基于工作室与项目式的机械专业创新实践教学

马登秋，李 青，叶振环

（遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563006）

引言

机械设计制造及其自动化专业机械基础系列核心课程有“机械制图”“机械原理”“机械设计”“机械原理课程设计”“机械设计课程设计”及“互换性与测试测量技术”等，目的是培养学生掌握图纸识别与表达、机构方案设计、运动分析、机械基础零件设计等的能力，且具备拥有高阶创新创造能力的基础，该系列课程具有授课范围广、理论性与实践性强等特点［1-3］。目前，随着科学技术的发展，学科不断融合交叉，工程问题也越来越复杂，这对高校学生创新实践能力提出了更高阶的要求［4-8］。

工作室的建设为高技能人才带徒授艺、技能传承、技能创新提供了重要的平台［9-10］，这种培养模式为高校创新实践能力培养提供了新载体和新思路，对我校新型多功能复合型人才培养具有重要的指导意义。为此，本文提出基于工作室与项目式的机械专业创新实践教学方法，强化机械工程专业学生创新实践能力培养，进而培养出满足社会发展的人才，助力乡村振兴。

一、现有实践教学弊端

我校机械设计制造及其自动化专业在第6学期前进行的实践课程有“机械原理课程设计”与“机械设计课程设计”，是“机械制图”“机械原理”“机械设计”和“互换性与测试测量技术”等课程理论教学的延伸，目的是培养学生的创新实践能力。其中“机械原理课程设计”侧重机构方案设计、机构运动学设计等，“机械设计课程设计”则侧重机械结构力学性能设计、几何尺寸与装配关系设计等。这两门实践课在实践教学中存在以下问题。

（一）创新实践能力培养不连贯

学生在学习“机械制图”后进入“机械原理”课程的学习，在学期末开展“机械原理课程设计”实践活动；下一学期进入“机械设计”学习，在学期末开展“机械设计课程设计”实践活动。该教学体系对创新实践能力培养的不连贯表现在两个方面：一是主要培养创新实践能力的环节仅在两个学期期末，导致教师指导与学生实践不连续；二是“机械原理课程设计”侧重机构运动学与机构方案设计等，“机械设计课程设计”侧重力学性能与几何齿轮设计等，两门课程仅注重了各自课程的理论教学训练，忽略了“机械制图”“机械原理”“机械设计”和“互换性与测试测量技术”等课程教学内容的相互关联，未能形成强耦合的创新实践训练体系，实践内容不连续。

（二）实践训练命题陈旧单一，设计手段落后

“机械设计课程设计”主要根据“机械设计”教学内容进行轴系零部件，如齿轮、键、轴、带传动/链传动、轴承等的设计，设计计算按书本上计算公式进行。由于该类型设计使用的高校多、时间长、设计技术指导书成熟、网络资源丰富，学生完成任务时基本是依葫芦画瓢，缺乏创新，现有实践教学方法已无法满足高质量人才培养的要求。

二、基于工作室与项目式的创新实践教学方法

基于工作室与项目式的创新实践教学方法依托“机械原理”“机械设计”等理论课堂和“机械原理课程设计”“机械设计课程设计”等短期实践课堂，是教学与实践的补充和延伸，重点培养学生向更高阶的机械创新设计能力、创造性思维和工程实践能力的提升。

在该创新实践教学方法中有两个核心：一是工作室，是创新实践能力培养的主阵地，主要通过搭建工作室课堂实现培养目标，课堂上以学生为中心、以学为中心；二是项目式，是学生创新实践能力培养的具体载体，是“机械制图”“机械原理”“机械设计”和“互换性与测试测量技术”等课程形成高效耦合体的经脉，项目主要包括指导教师科研项目、大学生创新创业训练计划和企业课题等。

工作室以创新实践能力培养项目为主线，一是通过常年开展学生独立文献资料检索、学生科技报告与教师点评、教师专题培养、学生间相互提问与评价等活动，培养学生的创新设计能力、创造性思维和工程实践能力。截至目前，指导教师已开展创意设计、齿轮传动、“公差与配合”、Solid-Works、UG、ADAMS、慧鱼工程技术、有限元技术、线切割技术、MATLA数值计算等相关技术讲座或者报告；学生已开展数十次专题报告，例如，水下智能巡检机器人、小型手扶式菠萝采摘机、势能驱动车结构设计、螺丝刀夹头设计、服务器巡检升降平台、手扶式山地辣椒移栽机设计、修形圆弧齿线圆柱齿轮数学建模及接触特性分析、水下巡检机器人设计、水果套袋装置设计等。二是利用不同年级、不同学生之间知识结构的差异，通过“传—帮—带”模式形成相互开展知识传授、学习帮助、学习领路等的学习形式，在学生之间开展创新实践能力的培养，让学生在达成理解和应用能力提升的基础上不断向分析、评价和创造的高阶目标跃升。

