与机械创新大赛对接的“工程图学”项目教学研究

陈 全，朱希夫

（武汉华夏理工学院，湖北武汉430223）

0 引言

由教育部、财政部举办的全国大学生机械创新大赛（2004年为首届）［1］对培养学生的创新精神，锤炼学生的实践能力与团队意识提供了重要的教学方式。该比赛积极推动并强化了工科大学生的素质教育，吸引和鼓励广大学生参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造了条件。大赛的选题紧密结合时代社会热点，在改善人们的生活中扮演着一定的角色，但是将优秀作品引入“工程图学”教育并未引起足够重视，来自学生中的优秀教学资源未能充分利用，如表1所示。

随着教学改革的不断深入，“工程图学”课程理论学时不断减少，加上学生工程实践知识不足，使我们的人才培养质量与工程技术发展的期望相比，仍然存在一定的差距。“工程图学”如何改革教学方法和手段，适应新时期的人才要求，培养现代企业欢迎的工程技术人才，是制图课程的教师们一直在探讨的课题。笔者在2015 级机械制造及自动化专业的“工程图学”教学中，将机械创新大赛与“工程图学”教学相结合，有所感悟和收获。

表1 历年“大学生机械创新设计大赛”的主题和内容统计

1 选择项目的基本原则

选择合适的项目是项目教学成功的前提条件，也是实现项目教学效果的关键所在。选择项目时，主要遵行如下原则。

1.1 针对性原则

针对性是指项目针对的教学对象和教学内容应该贴近机械创新大赛要求。“工程图学”所具有的工程性的特点，最终表现和应用形式是零件图和装配图。因此，选择的项目和实施过程中，项目设计目标应包含机器设计的基本过程，包括机器或部件实现功能的原理、实施方案、结构设计、零件表达、材料选用、加工方法、技术要求、最终完成零件设计和装配图的绘制，与大学生机械创新大赛的要求基本一致。

1.2 完整性原则

完整性是指项目本身应包括机械设计的一般环节，所需知识尽可能涵盖“工程图学”全部教学内容，并自然、有机地结合多项知识点，合理地综合若干教学模块。将项目教学的全过程与“工程图学”教学的知识结构紧密结合，有利于学生掌握并应用所学的知识解决具体的问题，使技能和知识得到迁移，从而调动学生学习的积极性，提高学生的学习效率。通过对项目的分析，引导学生的积极思维，牵引学生完善知识结构，主动将理论知识与实际项目相结合，建立起一套适合自己的完整而又严密的逻辑思维方法和思考问题的方式，以提高学生分析问题、解决问题的能力，进而提高综合素质。

1.3 可行性原则

首先，项目应该可行，其难易度要针对学生实际的认知水平和能力水平，使学生有自我发挥的空间，并通过自己的努力有能力完成项目的可能性。如果项目难度很大，学生很容易知难而退，不利于自信心、成就感、学习兴趣的培养。其次，项目要有一定的挑战性，应给学生一定的压力，需要学生综合运用各种知识和灵活的技巧来处理，但不能太复杂，要量力而行，毕竟大学一年级学生的专业知识和设计能力都有限。笔者于2015年在“工程图学”教学引入了机械设计创新大赛的设计题目——“纸硬币进料装置”作为项目教学主题。在学生所学的现有知识基础上，通过必要的知识扩展，对该项目进行分析，让学生们有能力完成项目设计。将学生们分成5个小组，根据学生们提出了的结构方案进行讨论，最终确定了一种设计方案参加比赛［2］，也让学生们在项目实施和完善过程中享受成功的快感，如图1所示。

1.4 启发性原则

参与项目的学生，由于身体素质方面、感知方面、智力发展方面以及其他各种能力方面的不同，必然存在个性差异。因此，项目教学没有绝对正确的标准。学生在教师的指导下参与进来，深入项目，体验项目角色。教师要做的只是激励创新、鼓励求异，目的在于启发学生独立自主地去思考、探索，启发学生建立一套分析、解决问题的思维方式。学生根据自己所学的知识，得出自己的结论，殊途同归。

