依托工程实践与创新能力竞赛的大学生工程素质教育

林继铭 张勇 黄身桂 张锋

摘  要  针对大学生工程实践与创新能力大赛，将工程训练综合竞赛和素质教育建设相结合，推动学生的工程素质培养。以大赛为导向，深入而全面地执行“做学融合”工程训练的基本教学理念。在交互式教学中，实施问题分析与探索式教育教学模式，并将学科竞赛与工程实践环节相互融合，探索全周期实践创新教学模式，能够为学生综合能力的提升创造条件，逐渐培养学生的创新精神与实践能力。此项赛事的实践显著提升了学生的工程素质，是一种有效提高人才培育质量的积极探索。

关键词  工程实践；创新能力；大学生；工程素质教育；势能驱动车

中图分类号：G642.42   文献标识码：B

文章编号：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

在全球化時代，国家工业实力的提升离不开高等工程教育的支持。围绕创新驱动和制造强国战略，主动应对新一轮科技革命和产业革命浪潮，深入推进工程教育改革，全面提升大学生工程创新综合素质和能力水平。通过切实组织工程训练竞赛，将极大地提高学生的综合能力[1-3]。但在现有教育模式下，国内高等工程教育依然存在诸多缺陷。特别是在工程科学化大环境下，我国大学工科专业的人才培养明显存在一些问题，包括：重视课堂教育，不重视课外教育；对理论极其关注，但是不重视实践；课堂教学和实际要完成的工程未能保持相互对接；没有进行具体的实践教学；学生没有在这一方面进行训练和实践，不具有良好的社会适应性。

伴随科技的进步，现代工程日益表现为“目标—分析—研发—设计—制造—运行—管理”等诸多部分相互连接的工程链，而其越向前技术含量相对越高，反之则经济含量会有所增高，所以要求引入知道如何经营和管理、而且能够保持较强的经营和创新能力的人才[4-5]。从大工程观的角度来看，21世纪的卓越工程人才必须具备坚实的知识基础、较强的实践能力以及优秀的个人综合素养。传统的大学课堂教学在促进学生基础知识积累这样的任务上有良好的表现，然而要获得很好的工程实施能力与杰出的个人素养，必然需要通过具体的工程实践才能推进[6-7]。为了开发出自主核心的技术，需要培养大量具有工程性、创新性的机械专业人才。所以，在对机械人才的培养方面要以工程实践人才为中心，促进实践育人的这一目标的实现，这对大学各项事业的建设和发展也是极其重要的。

1  大学生工程实践与创新能力竞赛简介

大学生工程实践与创新能力竞赛（UEPIAC，Un-

dergraduate Engineering Practice and Innova-tion Ability Competition）是教育部高等教育司举办的全国性大学生科技技能创新竞赛活动。大赛重视考查学生利用跨学科基本理论和知识，解决面向实际问题的设计、制造与创新能力，强调工程思维、工程创新与团队合作等综合素质。比赛坚持以基础理论为根基，凸显学生的创新能力，对社会实践能力比较关注。本赛事设三个赛道11个赛项，其中工程基础赛道的竞赛题目为势能驱动车，它将砝码下落的重力能直接转换为小车行驶的动能，如图1所示。

自主设计并制作一台具有自行调整行走方向功能的势能驱动无碳小车，小车必须行驶在规定的赛道上，并且小车获得的所有能量只能由重力势能转换而来。重力势能通过自主设计制造的1 kg±10 g重物下降（300±2）mm高度获得。势能驱动车的命题充分体现了个性化发展，驱动车的能量转化形式、结构、材料、工艺、方向控制、调试方法等，都可以让参赛人员自己而定，为更好地促进大学生创新提供有力的支持。通过该赛事，学生参与研究、分析、设计、问题解决、制造、结果评价等一系列过程。此赛事需要三四位学生之间通过分工与协作来完成，学生个人的交流能力、组织协调能力、团队精神乃至管理能力都会有明显提高。

2  依托UEPIAC的大学生工程素质教育体系及相关启示

目前，本科阶段学生的专业实习主要是企业生产实习、金工实习等，然而这种以参观体验形式为主的实习也只能是让学生对零件结构和工艺有一个基本的了解，对学生实践能力的提升作用有限。机械设计课程设计是大学生唯一要动手操作的产品设计，然而目前研究对象主要是圆柱齿轮减速器，其输出成果往往就是关于该产品的设计图纸和说明书，而没有牵涉相关的设计过程，学生对机械部件、零件的设计、开发与生产，到最后实物验证其设计方案是否可行并亲自动手实践的机会相对不多。

UEPIAC赛事因为其本身所固有的工程实践特征，通过实践教学和培训的途径，便于和课程教学对接，让学生经历一个从接受知识到实践工程师转变的过程，也是提升其能力的重要手段。以UEPIAC

赛事为基础，经由实践设计、制造、调试小车等这些和实践有关的培训，必然会加深学生对教材知识的认知，促进思维发散，可以更好地促进学生掌握这些机械专业知识。同时，这样也能较好地解决好课程教学和实践相互分离的状况，进而更好地提升学生使用专业技术知识和对实际问题予以处理的能力。借助这项比赛，笔者获得如下启示。

