创新方法与第二课堂并举的机械类创新应用型人才培养模式研究

2022-03-17张争艳戴士杰何艳

黑龙江教育·理论与实践 2022年2期

张争艳戴士杰何艳

摘要：文章提出了创新能力与工程系统实践能力相融合的人才培养理念。基于该理念，以第二课堂为平台，围绕机械产品研发全过程，构建创新方法与第二课堂并举的机械类创新应用型人才培养模式，提升本科生的创新能力、工程系统意识及工程实践能力，促使大学生成为高素质、强能力的机械类创新应用型人才。

关键词：创新能力;创新方法;第二课堂;人才培养模式

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2022）02-0028-04

随着现代社会科技和经济的飞速发展，工程问题更加复杂化，对工程技术人员的要求也越来越高。为适应现代社会科技的飞速发展对人才的高要求，美国工程教育界提出“大工程观”和工程教育要“回归工程”的教育理念[1]，强调工程实践是培养人才的根本，是培养具有创新能力的高级技术人才的关键和有效途径[2]。当前，国际工程教育（《华盛顿协议》）突出强调以学生为中心、以学生学习成果为导向进行教学过程的设计和实施，关注学生解决复杂工程问题能力的培养、学生的学习效果和高校培养的学生能否符合社会和企业的人才需求。

基于工程教育认证理念和新工科建设[3]，乔国朝等研究了新工科背景下机械专业人才培养模式改革，并进行了实践[4];邱瑛等进行了回归工程背景的课程内涵研究与建设[5];王新荣等研究了应用型人才培养实践教学体系和人才培养模式[6-8];魏效玲等提出机械设计及其自动化专业创新创业教育体系的构建和实施策略[9];曹源文等以重庆交通大学机械工程专业为对象，构建了以提高“双创”人才能力为核心的三级理论知识平台和四级实践教

学平台[10]。以上研究从不同侧面体现了高等院校人才培养是第一要务。高等院校人才培养主要依托第一课堂（课

内）和第二课堂（课外），第二课堂是第一课堂的有效补充，可以为学生提供工程实践的平台和机会，有利于学生创新能力的培养。

目前，大部分高等院校机械类专业课程设置中没有创新方法相关课程，少数高等院校虽然开设了创新方法相关课程，但主要集中于理论学习方面，缺少依托机械产品研究全过程应用相关创新理论的实践，难以提升学生的创新设计能力。在实践环节的学习中，学生的精力主要集中于详细设计阶段的结构设计、数值计算与优化设计过程中，对概念设计阶段的产品设计方案、原理创新活动涉及较少，对技术创新实现规律涉及很少，涉及领域知识较窄。而产品的概念设计阶段有很大的创新空间，产品质量的70%均由此阶段决定，因此，学生创新能力的培养必须重视提高其概念设计能力。然而，目前的教学体系主要以理论验证为主，缺乏综合性、设计性和创新性实验，内容联系较为松散，与工程实际脱节，没有从能力、素质培养出发建立一个独立、完整的有机体系，造成学生缺少整体工程系统的概念，以及参与实际工程实践活动的经历和体验，不利于学生工程实践能力的提高和综合素质的培养。

基于此，文章提出了创新方法与第二课堂相融合的机械类创新应用型人才培养模式，依托机械产品研发全过程这条主线，融入创新方法及其理论，通过组织竞赛，激发学生的主观能动性，培养学生的创新意识、创新设计能力以及工程实践能力，促使学生“两条腿走路”，在创新和实践的道路上远航，促使其成长。创新应用型人才培养模式能够提升学生课余时间的有效利用率，指引学生走進充实的第二课堂。

一、创新方法

创新应用型人才培养模式所述创新方法主要是河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心的创新方法（TRIZ）。该创新方法在理论研究方面已形成TRIZ、破坏性创新、功能设计、复杂性理论、产品平台设计、专利规避设计等富有特色且具有优势的研究方向，建立了一种面向中国企业创新需求的技术创新方法体系。