项目式以教师科研项目、大学生创新创业训练计划、企业委托课题等为创新实践教学方法的载体，在工作室中，通过“项目立项+方案设计+运动设计+结构设计+图纸设计+产品加工与制作+产品运行与调试+发表论文/申报专利+全过程工作室教师不间断指导”的具体教学实施路径，将“机械制图”“机械原理”“机械设计”和“互换性与测试测量技术”等课程的教学内容串联起来，兼顾理论教学与实践教学的需求，形成强耦合性教学体系，强化学生解决复杂工程问题的能力。例如，在势能驱动车结构设计和手扶式山地辣椒移栽机设计中，分别对机械制图、机械原理、机械设计等三大核心模块知识体系（机械制图：投影基础知识、工程图纸表达、标准件选用等；机械原理：机构运行原理、运动学尺寸设计、机构运行规律等；机械设计：方案设计、结构设计、零件设计与校核等）和各个核心模块知识的接续协同（例如，机械原理对机械制图中机械零件表达、机械零件运动形式；机械设计对机械原理的运动学、机构组合及形式，对互换性与测试测量技术的形位公差与尺寸公差等）进行训练，实现各门课程之间、理论与实践教学之间的耦合。

三、创新实践教学实例

（一）手扶式山地辣椒移栽机设计

项目《手扶式山地辣椒移栽机设计》源于贵州省大学生创新创业训练计划项目（S202010664016），项目主持人为我校2018级机械设计制造及其自动化专业学生。该项目针对山地辣椒种植机械化程度低的问题设计了手扶式山地辣椒移栽机，如图1所示。其中栽植机构是一种新型回转式栽植机构，通过速度补偿，理论上可保证绝对零速投苗。根据设计数据利用SolidWorks建立手扶式山地辣椒移栽机三维模型，经检测移栽机运动设计与装配合理，符合设计要求。图2为设计的栽植机构，采用新型栽植机构，利用凸轮进行速度补偿，回转臂做周转运动带动鸭嘴进行上下往复运动。图3所示为设计的凸轮摇臂机构，采用凸轮摇臂机构控制拉线，可以控制拉线移动距离，进而精确控制鸭嘴开合动作，从而实现辣椒苗较为精准的栽植。

图1 手扶式山地辣椒移栽机总装三维图

图2 栽植机构

图3 凸轮开合机构示意图

该项目于2020年8月立项，项目主持人于2020年9月起在遵义师范学院机械仿真工作室开展项目。项目实施过程中，项目主持人通过工作室会议、学生科技报告、指导教师交流会等活动对手扶式山地辣椒移栽机方案设计、机构选择、三维建模、二维出图、装配工艺、CAE技术仿真等问题进行了多次论证、分析与分享。相对于多数未进行训练的学生，项目主持人的创新设计能力、复杂工程问题解决能力得到较大幅度的提升，已申报发明专利1项，发表省级期刊论文1篇，结题贵州省大学创新训练计划1项，参加贵州省3D打印创意设计大赛获得省级二等奖，专业能力获得了有关企业的高度认可。

（二）绝缘螺丝固定夹设计与加工

项目《绝缘螺丝固定夹设计与加工》来源于遵义市某企业，所设计产品绝缘螺丝固定夹是辅助螺丝刀工作的一种装置，可根据工作需求装设在螺丝刀上，主要为螺丝刀工作时提供支撑并防止螺钉脱落，避免螺钉或人员触碰二次线，预防短路、螺钉对不准螺钉孔等问题，缩短工作时间，提高工作效率，降低作业人员的工作强度，图4所示为绝缘螺丝固定夹实物模型。产品主体结构分为固定部分和夹持部分，固定部分由外壳和套筒组成，夹持部分由两个相同的抓夹组成。

图4 绝缘螺丝固定夹

项目主要完成人为我校2019级和2020级机械设计制造及其自动化专业的几位学生，历时3个月完成。该项目自立项后，项目组综合考虑制造成本、工作环境与空间尺寸、使用功能、材料特性、装配工艺等问题，多次利用工作室会议论证绝缘螺丝固定夹的设计与加工，特别是针对夹持装置设计多种方案，最终选定图4所示夹持结构，该结构需选用变形性能合适材料与加工工艺，项目组经过多次论证选用高性能尼龙材料和3D打印技术完成设计产品的加工与制造。

结语

创新设计能力、创造性思维和工程实践能力是高阶人才应具备的核心素质，本文提出基于工作室与项目式的机械工程专业创新实践教学方法，具体以工作室课堂为阵地，以大学生创新创业训练计划、科研项目、企业课题等项目为经脉，将机械专业各基础课程串联起来，开展学生创新实践能力培养。实践表明，基于工作室与项目式的机械专业创新实践教学方法对机械工程专业学生创新实践能力培养效果较好。