学科竞赛提升工科类大学生综合素质的实践研究——以河南农业大学机电工程学院为例

吕志军，丁 力，祝英豪，何 勋，屈 哲，李 赫，王万章

（河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002）

0 引言

2016年12月7日，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“我国高等教育肩负着培养德智体美全面发展的社会主义事业建设者和接班人的重大任务，必须坚持正确政治方向。高校立身之本在于立德树人。只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学。办好我国高校，办出世界一流大学，必须牢牢抓住全面提高人才培养能力这个核心点，并以此来带动高校其他工作”。因此，如何提高学生综合素质能力是各大高校关注并需要尽快解决的问题。

提高学生综合素质能力的方法有很多，学科竞赛便是其中之一[1]。工科类学生的培养更注重将理论应用于实践，不仅有利于科学素养、创新能力的提升，而且可以增强团队协作力和凝聚力[2]。目前，教育部将57项赛事列入全国普通高校大学生竞赛排行榜和全国高校学科评估体系，其中工科类学科竞赛赛项种类较多，一般需要指导教师在规定的时间内指导学生经实践调研、理论分析、三维建模、台架搭建等过程完成符合竞赛要求的三维模型或实物作品，最终完成答辩与专家问答，在此过程中既提高了学生自身的创新实践能力又增强了团队协调能力等综合素质。

以河南农业大学机电工程学院为例，对多次指导工科类学科竞赛可提升学生综合素质能力进行了深入研究，提出了工科类大学生参加学科竞赛中存在的问题与建议，将有助于培养对接产业需求的应用型人才。

1 加强培养当代工科类大学生综合素质能力的必要性

综合素质，也称综合表现力，主要包括知识水平、道德修养和创新能力等多方面的综合素养。基于工程教育认证标准下的当代大学生毕业要求应该更注重理论研究能力、合作交流能力、创新思维和实践应用能力等多方面的综合素质能力的培养。首先，理论研究能力是当代大学生必备的综合素质之一，夯实理论基础、勤于练习巩固、熟练掌握各课程的重点科学原理，将有助于表达、分析与解决机械工程领域复杂工程问题，为读研、工作打下坚实的基础。其次，合作交流能力是指在科学探究过程中，师生之间、生生之间对所探究问题进行交流与合作，共同完成探究任务。许多企业单位都期望大学生具有团队精神，培养团队合作意识，增强团队合作能力成了大学生综合能力培养的重要任务之一，对社会发展起着积极的作用。再次，动手实践环节是对专业理论基础知识的巩固和提升，也能锻炼学生动手解决实际工程复杂问题的能力。教育部前部长周济指出，“知识来源于实践，能力来源于实践，素质更要在实践中不断提高”，大学生实践动手能力的培养已经成为当前我国高等教育亟待加强的重要任务之一[3]，实践能力的培养更有利于大学生适应社会发展需求。最后，在科技进步日新月异、综合国力竞争日趋激烈的大环境下，科技创新能力成为高素质人才的核心和灵魂。所以，在学习过程中需要知识的不断吸收、日积月累、触类旁通，从而在理论与实践结合中增强自身的创新思维能力，推动时代的发展和社会的进步。

2 学科竞赛提升工科类大学生综合素质能力的体现

2.1 学科竞赛增强大学生理论研究能力

现今，大学生在本科阶段每一年都需要学习足够学分的必修和选修课程，但每门课的学时有限，课程结束后如何增加学生对此门课的知识储备时间，直至真正地做到学以致用，这就要求教师去积极开展各类学科竞赛来提升大学生的理论研究能力。本文以河南农业大学机电工程学院学生参加“中联重科”杯第六届大学生智能农业装备国际创新大赛为例，4名学生组成一个团队共同自主设计完成一种基于智能检测缺苗系统的全自动烟草钵苗移栽机械手，其竞赛作品三维设计模型及现场实物展示如图1（b）和（c）所示。

回顾参赛过程，团队需要独自去收集资料、分析总结现存的烟草钵苗移栽机械存在的问题，难点是学生如何运用已学过的相关理论知识解决实际问题，经过指导教师系统的讲解，学生能找到解决问题的方向，有针对性地利用农业机械学、机械原理和电工电子技术相关知识点，对移栽机械结构与智能检测缺苗系统分别进行设计与开发，其设计过程如图1所示。其中本作品的控制部分是采用Arduino软件对单片机进行编程，通过光电识别模块检测苗盘中秧苗的存在情况，将数据传输至单片机，而后联通至步进电机和直流推杆电机的动力系统，从而对移栽机械手和秧箱进行精准运动控制，移栽机械手设计理论分析如图1：

取苗栽植机构结构简图如图1（a）所示。规定行星架逆时针转动角度为正，βj（φ）为齿轮j相对行星架的转角，φj（φ）为齿轮j的绝对转角，行星架的初始安装角为 0φ，当行星架顺时针转过φ时，各角度分析如下：

