冉家琪，龔 峰

（深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院 廣東 深圳 518060）

《新工科建設(shè)指南》提出：“強化工程人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，完善工科人才創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)的教育體系”。2020年廣東省經(jīng)濟規(guī)模突破10萬億，其中作為廣東經(jīng)濟中堅力量的制造業(yè)對綜合設(shè)計類人才的需求日益增大[1]，而綜合設(shè)計類人才除了要求機械類畢業(yè)生擁有建模及數(shù)值仿真的能力之外，還必須擁有“從無到有”的創(chuàng)新思維[2]，掌握基本的創(chuàng)新設(shè)計方法。因此，機械專業(yè)教育需要對現(xiàn)有專業(yè)課程進行內(nèi)容解析，在教育理念、內(nèi)容、方法、考核評價方式等方面作出相應(yīng)改革[3]。

1 目前有限元分析方法教學(xué)中的典型問題

機械制造及自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)擁有工程背景的全方位人才和面向制造業(yè)并擁有創(chuàng)新能力的設(shè)計型人才[4]。然而，現(xiàn)有的各課程教學(xué)模式容易走入兩個誤區(qū)，第一個誤區(qū)是缺乏產(chǎn)品綜合設(shè)計及創(chuàng)新思維實踐。學(xué)生修讀上述課程后在畢業(yè)設(shè)計中不知如何統(tǒng)合各課程知識點并加以應(yīng)用[5，6]，缺乏創(chuàng)新設(shè)計實踐；第二個誤區(qū)是缺乏產(chǎn)品設(shè)計在文化層面及經(jīng)濟層面的思考。這兩種誤區(qū)具體表現(xiàn)為以下三個方面：

第一，課程內(nèi)容與企業(yè)期望人才所擁有的能力脫節(jié)。工程實踐是檢驗工科學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要標準，企業(yè)作為高校畢業(yè)的最終接收者，往往很難找到“即插即用”型的人才。

第二，材料力學(xué)、機械設(shè)計課程設(shè)計與有限元分析方法等專業(yè)課程缺乏創(chuàng)新設(shè)計聯(lián)動及知識統(tǒng)合訓(xùn)練。

第三，現(xiàn)有課程考核方式導(dǎo)致學(xué)生缺乏創(chuàng)新思維訓(xùn)練及創(chuàng)新設(shè)計的機會。創(chuàng)新思維的訓(xùn)練是一個長期的過程，而現(xiàn)有大部分機械類課程仍以考試為主。

綜上所述，為使得機械專業(yè)畢業(yè)生得到長期連續(xù)的創(chuàng)新思維訓(xùn)練并擁有基本的創(chuàng)新設(shè)計能力，高校教育工作者需要改變思想，對機械類專業(yè)課需要進行必要的教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)其統(tǒng)合過往所學(xué)基礎(chǔ)知識并加以綜合應(yīng)用的能力，鍛煉其創(chuàng)新思維以適應(yīng)制造類企業(yè)創(chuàng)新型設(shè)計類人才的需求。

2 以競賽為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)動教學(xué)模式

以競賽為導(dǎo)向的教學(xué)模式強調(diào)對過往知識的綜合應(yīng)用及創(chuàng)新思維訓(xùn)練，結(jié)合競賽需求進行跨學(xué)科聯(lián)動教學(xué)。以全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽為例，其主要目的是通過給定大賽主題，讓已經(jīng)完成大部分機械類基礎(chǔ)課程的學(xué)生按照前期調(diào)研、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析四大產(chǎn)品設(shè)計基本步驟體驗創(chuàng)新思維的全過程。

以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維培養(yǎng)及創(chuàng)新設(shè)計，意味著需要挑選一門專業(yè)必修課，對過往機械基礎(chǔ)知識進行回顧及拓展的同時，引入創(chuàng)新設(shè)計的基本步驟，以產(chǎn)品設(shè)計為最終目標講授該課程。有限元分析方法作為承接理論力學(xué)、材料力學(xué)等力學(xué)類課程與機械原理、機械設(shè)計等設(shè)計相關(guān)類課程的專業(yè)課樞紐，比較適合開展此類產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)聯(lián)動。教師需要對過往力學(xué)課程進行回顧的同時，介紹有限元分析方法的相關(guān)理論、相關(guān)軟件的操作，并指定某個大作業(yè)主題，給予學(xué)生8―10周的時間進行組隊分工，進行市場調(diào)研后列出設(shè)計目標人群，按照設(shè)計基本流程完成相應(yīng)設(shè)計任務(wù)，將“設(shè)計黑箱”逐漸轉(zhuǎn)化為“白箱”，從而達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的目標。

從結(jié)果上看，聯(lián)動教學(xué)對各年級學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價值：低年級學(xué)生在機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯、robomaster大賽中可以首先使用聯(lián)動教學(xué)中涉及的有限元及機械設(shè)計的初步知識，從而更快融入設(shè)計團隊，對產(chǎn)品進行設(shè)計或?qū)①悷o人機等進行拓撲優(yōu)化，減少老隊員帶新隊員的磨合時間；高年級學(xué)生通過聯(lián)動教學(xué)可以在畢業(yè)設(shè)計或進入工作崗位前，最大限度地對實際設(shè)計過程中可能遇到的問題進行預(yù)演，提高解決實際工程問題的能力。對比發(fā)現(xiàn)，接受過聯(lián)動教學(xué)的學(xué)生在創(chuàng)新思維、建模仿真、設(shè)計加工、表達的能力明顯高于未接受過聯(lián)動教學(xué)的學(xué)生。圖1為本單位某2020屆畢業(yè)生依靠產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新思維進行產(chǎn)品設(shè)計的基本流程。由此可知，以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練對培養(yǎng)出企業(yè)急需的新工科人才幫助巨大。

