基于太阳能风车的工程实践教学研究

罗龙君 孙祥仲 汪琦

[摘 要] 项目式教学方法在工程实践教学中得到了广泛的应用，项目介绍了基于太阳能风车项目的工程实践教学方法。通过利用“众创社区”平台，在工程实践课中分组展开太阳能风车的图纸和工艺设计，让学生能够认识并自主动手操作不同种类设备，通过团队合作完成产品的制作和调试、现场比拼参与产品的全生命周期制作，从而可提升学生的工程素养，培养其创新能力。太阳能风车项目的运行为学生实训营造了良好的氛围，是培养学生团结协作、交流沟通与动手实践能力的有效探索。

[关键词] 太阳能风车;工程实践;教学研究

[基金项目] 2020年度中国高校创新创业教育研究中心基金项目“立德树人，交叉融合，构建智能制造工程实践创新教育体系”（2020CCJG01Z004）

[作者简介] 罗龙君（1988—），男，湖北荆门人，硕士，华中科技大学工程实践创新中心工程师，主要从事工程创新教育研究;孙祥仲（1982—），男，湖北武汉人，硕士，华中科技大学工程实践创新中心工程师（通信作者），主要从事数控装备技术研究。

[中图分类号] TS664.01;G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）18-0137-04 [收稿日期] 2021-03-22

工程实践教学的目标在于以塑造核心价值观为统领，着力培养大学生的工程观、质量观、系统观，引导大学生树立工程意识、掌握工艺知识、提升工程能力、厚植工匠精神。随着新经济、新产业、新业态的不断涌现和对新型人才的需求，传统单个割裂开的工种实践训练方法不利于为未来产业培养具有工程观、系统观、质量观的项目人才。美国欧林工程学院的项目化教学方式开辟了一条易于项目式人才培养的新途径[1]，项目化教学逐渐成为在知识、实践、能力之间搭接转换的新桥梁。目前全国高校工程训练中普遍存在着教学模式陈旧，教学内容没有鲜明的时代特征，各个工种教学之间没有先后层级关系，每个训练单元均独立完成一个作品，既没有阶梯形的递进，又没有内容上的关联，而实际工业生产过程中，一个零件一个产品均是多工种多车间甚至多企业联合的结果，当前的教学模式和教学内容会局限学生的思维，不利于创新思想的培养。中国工程院院士、教育部原部长周济指出：“工程教育必须面向工程实际，回归工程，崇尚实践。”中国科学院院士、清华大学原校长顾秉林也强调：“工程教育的人才培养必须面向工程实际，加强工程训练。”2018年6月，教育部召开新时代全国高等学校本科教育工作会议，教育部部长陈宝生指出：“世界发达国家高等教育创新的脚步也从未停止，都在奋力奔跑、极速前进，如果我们仍然四平八稳、按部就班、循规蹈矩，不仅无法实现超越，还有可能进一步拉大差距。”陈宝生部长要求，不能再用过时的知识培养明天的毕业生。本文以当前流行的绿色能源为主题，设计了项目化的太阳能风车工程实践课程，结合“众创社区”开放式平台，在产品方案、结构、工艺、成本、制作等多方面预留了尽可能多的创新空间，通过知识、能力、实践、创新（KAPI）一体化的训练，提升学生知识向能力的转化。

一、课程的教学目标

本课程通过遴选新工科核心知识点，利用工程实践创新中心智能制造平台建设机会，积极对课程知识体系调整，对学生工程能力要求強化提升，选取紧扣时代主题的太阳能风车项目，通过课程的学习，使学生能够综合运用机械设计和加工基本知识、基本技能及增材制造等相关工种，合理选择设备进行零件制造，能够在项目团队中，承担相应的责任，发挥对应的作用，形成团队的合力。主要达成的课程目标具体如下。

1.能够以团队协同的模式利用“众创社区”竞赛平台，模拟真实工程项目运行方法，完成项目的方案选定、图纸设计、工艺制作、成本分析、加工制造、装配调试、质量检测、产品推广等全流程，培养学生的系统观、工程观、质量观，以及环保、团队协作理念。

2.掌握CAD/CAM、数字化工艺基本知识及应用特点。能够利用CAD软件完成作品的详细设计，结合我中心设备性能及零件设计要求，使用数字化工艺软件开目3DAST、3DMPS合理制定工艺流程和参数、装配工艺卡片，通过CAM软件编制零件加工程序，完成最后的作品。

3.通过在项目工艺路线设计和加工过程中的学习，理解质量与成本、管理与效益之间的相互关系。初步具备对零件加工工艺、经济型进行分析和合理选择加工方法的能力[2]，达到工程师的初级水平。

4.通过基于项目式的太阳能风车教学，转变学习角色，从“叫我学”转变为“我要学”，提升团队协作实践交流，重视学生工程合作，形成跨学科融合创新能力，培养自主学习精神，促进多学科知识交叉融合的复合型新工科人才的形成。