TRIZ发明问题解决理论，是前苏联根里奇·阿奇舒勒（Altshuller G S.）及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国大量专利的基础上，归纳总结出的指导创新的最佳理论。TRIZ分析方法包含的分析工具有[11]：功能分析、冲突分析、物质—场分析、理想解分析和资源分析，这些工具用于问题模型的建立、分析和转

换。TRIZ理论由以下九大部分组成：技术系统的八大进化法则、最终理想解（IFR）、40个发明原理、39个标准工程参数和矛盾矩阵、物理矛盾和四大分离原理、物—场模型分析、发明问题的标准解法、发明问题解决算法（ARIZ），以及科学效应和现象知识库[12]。

二、人才培养模式

（一）主要内容

1.创新教学理念及教学体系

高校应以培养机械类创新应用型人才为核心，以创新能力与工程系统实践能力相融合的人才培养理念，培养学生的创新能力和工程系统实践能力;以第二课堂为平台，构建创新方法与第二课堂并举的机械类创新应用型人才培养模式。

2.整合教学内容与教材更新

（1）创新知识体系。在创新方法导师的指导下，利用业余时间，学生自学创新方法中的相关理论，学习创意产生、创意形成相关知识，逐步完善创新知识体系。

（2）以学生的创新知识体系为基础，贯穿机械产品研发全过程。指导教师启发学生从需求分析出发，拟定工程作品的功能，寻求不同的工作原理和设计方案的实现功能，运用创新方法解决工程系统中的冲突问题，潜移默化地培养学生独立分析问题以及创新性地解决工程问题的能力，实现以培养解决工程实际问题和工程设计能力为主的工程能力教育。

在教师的指导下，学生可进行方案设计、工作原理确定、图纸绘制、加工制作、设备选型、安装接线、装配调试、运行操作、故障分析等全过程的工程实践训练，从而提高工程系统意识和实践能力。

3.优化教学方法

首先，创新应用型人才培养模式不占用正常教学时间，不影响正常课程设置与专业培养计划，主要利用学生的空闲时间，通过举办各类竞赛激发学生的参与热情和积极性。其次，以第二课堂为平台，围绕机械产品研发全过程，将创新方法理论学习与工程实践相结合，构建创新方法与第二课堂并举的机械类创新应用型人才培养模式，优化教学方式，努力营造一个宽松的适合个性发展的育人环境，使学生通过启发式、探究式、讨论式和参与式的学习方式，面向项目的实践途径，达到强能力、重实践的目的。

（二）实施思路

创新应用型人才培养模式充分利用学生的空闲时间，结合学生的兴趣爱好和主观能动性，并贯穿于学生的整个大学学习期间，主要实施思路如图1所示。

1.创新方法学习及创新知识体系构建

该阶段是创新方法知识积累阶段，重点培养学生的创新意识，主要面向大一学生，在大一下半学期进行。大一新生经过半年的大学生活，逐渐熟悉了校园，此时吸纳新生进入第二课堂，在指导教师的帮助下，利用空闲时间进行创新方法相关理论体系、创新意识产生、发明问题解决原理等相关知识的学习，逐渐构建创新知识体系，为后期阶段做准备。

2.作品方案拟定、作品设计与优化

该阶段是创意产生与完善階段，重点培养学生创新意识和创新设计能力，主要面向大二学生（第一阶段吸纳进入第二课堂的学生）。在教师的指导下，利用自身储备的创新知识体系拟定作品的功能原理，并获得较为理想的设计方案。该阶段是创新性最大的阶段，学生首先要进行需求分析，通过查阅和收集大量资料，利用所学的各种专业知识、创新方法及工具，拟定具有一定功能的作品选题，然后构思设计方案和寻求工作原理能够实现拟定的功能。作品设计与优化过程主要培养学生的工程设计能力。学生需要运用所学的专业知识和绘图表达技能实现作品方案的详细设计，如绘制机械产品的结构装配图和专用零件的零件图等。

3.作品制作与运行

该阶段是作品实现阶段，主要培养学生的工程实践能力与动手能力，主要面向大三学生。在此阶段，学生需要自己选用或自行制作各种零部件，并进行作品总体装配或集成，然后调试并运行作品。学生自己编写数控程