图1 进料装置简

此外，项目尽可能真实和便于操作，目标明确，重点难点分散，项目最好来源于生活，具有客观性和真实性，使学生看得见，摸得着，并符合学生特点，符合机机械创新大赛规则。

2 项目与教学的融入

2.1 项目的切入

在项目教学中，注重的不是最终的结果，而是完成项目的过程。这一过程从什么时候开始，并无根本的原则要求。但考虑学生完成项目的知识积累需要时日，项目切入宜早不宜晚。因此，笔者在讲授课程概述时，提出参照全国大学生机械创新大赛的要求，结合“工程图学”课程的学习，进一步提出“纸币和硬币的分类装置”的项目。由于命题新颖，有一定的实用价值，很容易吸引学生注意力。并告知学生，机械创新大赛对工科学生的影响和作用，使学生意识到完成项目的过程实际是大学生机械创新大赛的预演，更能激发学生的参与度和创作热情。

2.2 项目分解

尽管任务明确，学生也有极大的参与热情（至少开始阶段如此），但根据学生现有的知识，他们并不知道应解决哪些问题，从哪儿开始，如何着手。如果这些问题不解决，学生必然知难而退，无功而返。因此，将大项目分解为一系列学生力所能及的小项目，为他们“绘制”一个完成任务的“路线图”是必需的。

如：功能→原理→机构→造型→零件设计→材料及要求→如何装配

2.3 教学同步

项目的“路线图”已明确，需要哪些知识解决，这些知识如何获得，都需要老师给予指导。例如，如何将纸币和硬币分开，这是学生首先要解决的问题。教师可及时引导学生从机械原理机构部分寻求答案（不是系统学习，只是根据需要学习），并在介绍有关国家标准时，适时推出运动副的表示方法。

在学生初步掌握了机构的知识后，适时组织讨论，从而确定机构。实际结果是学生提出很多不同的机构。

在总体结构讨论时，学生的思路也是丰富多彩的。如有的学生提出振动的方式，有的学生提出风吹的方法，还有的学生提出网状滚动的方法，充分显示了创新思维的活力四射。

其他课题的解决，基本与教学内容同步即可，如表2 所示。例如讲组合体时，引导学生完成构件设计，学习表达方法时，指导学生各构件的表达等。

学生根据机械原理知识，确定了机构运动简图。如何将机构运动简图、图线和符号转化为实体零件，该内容可在讲授“组合体和零件图”的内容时完成构型设计。零件设计完成后，将进行装配设计。因此，装配图及时登场。

在实际设计过程中，通常是先设计机械总装配图，再根据《机械制图》国家标准，由装配图拆画成若干个零件图，经过校对审核各零件之间是否发生干涉和零件图拼装，最后由零件图组装成装配图。考虑学生的工程实践经验和工程设计能力的现状，将顺序作了调整。在介绍如何拆画零件图时，给学生作特别说明。

2.4 自我完善

项目教学没有固定模式，而是需要自己思考、创造，使得枯燥乏味的教学内容变得生动活泼，而且项目教学的稍后阶段，每位学员都要根据自己和他人的方案发表见解。通过这种经验的交流，可取长补短，提高人际交流能力，同时也起到一种激励的效果。

表2 项目与教学内容匹配

另外，所选项目中涉及的知识点比较多，仅靠“工程图学”的知识不能满足设计的要求，需要学生们学习一些课外知识，如电路控制、材料选用、技术要求、加工方法、虚拟设计等内容，引导学生主动学习。

“纸币和硬币的分类装置”项目的最终设计方案如图2所示［2］。

3 与创新大赛对接

“工程图学”的项目教学基于机械创新大赛，达到培养学生的创新能力，激发创新潜能的目的。通过创新项目发明成果、专利技术、研究报告等实例，吸引学生踊跃参加课外科技活动。引导学生把握创新设计的过程和方法，了解机械创新理论、图学知识在创造发明中的应用。