二、课程教学设计

基于项目的实践教学内容应该一般与实际应用接轨[3]，项目研制过程要兼顾考虑设计、制造、环境、污染、成本、人文等诸多方面的问题，学生可以根据自身需要和兴趣选取训练项目。实训内容要将知识、能力、实践、创新训练有机贯穿一体[4]，既注重覆盖传统的机械核心知识点，又包括先进制造内容，学生在教师的指引下自主学习，获取课程核心知识点，锻炼学生的工程实践能力。

（一）教学设计

1.项目背景。项目要贴近时代特征，2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重承诺：“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”[5]碳中和目标的实现将倒逼我国能源转型的加速，绿色能源如风能、太阳能等将进一步开发利用。项目选取学生生活所见的风力发电和太阳能发电为项目背景，如图1所示，使学生有兴趣参与，积极思考绿色能源在日常生活中的应用，例如通过风能可以驱动扇叶转动发电，可以举一反三太阳照射太阳能板发电带动电机转动，从而带动风扇转动。项目选取的背景可以在很大程度上加强学生的学习动力和自信心[6]，学生也能依靠现有条件完成设计和制作。

2.项目难度。进行项目训练的大部分为大一大二非机械类学生，大部分学生缺少实际工程相关经验与绘图基础，尽管在前置课程“工程训练”中进行了不同工种的训练学习，但是时间跨度过长，先前机床操作步骤的学习容易被遗忘，且各院系培养方案不一样，部分工种部分学生甚至没有进行训练，在项目运行中，部分学生需要重新培训上岗。项目难度设置过高，会降低学生学习的积极性，起不到引导的效果，达不到最后的教学目的[7]。在太阳能风车项目中，主要包括底座、支撑柱、电机箱、扇叶及电路开关系统部分，学生通过分组设计加工，最后完成装配调试，为了降低机加工难度，部分零件设定了接口，同时为了避免学生都选择3D打印制作，在项目中对零件的材料也进行了设置，只允许一类零件是工程塑料。

3.综合能力体现。以往工程训练内容是制作榔头，尺寸形状唯一，学生只需要按部就班地跟着步骤完成即可，没有自我发挥空间[8]。基于太阳能风车的项目需要学生每个人参与其中，不仅要完成分配好的工作，还要充分发挥自主学习能力，通过查阅资料和讨论，完成产品的设计和加工。每一台完成的产品都体现不同小组的设计能力和工程能力。同时学生通过比拼转速等，能进一步思考如何增加机构来提升风扇转速，为太阳能风车项目提档升级打下基础。

（二）教学实施过程

教学内容改革主要是通过引进工程实际案例产品，基于“真刀实枪”“真材实料”[9]，将设计、工艺、制造、检测相结合，以完成太阳能风车为训练项目的课程教学目标，采用CDIO（构思、设计、实现、运行）模式[9]，将实训内容与专业课程知识相结合，让实践流程与实际产品开发相贴近。具体的教学实施过程主要分为三个阶段：方案设计阶段、生产制造阶段、装配调试阶段。同时为促进学生知识、能力与素养的全面发展，使过程考核数据可视化，引入了“众创社区”线上平台课程社区作为项目平台对整个项目实施过程进行引导和跟踪。

1.方案设计阶段。由教师在课堂上介绍本项目的背景与项目要达成的目标，课堂中推举产生项目经理，由项目经理选取团队成员。在项目启动之初，利用“众创社区”给予项目经理启动资金，用于购买毛坯材料、组外协作等。教师对太阳能风车的基本原理和结构类型进行简要介绍，并给出参考图片，对其中部件的设计难点和加工难点进行重点介绍，并在社区上发布阶段设计任务节点，毛坯清单如表1所示。

2.生产制造阶段。在生产制造阶段，各小组工作任务由项目经理进行分工，自行在社区进行设备预约，学生明确各自的工作任务，并拿着领用的毛坯和设计图纸在对应设备上进行实践训练，如学习安全知识、机床对刀、数控程序编制等，最后加工制造。完成之后，教师扮演质检员，学生既扮演设计员，又扮演加工者，由质检员按图进行测量检测，并告知加工者零件是否合格，同时由设计员编制产品的质量分析报告，如工件不合格，按照实际的生产质量处理流程，质检员开出不合格品审理单，设计员决定让步使用、返修或报废，并需在审理单上给出充分的理由。各小组利用社区上传作品实物、质量分析报告、不合格品审理单，社区根据各项目小组完成节点的时间、完成质量等给予不同评价分数。同时此阶段允许协作，例如在加工风扇底座时，有部分组对编程掌握能力不强，可将启动资金中的虚拟货币协调一部分给另一组，由另一组帮助其完成。

