基于工程创新竞赛的机械基础类课程教学实践研究

崔玉明 王桃 杨道龙

摘 要：为了提高机械基础类课程教学实效，提升学生创新水平和解决问题的能力，将工程创新竞赛引入课程实践教学过程，基于设计、仿真、创新等工程竞赛的主要任务，结合课程内容和企业工程案例自主选择参赛对象和内容，通过竞赛训练独立完成工程机械装备关键结构的原理、设计和优化等过程，完善机械专业学生基础类课程教学与培养方案。经参赛实践验证，该方案可有效深化学生机械基础类课程学习与应用，显著提升学生创新实践能力，强化产教融合实施效果，为“新工科”背景下机械基础类课程的创新教学提供范例。

关键词：机械基础类课程；工程创新竞赛；实践教学；产教融合

基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（编号：22KJB440004）；江苏师范大学博士学位教师科研支持项目（编号：22XFRS011）；徐州市重点研发计划项目（编号：KC22404）

作者简介：崔玉明（1988— ），男，江苏师范大学机电工程学院讲师，研究方向为智能装备与教育；王桃（1990— ），女，江苏师范大学历史文化与旅游学院助理研究员，研究方向为思政教育；杨道龙（1988— ），男，江苏师范大学机电工程学院副教授，研究方向为高等教育。

为主动适应新一轮科技革命与产业变革的新趋势，加快培养卓越工程科技人才，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，并于2018年9月发布的《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中指出，要全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的先进理念，创新工程教育教学组织模式，推进产教融合、校企合作的机制创新，深化“一带一路”工程教育国际交流与合作，建设产业急需的新兴工科专业，创新体现产业和技术最新发展的新课程，培养多样化、创新型卓越工程科技人才。

工程实践训练和创新思维是提高机械专业学生解决复杂工程问题能力的必由之路，而机械专业基础类课程对于学生建立机械系统概念、形成机械知识体系、掌握创新设计方法具有举足轻重的作用。机械基础类课程主要包括“机械原理”“机械设计”“机械制造基础”“现代设计方法”等，传统的机械基础类课程主要通过课堂教学和模型参观的形式促使学生掌握机构设计、强度校核、优化设计等专业基础知识，不符合渐进式教学思想。且专业知识综合性与系统性较强，学生在学习中普遍存在主动性不强、理解不深刻、学习难以致用等问题。课题组在传统机械类课程教学基础上，结合大学生机械类工程创新竞赛内容要求，通过校企产教融合方式，重新组织课程重点实践内容，让学生独立完成问题研究、方案设计、仿真分析、优化改进等实践任务。以企业所面临的真实工程问题为导向，以工程创新竞赛为路径，从工程问题建模和求解的全过程深化学生课程知识学习层次，真正提升学生创新性解决复杂工程问题的实践能力。

一、工程创新竞赛与机械基础类课程的融合方案设计

工程创新竞赛是以专业知识为基础、以综合应用为导向的比赛形式，对于提升学生主动性、实践能力、创新能力和综合素质具有明显的促进作用。如全国大学生机械创新设计大赛、“一带一路”工程仿真创新设计赛项、中国“互联网+”大学生创新创业大赛等，竞赛目标主要是鼓励学生运用专业基础知识，聚焦当下社会问题或企业困境，通过创新工程理念、整合内外资源、统筹实践操作等，形成针对性强、实效性高、应用性广的问题项目方案。赛事参与的过程是学生创新能力和应用能力提升的过程，也是解决企业问题、满足社会发展需求的探索过程，以赛促学，以赛促教，以赛促创，最终实现课堂内外的无缝衔接，以及学校与社会的有机衔接。

针对不同专业和不同课程的学生，需选择合适的竞赛以加深他们对课程内容的记忆，提高其对现代化机械创新设计过程中的对象、原理、方法的认知水平。如表1所示，不同机械专业学生培养方向略有不同，设计的创新实践方案也有所不同。对于工业设计专业学生，更加注重“机械原理”课程所涉及的机构及基本传动进行创新和实践，因此可以通过机械创新设计大赛进行针对性的时间训练；对于车辆工程专业学生，可以采用产教融合的方式，结合车企工程实际进行车体关键结构的仿真与校核，通过对实际工程问题的建模与求解深入理解机械结构强度在工程中的研究意义；对于机械设计与制造专业的学生，设计和制造出综合性能优的机械产品更能提升学生的实践创新能力。