基于以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練的上述顯著優(yōu)點，本教研組在機械專業(yè)課程體系中選取了“有限元分析方法”作為聯(lián)動教學(xué)的教學(xué)改革試點。2017年至今，多位參與過有限元分析方法創(chuàng)新思維教學(xué)的本科生獲得全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽等機械類比賽省級以上獎勵，多位同學(xué)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。可以合理推斷，以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練與聯(lián)動教學(xué)不僅可以梳理學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計及日后工作中解決問題的邏輯思維，更有希望增強學(xué)生對這幾門課程的理解并反哺其產(chǎn)品設(shè)計所需的相關(guān)工程素養(yǎng)。

3 “有限元分析方法”教學(xué)引入現(xiàn)代設(shè)計理論的基本知識

創(chuàng)新思維的培養(yǎng)離不開科學(xué)的理論指導(dǎo)，而現(xiàn)代設(shè)計理論的核心是“最優(yōu)化設(shè)計”與“創(chuàng)新思維設(shè)計（黑箱法）”。為將現(xiàn)代設(shè)計理論中的創(chuàng)新思維培養(yǎng)方法介紹給學(xué)生，教研組在有限元分析方法課程中將單獨使用1學(xué)時簡要介紹黑箱法與最優(yōu)化設(shè)計建模，幫助學(xué)生發(fā)散思維；而后給定某個課題，要求學(xué)生使用黑箱法進行頭腦風暴并提出概念設(shè)計圖，根據(jù)概念設(shè)計圖繪制相應(yīng)的CAD模型并使用最優(yōu)化設(shè)計進行拓撲優(yōu)化，在完成CAD建模后使用有限元軟件分析該模型危險節(jié)點最終提交作業(yè)。應(yīng)用此方法，學(xué)生可以按部就班完成有限元分析方法大作業(yè)并結(jié)合自身能力提煉科學(xué)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

從上述前期試點所反映的教學(xué)效果看，創(chuàng)新思維培養(yǎng)與聯(lián)動教學(xué)對參與聯(lián)動教學(xué)的課程平均成績具有提升作用，培訓(xùn)后的學(xué)生進行相關(guān)設(shè)計時，對設(shè)計流程十分明確，設(shè)計成本減少，設(shè)計合理度增大，符合企業(yè)對創(chuàng)新設(shè)計類人才的相關(guān)需求。

4 課程考核方法改革

基于上述教學(xué)改革理論，創(chuàng)新思維培養(yǎng)與聯(lián)動教學(xué)要求教師打破原有的教學(xué)思路，減少或取消出勤分數(shù)，在總評中添加自選項目成績，并在期末教學(xué)時段外完成答辯。答辯分數(shù)分為教師評分與學(xué)生評分兩部分，合理考慮學(xué)生所選項目的難易度、完成度、創(chuàng)新性以及學(xué)生在答辯中的表現(xiàn)，按學(xué)生與教師6:4權(quán)重給出答辯分數(shù)。具體采用如下研究方案：

教學(xué)內(nèi)容的選擇。結(jié)合與該課程相關(guān)的內(nèi)容對學(xué)生后續(xù)課程所需知識點做簡要的介紹，使得學(xué)生明確課程授課目的及作用；調(diào)整部分章節(jié)的授課順序及授課內(nèi)容，使其更容易為學(xué)生接受。

實際案例的相關(guān)教學(xué)研究。改變傳統(tǒng)的授課方式，采用啟發(fā)式的教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的積極性，重點強調(diào)實際應(yīng)用，豐富授課內(nèi)容，擴充學(xué)生的知識面。

基于學(xué)科競賽及大學(xué)生雙創(chuàng)項目的創(chuàng)新思維激勵機制與課程評價考核方式改革。對參與競賽、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目的學(xué)生，允許學(xué)生以競賽作品作為期末大作業(yè)進行答辯，增強學(xué)生對創(chuàng)新思維訓(xùn)練的積極性。

企業(yè)參與反饋創(chuàng)新思維培養(yǎng)成果。鼓勵高年級本科生積極參與企業(yè)相關(guān)橫向課題，積極獲取企業(yè)對參與創(chuàng)新思維培養(yǎng)學(xué)生的用人反饋，及時修正優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及考核方式。

5 結(jié)論

隨著中國制造業(yè)逐漸向智能化推進，企業(yè)所需的人才水平也在不斷提升，與之相對應(yīng)的機械類人才教育模式也必須從企業(yè)生產(chǎn)實際出發(fā)，以企業(yè)所需的高素質(zhì)人才為落腳點，抹平高校教育教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)實際之間的鴻溝，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生統(tǒng)合過往所學(xué)知識及學(xué)習(xí)方法，啟發(fā)學(xué)生系統(tǒng)性看待工業(yè)生產(chǎn)的實際問題，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的機械類技術(shù)人才?；谶@種理念，本教研組提出了基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)、以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的有限元分析方法教學(xué)改革，建立培養(yǎng)機械專業(yè)設(shè)計類人才的教學(xué)模式。