3.方案设计阶段。各小组根据装配图纸，在项目经理带领下完成太阳能风车的装配调试，同时在装配和调试中学生会发现自己设计、加工、调试中的各种问题，各小组根据情况进行分析解决，提升学生的临场处置能力和抗压能力。经调试无误后，统一安排在室外场所进行现场比拼，以各组设计的太阳能风车转速快慢和风车运行稳定程度为主要评估指标。同时为了进一步提升比赛的趣味性，在社区平台上发布一些课外任务，如宣传稿撰写、比赛场地协助布置等，让学生不仅可以获得额外评分，还可以进一步融入课堂建设，图3为学生的作品静态展示。

三、课程教学效果

基于太阳能风车的工程实践教学项目已在我校生命信息与工程专业、船舶与海洋工程专业开设多人次课程，对比传统的教学方式，学生反映效果良好，教师课堂讲授时间大幅度减少，学生思考与动手实践时间迅猛上升，讲授实践与实际动手时间比例由以前的5∶5下降到了2∶8，学生亲自动手，亲身实践，从最开始的概念设计到最后的实物运行，参与作品的全生命周期制造，学生的积极性和参与感大大增加，项目制实施以来，考核完成率达到了100%，其中优秀作品达到了25%。该课程项目的建设可以培养学生对理论知识的理解能力、实际动手能力，为打造具有笃实专注、开拓创新、精益求精精神的工程人才起到一定作用。

在项目运行方面，基于该课程平台，学生在明确的项目任务驱动下，对工程项目运行的兴趣更加浓厚，不同的项目小组之间进行展示交流，各组学生演示自己的项目，还可以在众创社区中发表项目报道，零件或者工序协作申请换取积分，各项目组分别派出评委參与项目的评价打分，项目过程中教师不处于项目运行主导地位，只是项目运行中的节点制作者和监督者，提升学生的自主意识。

结语

通过基于太阳能风车项目的工程实践训练，依托学科交叉、协作学习、自主探究，让学生全过程体验与工程相关的一系列知识，引导学生突破对于简单、局部复杂性的认知，力求实现认识上的螺旋上升，重新认识、思考工程的实践本质、综合特征和系统整体性，从而培养学生的工程观、质量观、系统观，提升工程素质和创新能力，为探索工程素质与能力培养新模式，建立“中国经验”“中国模式”的工程实践教育创新体系提供有力支撑。项目式教学目前取得了一定进展，但是随着产业和技术的不断发展，行业对人才培养的要求不断变化，实践设施和实践方法也将会不断升级换代，项目式教学在深入推进实践教学中，要着力推进课程内容和方法的更新，满足以学生中心、产出导向、持续改进的要求，培养能够适应、甚至引领未来工程需求的新人才。

参考文献

[1]王孙禺，曾开富.针对理工教育模式的一场改革：美国欧林工学院的建立背景及理论基础[J].高等工程教育研究，2011（4）：18-26.

[2]郝興安，董建明，周俊波，等.激光加工实训课程教学实践探索与研究[J].教育教学论坛，2021（6）：89-92.

[3]葛新锋，栗伟周，秦涛.分层次、多模块、开放式工程训练课程思政教学探索与实践[J].高等职业教育（天津职业大学学报），2021，30（1）：68-72.

[4]胡蓉.基于项目制教学法的工业机器人实训研究[J].机械研究与应用，2018，31（4）：224-226+229.

[5]习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话（全文）[EB/OL].（2020-09-22）[2021-02-28].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1678548442884440520&wfr=spider&for=pc.

[6]田万一，王群，吴占涛，等.趣味性工程训练项目的探索：以加工中心实训为例[J].价值工程，2018，37（2）：178-179.

[7]张建恒，刘雪龙，李永亮，等.基于斯特林发动机的工程训练改革与实践[J].内燃机与配件，2020（17）：217-219.

[8]李昕，詹必胜.面向新工科的工程训练中心建设与发展[J].实验室研究与探索，2019，38（7）：249-251+261.

[9]刘中才，隗德民，金辉.兴趣培养 自主研发 创业孵化[J].实验室研究与探索，2015，34（6）：158-160+261.

Research on the Teaching of Engineering Practice Based on Solar Windmills

LUO Long-jun， SUN Xiang-zhong， WANG Qi

（Center for Practice Innovations， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan，

Hubei 430074， China）

Abstract： Project teaching method has been widely used in engineering practice teaching. We introduce an engineering practice teaching method based on solar windmill projects. Students use the “crowd creation community” platform to expand the drawings and process design of solar windmills in groups in engineering practice classes， and understand and operate different kinds of equipment， complete product production and debugging， and on-site competition through teamwork， participate in the production of product life cycle， so as to achieve the goal of improving engineering competence and cultivating innovative abilities. The operation of solar windmill project may create a good atmosphere for students’ practical training， which is an effective exploration to cultivate students’ unity， cooperation， communication and practice.

Key words： solar windmills; engineering practice; teaching research