二、基于工程創新竞赛的课程实践创新培养模式

（一）高校+企业，整合教育资源

高校之所以成为育人的重要阵地，是因为其聚集了社会上优良的师资队伍、先进的教学设备和浓郁的文化氛围，教育资源相对集中且丰富。但与此同时，对学生的教育也往往容易局限于固有思维和已有模式，缺乏足够的活力和有效的补充。因此，通过高校+企业联动，打造专业学习第二课堂，既是对工程竞赛的必要准备，又是学生专业学习的重要平台，校企合作、内外协同，集中双方优势，整合各类资源，合力构建全域教育空间。如邀请杰出校友、企业名家、一线员工代表进校园，展示他们的职业风采、讲述他们的奋斗故事。或带领学生走进企业工厂，感悟创造力量和改革精神，为筹备竞赛、提升专业认知做了充分准备和有益补充。

（二）理论+实践，促进学以致用

参加工程创新竞赛，必然需要相应的参赛作品，仅有创新的方案设计而缺少实际模型和应用的验证，是无法体现方案的可行性和有效性的，还需要丰富的实践经验和实践能力。为此，理论+实践的培养模式十分必要且不可或缺，可通过与地方机电工程类企业开展合作共建，共推共创学生工程竞赛培育中心，组织学生开展常态化实习实训，并以此为平台推动“双导师”制，就学生工程类竞赛项目作联合指导和共同培养，打破高校技术壁垒，促进专业知识向实践操作的有机转化，增强学生学以致用的主动意识和能力。

（三）课堂+赛场，提高学生综合素养

对于高校学生而言，其所掌握的理论基础较为薄弱，同时思维灵活发散，合作意识不强，创新能力不足，综合素养有待提升。而工程类竞赛是面向在校本科生的一项综合性工程能力竞赛，综合体现了学生机械创新设计能力、制造工艺能力、实践动手能力、工程管理能力和团队合作能力，目的在于培养学生的动手能力、工程素养、创新意识和团队协作精神。为此，课堂+赛场的培养模式有利于学生在掌握知识的基础上，提高自身综合素养。

三、基于工程创新竞赛的课程实践实施案例

在机械专业基础类课程教学实践中，课题组深入调研全国大学生机械创新设计大赛、“一带一路”工程仿真创新设计赛项、中国“互联网+”大学生创新创业大赛等竞赛项目的设置目的和参赛方式，通过带领不同专业的学生团队参加上述工程创新竞赛项目，采用产教融合方法，让学生针对企业具体工程问题进行自主创新设计，深入企业生产与应用现场充分体验实际问题，掌握提出问题、分析问题和解决问题的创新设计全过程，提升学生学习主动性和解决工程问题的能力。具体实践教学案例如下。

（一）机械创新设计大赛与机械原理课程实践

全国大学生机械创新设计大赛根据主题的不同要求参赛学生自行选题、自主设计并完成制作与调试，对于机械原理与传动方案的设计具有较强的指导性。传统“机械原理”课程实践教学中，对于传动原理部分的实验要求多局限于“齿轮传动”，而“齿轮传动”由于轮廓造型复杂、加工制造要求高、造价高等因素对于学生的深入认知与应用难度较大。同时，“机械原理”作为工业设计专业学生的专业基础课程，由于课程的理论性、抽象性较强，工业设计学生在学习过程中普遍反映难度较大。因此，课题组在“齿轮传动”课堂实践之外，结合全国大学生机械创新设计大赛的基本要求，针对工业设计专业的学生团队增设多样化机构传动设计实践活动，并结合大赛主题设计不同的传动方案（如带传动、链传动等），在对各类传动方案进行详细的参数计算和校核的基础上结合机械制图的相关知识设计出相关齿轮、螺纹等零件，并独立完成零部件的标准化选型和整体制作与调试。该实践教学方案通过对常用机械传动方案的组合和应用有效深化了学生对“机械原理”课程内容的理解，提升了学生学以致用的创新实践能力。