“工程图学”的项目教学所选项目小而全，难度不大，在老师的指导下，学生通过努力，部分学生完成了项目设计。一个流程走完，学生对枯燥的零件设计、名目繁多的技术要求、不同零件的制造方法和装配图的表达方法等有了更深的认识，为机械创新大赛打下了良好的基础。

2015 年，全国大学生机械创新大赛组委会颁布了第五届机械创新大赛的主题和内容，给学生带来的机遇。曾经在“钱币的分类、清点、整理机械装置”的项目教学中完成一个流程的三名学生，紧紧把握竞赛主题：“服务社会——高效、便利、个性化”，在“钱币的进料装置”和“纸硬币的分拣装置”的基础上，通过延伸和扩展各硬币（1元、5角、1角）的分拣、硬币包装等功能，以“钱币的分类及包装系统的设计”为项目与大赛对接，参加2016年全国大学生机械创新大赛，一举夺得湖北省一等奖和全国二等奖，并取得了一项国家实用新型专利和一项国家发明专利。

4 意义与作用

项目教学的方法，是以图学教学为基础，培养工程实践能力和创新能力为核心，项目为纽带，机械创新大赛为结合点，将理论知识和实践动手能力统一起来，培养一批学科尖子生，然后以他们为榜样，达到以点带面的效果，从而提高学校整体教学质量和学生综合设计能力，实现教学相长。

4.1 提高了学生的综合能力

项目教学为学生创造了一个空间、搭建了一个平台，他们可自己去创造、设计未来，去做他们想做而且应该做的事情。学生在项目实践过程中，理解、把握和应用课程要求的知识和技能，体验创新的艰辛与乐趣；掌握了如何面对问题、分析问题和解决问题的方法；培养了学生搜集信息、分析和利用信息的能力；增强了学生的团队意识和协作、合作能力。

图2 纸币与硬币的分类装置

4.2 构建和实施了工程制图的创新教育模式

传统教学主要针对本课程的内容开展教学，学生创新设计能力疲软。项目教学以机械创新为基础，将工程知识渗透到图学教学中，使学生能尽早了解工程概念，将创造性思维和技法应用到图学教学中，从基础课角度展示创新设计的规律、探索了重构课程体系的途径。项目教学的开放性、启发性的教育特征，能帮助学生构建起以合理知识结构为主要内容的一种全新的教育模式。

4.3 拓展了图学教学口径

项目教学以项目为载体，突破传统制图的范畴，将理论教学向设计方向拓展。在国家标准教学中，简要介绍机构运动简图的表示法；在零件图、装配图教学中，扩展机械设计方法，强化零部件的设计内容。通过项目分析，使学生了解机、电、液组合的运动、控制和应用，使学生学会如何运用和学习新知识、新技能的方法。

创新作品相对完善，功能、原理、结构、控制、材料、制造方法一应俱全。在项目的驱动下，学生必须主动利用课外时间，通过学习和调研，完善相关知识。

4.4 挖掘了丰富的教学资源

两年一届的机械创新设计大赛，产生了很多优秀作品，这些作品来源于学生，根在学生，具有浓厚的生活气息。同时，作品相对独立，自成体系，将其与图学教学相结合，是难得的培养学生工程知识学习和设计能力的优质教学资源，稍加提炼，即能发挥意外作用，取之不尽，用之不竭。另外，由于学生一般无工程实践经历，认为设计是高不可攀的事，信心不足和热情不高是教学中必须面对的问题。因此，我们的教育体制、课程设置、评价标准应更显宽容，应允许差异，激励求异，教学中应该力求解决心有余而力不足的困境，引导学员注重能力。

总之，项目教学的出发点是调动学生学习的积极性和主动性，促使学生通过项目的实施来掌握教学内容，是加强实践教学的一种尝试，有利于提高学生创新能力，动手能力，为学生机械创新大赛打下良好的基础，为参与者创新之路起好步，开好头。