行星架的绝对转角为：

太阳轮相对行星架的转角和绝对转角分别为：

中间轮A相对行星架的转角和绝对转角为：

式中，r1（i）为一级传动太阳轮节曲线极径（mm）；

a1为相互啮合的一级传动齿轮（太阳轮和中间轮A）中心距，可通过二分法或黄金分割法求得。

因为中间轮B和中间轮A是同轴固定，所以中间轮B相对行星架的转角和绝对转角为：

行星轮相对行星架的转角和绝对转角为：

式中，r2（i）为二级传动中间轮B 节曲线极径（mm）；

a2为相互啮合的二级传动齿轮（中间轮B和行星轮）中心距，可通过二分法或黄金分割法求得（mm）。

在以O1为原点建立的直角坐标系中，各点的坐标分析如下：太阳轮转动中心坐标为：

图1 全自动烟草钵苗移栽机械手关键机械结构设计与现场实物展示图

式中，H—烟草株距（mm）。

中间轮A和中间轮B转动中心坐标为：

行星轮转动中心坐标为：

栽植臂拐点A1的坐标为：

式中，H1为非圆行星轮转动中心O3到栽植臂拐点A1的距离（mm）；

S为非圆行星轮转动中心O3到栽植臂秧针尖点B2的距离（mm）。

栽植臂秧针尖点B1的坐标为：

式中，δ0为栽植臂的初始安装角（°）。

通过运动学理论分析，结合所开发的优化设计软件，最终优化出满足取苗要求的移栽机械手机构参数，在此过程中锻炼大学生的理论研究能力，为他们日后就业和继续深造打下了坚实基础，拓展了他们未来更好的发展空间。

2.2 学科竞赛促进大学生工程实践能力提升

大学生参加学科竞赛的过程中因竞赛要求或是想追求更好的成绩，会对虚拟仿真模型进行加工与装配，装配的过程就是将理论应用于实践的过程，这也是对大学期间的理论知识的整合与拓展，笔者在组织学生参加第十四届三维数字化创新设计大赛全国总决赛以及精英联赛时，学生对移栽机械手进行了创新与完善，增加了栽植机构、送秧机构、辅助导航及动力输入等功能模块，并在有限时间内完成关键部件建模与整机装配过程，具体见图2。在竞赛准备的过程中能够锻炼学生从实践出发考虑工程问题的思维能力，从而培养学生的工程素质，对高校的发展和学生的成长具有现实意义。

2.3 学科竞赛促进创新思维能力培养

积极参加学科竞赛可以让学生的思维发散，多角度地思考问题。同时，可以将创新理念转换为科技成果[4-5]。在带领学生参加第十届全国大学生机械创新设计大赛时，结合大赛主题，学生基于前期多项竞赛的经验积累，将啄木鸟“啄木取虫”特点运用到移栽机械手钵盘取苗动作中，解决了移栽机械手末端执行器取苗阶段秧针在钵盘中“搅土摆角大、根系损伤多”等难题，实现了类似“啄木鸟尖嘴形”直进直出的快速取苗动作，同时整体移栽轨迹也类似“啄木鸟”外形，如图3所示。事实证明，学生在参加学科竞赛的过程中针对实际问题不断探索、钻研，并充分发挥自己的想象力来解决问题，进而提升自己的创新实践能力。这是素质教育成果的体现，更是学生受用终生的宝贵财富。

2.4 学科竞赛促进团队合作交流能力融合

在多次指导学生参加各项学科竞赛过程中，每一次团队都有不同突破的原因在于团队合作，正所谓：“一花独放不是春，百花齐放春满园”，团队每年都会有新鲜血液加入，这就需要一名有经验、有责任感的学生作为队长，起到一个掌舵和导航的关键作用，根据队员的特长分配不同的任务，这可以增强学生彼此间的默契程度，培养学生的集体荣誉感，提升学生的交流与沟通能力，为其毕业后尽快顺利融入社会打下坚实的基础。学科竞赛团队掠影如图4所示。

图2 关键部件建模与整机装配

图3 移栽机构仿生运动轨迹

图4 学科竞赛团队掠影

3 关于工科类大学生参加学科竞赛中存在的问题与建议

通过笔者指导学生参加学科竞赛的经历，提出工科类大学生参加学科竞赛中存在的几点问题：目前，参加这类竞赛大部分是二年级和三年级的学生，一年级学生因课程多、任务重、专业知识接触较少，所以大一学生很少参与学科竞赛活动；队长和各年级队员间的传承衔接不够紧密，队长会因为步入大四年级陷入考研、择业等事宜中而缺少与队员间的交流与分享；刚进入团队的学生积极性较高，但热情过后的真正参与度不够高。

针对上述问题，建议专业辅导员在一年级就要向学生宣传参加有影响力的学科竞赛是可以提升大学生综合素质能力、有助于丰富大学生活的思想，引导大学生做出正确的选择；同时任课教师在课堂讲授过程中也能将科研成果融入课程中，使学生对科研课题产生兴趣，在学科竞赛成果频出的同时也能锻炼工科类学生的工程素养，其成果将为日后深造和择业锦上添花，最终达到“以赛促教、以赛促学、以赛促用、以赛促新”的教学目的。

4 结语

实践表明，针对各类竞赛的主题要求，团队在探索竞赛作品创新设计研发突破口的过程中，有利于提高大学生学会自主思考、团队协作、创新思维等解决实际问题的能力。同时，工科类大学生要克服重理论、轻实践的思想观念，积极参加创新实践活动，为培养学生综合素质打下坚实的基础。