2.1  UEPIAC竞赛的命题内容范围广，与工程实践教育的培养目标紧密结合

三天的竞赛中，学生要围绕“以重力势能为驱动，设计出能够控制方向的自行小车”的要求进行思考、设计。为锻炼学生的综合能力，提高时间利用率，学生需在现场设计与改装小车、规划路径、安装调试并最终完成比赛。命题有很强的综合性，能够全过程考查学生的工程素质，包括方案论证、结构设计、组装调试、加工工艺分析、成本分析等。利用本赛事，能够让学生对教材知识有新的理解，同时会综合考查学生的时间管理能力、设计能力、操作能力、成本控制能力，以及在“大工程”理念和思维下的综合能力。在彰显研究性、设计性、实践性的要求下，还能在训练竞赛的全过程培养学生的创新思维、动手能力、团队协作精神和综合管理能力。从竞赛的命题可知，其体现了综合型工程训练教学的内容与特点，综合考查了多个学科知识，并突出强调工程技术、工程管理的应用能力。

2.2  竞赛可以开阔学生眼界，增强学生的动手能力，提高学生的综合能力

比赛之前，学生需要阅读大量设计资料，并从整体入手确定整车的设计目标，比如计算阻力矩，设计转向轮结构，定位驱动轮。学生在设计过程中需要结合已学理论知识，加深对教材内容的认知。参赛期间，很多学生发挥创造力，独辟蹊径，根据自己的想法进行结构设计，并获得场内外专家的一致认可。比如在无碳小车上，有的学生创新性地引入变滑轮、微分头机构，对驱动轮进行主、从动设计，降低加工安装误差对小车运动轨迹的影响，提高调试效率。

在制作过程中，学生需要操作机床、3D打印机、激光切割机等机加工设备，一步步地将设计理论付诸实践，满足小车的设计指标。在设计小车时，学生需要对方案的可行性进行详细研究，同时要确定生产工艺、装配方法、材料选购等问题。比赛让学生认识到设计和生产必然要保证“设计科学，制作优秀”，才可以达成预期目标。借助此次竞赛，不仅开阔了学生的视野，而且让学生认识到劳动成果不容易取得，体会了劳动的艰辛，强化了对工程素养的认知。

2.3  竞赛拓宽了学生的思维方式，培养了学生的创新意识和团队意识

正式比赛之前，组建包括理论教师和实践教师的教师队伍，负责相关指导工作，所有人员在小车设计过程中始终保持相互交流、相互配合。开始比赛后，理论教师根据命题要求确定设计目标、计划与内容，将不同的任务分配到各小组并确定完成时间；实践教师对各小组参赛人员的操作进行监督与指导，学生可向指导教师表达自己的设计想法。每两周，学生需要汇报工作进展并确定未来工作计划。每名学生都需要提出小车设计方案，并通过小组讨论的方式从多种设计理念中挑选出最后的设计方案。设计时，指导教师不能过多地干涉学生的想法，并鼓励学生创新，探索新的工艺和方法，有意識地把自己的想法融入创新中，渗透到小车的设计中。在开展工程训练教育之后，组织的工程实践与创新能力竞赛将直接考查学生的学习成果，为引导学生进行多学科、多专业的学习创造条件。

3  依托UEPIAC的大学生工程素质培养实践

借助开发势能驱动小车，学生能够将课堂上学习的专业知识应用到具体对象上，经历包括在明确的设计目标导引下列出问题、分析问题、提出方案、优化方案、进行结果评价和归纳等流程的训练过程。势能驱动车的设计开发过程表现为一个多学科交叉项目任务，在实现这一任务期间除了需要学生灵活利用好所学理论知识外，还需要学生具有跨专业的知识提取与综合利用能力。以下列出一些措施来提升大学生的工程素质水平。

3.1  以竞赛为导向，深入贯彻“做学融合”的工程实践教学理念

通过工程训练，将学生的实践动手能力培养与专业理论知识学习互相融合，做到“做中学、学中做”，让学生在重新认知教材知识基础上锻炼动手能力，有效地克服实践与理论相互分离的倾向，激发创新意识。“做学融合”较好地体现了研究型工程训练的实践性、先进性和综合性。为真正地做到“做学结合”，设计工程实践教育体系框架，完善实践教学大纲、教学日历、教案等教学文件，保证教学理念落到实处。

3.2  实施基于实例研究式学习为中心的案例教学方法

实例研究式学习方法是以零件为实例，对零件进行深入剖析，从材质、加工工艺、装配、调试等环节分别进行分析，编写出工艺过程，然后自己动手操作加工。该方法不单单是对学生观察和分析问题的能力进行培训，也能活跃学生思维，拓展学生的视野。在工程实践的每一个环节，都以富有工程内涵、能够激发学生兴趣的代表性实例为载体，设计“知识准备—基本训练—拓展训练—思考感悟”四环节有机结合的工程训练运行模式，让学生的综合能力得到锻炼。将学科竞赛与工程实践环节相互融合，推行包括“概念—设计—产品”的全周期开放学习过程，向学生提供自主学习、思考学习、互动学习的学习平台，引导学生树立正确的工程意识，培养创新理念，提高实践动手能力。

4  结束语

通过大学生工程实践与创新能力竞赛创造工程素质教育的优良环境，推动工程实践的教学模式、教学方法进一步优化，培养学生的实践能力、合作意识与创新意识。大学生工程实践与创新能力竞赛凸显的综合性特征，对工程实践训练教学改革起到积极的导向作用，推动培训和比赛有機结合，有计划地锻炼学生的综合能力。总而言之，学生工程能力与工程素养的培养不是仅仅通过专业课程教学就能实现的，科技赛事对锻炼学生工程实践能力具有不可替代的作用。借助渗透于工程训练比赛期间的实践教学，不但可以提升学生对专业技术知识的掌握与理解，而且可以提高他们对专业知识的兴趣，实现以人才培育为根本任务的工程素质教育，有效提高人才培育质量。

参考文献

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