料开始到加工结束去毛刺的各个工艺环节，明确每道工序需使用的设备、刀具和工具，写清每道工序要加工到的尺寸及公差带，以及合理编排工序之间的质量控制过程，标出必须要设置质量检验的关键工艺环节。

学生设计的图纸往往没有工艺性，也就是常说的画得出来做不出来的情况。指导教师针对设计和图纸问题进行讲解，比如典型结构的工艺设计、公差配合的选取和形位公差标注的依据等，引导学生思考感悟其中的工程内涵，体会零件加工的系统过程和具体方法[8]。学生为了减小在加工过程发生明显错误的可能性，可以请教指导教师对图纸和工艺卡片进行审核和指导。这样既可以培养学生编写工艺过程卡片的工程能力，解决设计加工中存在的问题，又可以培养学生的自主学习能力。

在学生自己动手操作加工过程中，指导教师还需要在完善和调整零件加工工艺、加工技术、安全监督等方面加强指导，不仅要让学生“学得会 ”，还要让学生懂得学习和思考的方法。

装配是小车制造的重要环节。学生根据设计文件的装配图进行组装，多数情况下是不能一次装配成功的，甚至有的零件要修改尺寸重新加工。学生通过多次拆装切实体会到“公差配合”“形位公差”的真正含义，以及零部件的精密型对产品的重要意义。装配结果的好坏直接关系到小车的整体运行性能。

小车在调试运行初期，往往是走不出理想的设计轨迹的，学生很容易丧失信心，教师要及时对学生予以鼓励，以维持学生持续的研究热情。也需要指导教师结合设计任务书中的目標参数，引导学生潜下心来耐心调整。比如，电车就需要调整传感器位置和布局，修改程序等等，机械小车需要调整转向机构，微调零点几毫米小车运行轨迹就会有很大变化。经过反复调试，最终达到理想的设计目标。

综合能力竞赛项目的创新过程是一项高度复杂的学习过程，往往需要通过对多种不同的方案进行比较和实验，才能达到最优效果。通过引导学生在实践中发现问题，在理论学习中找到解决问题的方法，再回到实践中去解决问题的工程训练过程[9]，培养学生的创新性工程能力。通过按照标准化生产制造过程进行规范的加工生产，培养学生严谨认真、精益求精、追求卓越的“工匠精神”。

七、通过竞赛和竞争性选拔，培养学生的竞争意识

竞争意识是工程意识中的一个非常重要的部分，它有助于学生奋发图强，不甘平庸，追求卓越。

组织各种级别的竞赛，在竞争意识的培养等方面的确发挥着独特的作用。培养竞争意识而不是好胜心，可以激发学生的积极性和主动性。无论成绩如何，所有参与者都收获很大，不仅在工程能力方面受益良多，而且培养了不怕失败、屡败屡战的心理素质，进一步提高了工程素养。综合能力竞赛是提高学生工程创新能力[10]和工程素养的有效途径。

八、结束语

工程意识是工程师最重要、最基本的素质之一[11]。高校的工程训练是帮助学生树立现代工程意识的重要教学环节[12]。充分利用具有鲜明工程背景的工程训练竞赛作为工程训练实践平台，结合工程训练实践教学，把传统的工程训练教学向更高的层次推进，推动工程训练的教学理念、教学方法和教学模式的进一步改革，培养学生包括创新精神、规划能力、应用能力、实践能力、管理能力、合作能力在内的一系列工程能力和工程素养，遵循 “新工科”人才培养模式，培养具备解决复杂工程问题能力的卓越工程技术人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 徐漫琳.关于独立学院参加工程训练综合能力竞赛的研究[J].科教文汇，2013（22）：63-64.

[2] 朱俊华.以大赛为导向，提升大学生工程训练综合能力[J].价值工程，2014（21）：283-284.

[3] 王湘江，杨毅.基于工程训练能力竞赛提升学生科技创新能力的研究[J].中国教育技术装备，2014（4）：64-65.

[4] 赵东元，查长松，雍明远.科技写作[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5] 徐岩，佟岳军，陈彦国.自动绕障无碳小车的设计[J].现代企业教育，2012（21）：281.

[6] 艾孝杰，汪朝晖，苏磊，等.重力势能驱动方向控制无碳小车的设计[J].机械设计与制造，2016（4）：157-160.

[7] 刘旋坤，李卫国，王利利.S型路线无碳小车设计[J].机电信息，2016（15）：133-134.

[8] 韩同样，邢书明，张若达，等.研究型工程训练模式的探索与实践[J].实验技术与管理，2011（3）：253-255.

[9] 张亚利，邓海祥，于兆勤.依托工程综合能力竞赛培养学生创新能力[J].实验科学与技术，2014（4）：163-165.

[10] 田杰，鲍宏，周小帅.工程训练综合能力竞赛中创新人才培养机制探讨[J].实验技术与管理，2016（12）：17-20.

[11] 高雅.工科大学生的伦理素质及培养研究[D].长沙：中南大学，2010.

[12] 梁峰，赵树国，王亚杰，等.在工程训练中培养大学生的工程意識[J].沈阳航空航天大学学报，2013（S1）：84-87.

[责任编辑：庞丹丹]