序，并在计算机仿真加工软件中进行部分机械零件的仿真加工，利用实验室的数控车床及数控铣床等设备进行部分机械零件实际加工，还有部分零件采用外协加工，然后将实验室准备好的通用部件及标准件，如电机、气缸、滚珠丝杠副、传感器、铝型材、螺钉、螺母、轴承等与自己设计的加工零件一起装配，得到机械作品。

4.毕业设计/论文

该阶段是创新方法的二次利用阶段，强化学生的创新思维及创新方法应用与体验，主要培养学生的创新人格，主要面向大四学生。该阶段，学生在教师的指导下并依托毕业设计/论文，重复大二学年和大三学年中所经历的作品方案拟定、作品设计与优化、作品制作与运行过

程，增强了创新思维和创新体验，并最终完成学生的毕业设计和毕业论文。

三、实施案例

（一）实施过程

创新应用型人才培养模式在河北工业大学机械工程学院良好运行多年，具体实施过程如下。

1.创新方法学习及创新知识体系构建（大一学年）

创新应用型人才培养阶段主要面向第二课堂的学生进行创新方法的讲授与辅导，使学生理解和掌握相应的创新技能，建立创新知识体系，树立创新意识。

结合具体的案例讲授和实践TRIZ中的功能分析、因果分析、资源分析、思维工具、效应知识库、技术冲突解决理论、物理冲突解决理论、标准解、裁剪等相关知识，使学生掌握发现问题解决流程及其相应的技能。

2.作品方案拟定、作品设计与优化（大二学年）

该阶段在大二阶段实施，主要内容包含作品创新方案（创意产生）和作品设计与优化两个方面，即要求学生综合运用专业知识、创新方法及工具完成工程作品方案的构思，如图2所示。创意的产生主要以学生为主体，教师辅助。所采用的流程为：需求分析—功能分析—功能原理—方案构思，即学生首先进行需求分析，之后转化为功能分析，构建功能模型，并对其进行求解得到功能原理，将功能原理进行组合，确定各小组的工程作品方案。整个过程中，教师根据多年的工程经验采取集中讨论、个别指导、微信群和邮件并用等多种交流形式，帮助学生不断分析和修改，形成合理的工程作品初步方案。

方案产生后，学生采用先进的设计理念和手段，完成工程作品的详细设计，即结构方案设计—三维零件模型—三维装配体模型—虚拟仿真—方案优化—二维图纸。

在结构设计过程中，学生需要综合运用所学专业知识进行结构方案的详细设计与确定;在三维零件模型设计过程中，学生主要完成工程作品零件的结构设计以及通用件和标准件的选型工作，利用Solidworks、UG、Pro/E等三维建模软件完成工程作品零部件的三维建模;在三维装配体模型设计过程中，学生主要完成工程作品零部件、通用件和标准件之间的子装配体以及整机三维装配体;在虚拟仿真过程中，学生主要在前一阶段整机三维装配体的基础上进行运动仿真和干涉仿真，为后续方案优化提供理论依据;在方案优化过程中，学生主要依据前一阶段仿真结果以及自己的知识储备，并考虑多方面的技术、工程以及可能的冲突因素，进行分析、计算和方案优化，最终确定优化设计方案;在二维图纸设计过程中，学生主要依据工程作品零部件三维模型图，绘制二维总装图、部装图、零件图。3.作品制作与运行（大三学年）

该阶段主要进行工程作品加工、装配、调试运行。在加工过程中，针对工程作品中的部分零件，学生自己编写数控程序，在计算机仿真加工软件中进行零件的仿真加工，然后利用实验室的数控车床及数控铣床等设备进行部分机械零件实际加工，部分零件采用外协加工;在装配过程中，学生主要完成机电工程作品机械系统装配和控制系统硬件装配，其中，机械系统装配要求学生自己动