（二）工程仿真设计赛项与“机械设计”课程实践

“一带一路”暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项不限制专业方向，对于各类机械专业学生具有较好的实践训练效果。常规“机械设计”课程和“机械设计基础”课程中对于机械零部件的设计与校核通常采用理论计算的方法实施，学生在学习过程中对于设计与校核公式的理解不够直观和深入，对于零部件的失效和损伤形式了解不足，无法在实践中有效发现问题和解决问题，这就容易造成学生理论与实践脱节的问题。基于此，在车辆工程专业学生对零部件的材料属性、加工方法和强度性能等有了一定了解后，课题组通过走访相关汽车零部件设计加工企业，掌握企业在零部件设计过程中的关键指标后，组织学生团队以车企某型号冲压模具为研究对象，从问题分析、模型建立、强度与刚度性能分析等方面对零件进行了全流程分析，构建了该企业某型号冲压模具的三维实体模型，在ABAQUS有限元分析软件中模拟了高温、高速、高压注塑过程，获得了模具关键部位在注塑过程中的应力应变行为规律，并以报告形式向企业进行结果反馈。通过赛项的参与，有效增强了学生对机械设计课程有关强度、刚度等知识点的理解，强化了学生理论联系实践意识，拓展了学生在实践中发现问题和分析问题的思路与方法，提升了学生解决工程实际问题的能力。

（三）创新创业大赛与现代设计方法课程实践

中国“互联网+”大学生创新创业大赛旨在激发大学生的创造力，以创新引领创业，推动赛事成果转化，推动高校毕业生实现更高质量创业就业。针对高年级机械专业课程“现代设计方法”中所涉及的优化、仿真和创新设计方法缺乏实践环节的现状，教师通过鼓励学生跨专业、跨年级、跨学院、跨学校组建创新团队，让学生自主探寻行业痛点与技术难点，在对行业技术现状进行深入分析研究的基础上，采用创新组合，优化设计方法，对原有产品进行优化改进，衍生出新产品，并对新产品进行商业开发与试验研究。课题组坚持以赛促学、以赛促教、以赛促创的实践教学精神，通过创新创业大赛着重培养学生的工程实践能力、创新精神和综合素质。在该案例中，课题组组织学生团队深入发掘煤矿与工程钻探行业中面临的痛点难题，通过理论分析、仿真模拟、模型开发和产品推广等方式，从产品设计到公司运营，从知识产权到财务分析，全身投入创新创业过程。通过创新方案与创业实践的有机结合，让学生深刻体验了创新创业过程中的难度，为学生高质量就业创业提供有力基础。该案例实施效果显著，有效提升了学生创新设计水平、综合实践能力以及企业经营与管理经验。

通过上述课程教学实践措施，既有效深化了学生对机械基础类课程理论知识的理解，又提升了学生设计水平和实践创新能力。其中，通过机械创新设计大赛与机械原理课程实践组织学生参加“全国大学生机械创新设计大赛”并获全国二等奖1项；通过工程仿真设计赛项与机械设计课程实践组织学生参加“一带一路”工程仿真创新设计赛，荣获东区二等奖1项；通过创新创业大赛与现代设计方法课程实践组织学生参加江苏省“互联网+”大学生创新创业大赛，并荣获一等奖1项。可见，相比于传统课程实践形式，基于竞赛的课程教学实践活动对于“教”与“学”均有明显的优势。

因此，为培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，通过对不同机械基础类课程重点理论知识重新梳理，并基于工程创新竞赛内容与要求设计出满足不同课程培养要求的教学实践方案，提升了学生的实践创新能力、工程创新能力和优化创新能力，建立了基于工程创新竞赛的机械专业基础类课程教学与实践育人体系，相关案例具有较高的参考意义和推广价值。

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责编：应 图