手，将加工制作的零件、部分外协加工件以及所使用外购零部件，如步进电机、伺服电机、各种气缸、滚珠丝杠副、直线导轨副、传感器、铝型材等装配成一套具有一定功能的机械作品;在控制系统硬件装配中，学生根据控制原理图与布线图进行控制柜接线与制作，自己动手接线和安装电器元器件;在调试运行过程中，学生根据工程作品动作要求编制PLC程序，并在可编程控制器PLC的仿真平台下进行仿真运行，之后，将编写好的控制程序上传到PLC中，进行机电工程作品的联机调试，得到具有一定功能的工程作品样机。

4.毕业设计/论文（大四学年）

该阶段主要集中于大四毕业设计期间，依托毕业设计再次实践大二学年和大三学年中所经历的作品方案拟定、作品设计与优化、作品制作与运行各过程。

在毕业设计总体方案确定时，学生通过需求分析、功能分析等过程，运用相关专业知识及理论、创新方法与工具进行功能求解，得到总体方案（或部件方案，或其他问题解决方案），要求学生至少提出两种以上总体方案（或部件方案），以布局图、结构示意图（二维图、三维图表达均可）等方式表达，并分析与评价各方案适应性、合理性、经济性等，确定最终方案。

最终方案确定后，学生借助现代工程工具（如三维造型软件、仿真分析软件等）进行各部件的分析与计算、总体方案的建模与仿真分析，之后进行各部件、零件的详细设计、关键元器件的计算与选型、关键结构的设计、分析与校核、作品制作与运行等。

（二）实施效果

近几年，河北工业大学项目组依据创新应用型人才培养模式指导学生参加机械创新设计大赛、iCAN国际创新创业大赛、全国大学生“创新、创意及创业”挑战赛等各类与创新创业有关的竞赛，获得了国家级一等奖2项，国家级二等奖1项，省部级特等奖等奖励20余项，直接受益学生超过200人，参与学生在创新意识、创新设计能力、工程意识、工程系统能力等各方面有极大的提高，助推部分学生保送国内985名校研究生。

创新方法与第二课堂并举的机械类创新应用型人才培养模式以机械产品研发全过程为主线，提升了学生的创新能力、工程系统意识及工程实践能力，促使学生成为“高素质、强能力”的机械类创新应用型人才，可在全国范围内高等院校机械类人才培养层面推广应用，对其他类专业人才培养亦具有示范作用和借鉴意义，为新形势下高等院校本科生培养探索出一条新路。

参考文献：

[1] 高铁红，张争艳，孙立新，等.面向工程教育认证的机械专业综合实践教学新模式[J].高教学刊，2016（20）：170.

[2] 高铁红，张争艳，孙立新，等.高校工科专业综合实践教学一体化建设研究与实践[J].高教学刊，2017（4）：13.

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1.

[4] 乔国朝，张争艳，张建辉，等.新工科背景下机械专业人才培养模式改革与实践[J].高教学刊，2020（21）：85.

[5] 邱瑛，曲云霞，张建辉，等.回归工程背景的课程内涵研究与建设——以河北工业大学测量技术及信号处理课程为例[J].河北北方学院学报，2019，35（4）：102.

[6] 王新荣，张霞，丁海娟.应用型人才培养实践教学体系改革研究[J].黑龙江教育（高教研究与评估）， 2017，71（11）：48.

[7] 曾红，王宏祥，张德强.机械专业应用型人才培养模式的改革与实践[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2015，17（2）：99.

[8] 侯志伟，陈中.本科院校应用型机械专业人才培养模式探究[J].教育理论与实践，2018，38（15）：12.

[9] 魏效玲，赵霞，冯泽民，等.基于新工科人才培养的创新创业教育体系的研究——以河北工程大学机械设计及其自动化专业为例[J].河北工程大学学报（社会科学版），2020，37（2）：95.

[10] 曹源文，徐向陽，罗家元.“双创”理念下机械工程专业人才培养课程体系探索[J].重庆交通大学学报（社会科学版），2019，19（5）：108.

[11] 张换高.创新设计TRIZ系统化创新教程[M].北京：机械工业出版社，2017：6.