胡小艦

(西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,陜西 西安 710600)

0 引 言

高等院校的職責(zé)是為國(guó)家培養(yǎng)人才。近年來(lái),“中國(guó)制造2025”“工程教育認(rèn)證”等新標(biāo)準(zhǔn)、新理念的提出,使《工程訓(xùn)練》課程成為高等院校培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力必不可少的環(huán)節(jié)。工程訓(xùn)練是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生將理論知識(shí)及專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行具象化的重要平臺(tái)[1-4],也是培養(yǎng)該專(zhuān)業(yè)大學(xué)生具有工程意識(shí)、工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。目前,傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的知識(shí)與操作技能學(xué)習(xí)已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)綜合實(shí)踐、創(chuàng)新型人才的要求,傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式及教學(xué)體系急需改變。為了強(qiáng)化機(jī)械類(lèi)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié),本文探索實(shí)施了具有特色的項(xiàng)目化教學(xué)方法,凸顯了工程實(shí)踐創(chuàng)新的時(shí)代優(yōu)勢(shì),以發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生的實(shí)踐能力及解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[5-6]。

1 傳統(tǒng)工程訓(xùn)練模式存在的主要問(wèn)題

工程訓(xùn)練實(shí)踐是機(jī)械類(lèi)本科生進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)機(jī)械類(lèi)學(xué)生勞動(dòng)情懷、基本職業(yè)技能、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的重要載體,但是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在著許多突出典型問(wèn)題,在工程教育背景下,不利于學(xué)生工程素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新能力的全面培養(yǎng)[7]。

1.1 教研缺乏創(chuàng)新、教學(xué)案例單一

目前,大部分高校工程訓(xùn)練一線教學(xué)模式仍以傳統(tǒng)教學(xué)模式——師徒模式開(kāi)展教學(xué),這種模式教案單一、教學(xué)方式陳舊;同時(shí)大部分實(shí)踐教師為工勤技術(shù)人員,在教學(xué)中不開(kāi)展教研活動(dòng),實(shí)訓(xùn)案例陳舊、單一,這與工程教育背景下學(xué)科交叉、培養(yǎng)創(chuàng)新、復(fù)合型人才的目標(biāo)不符。

1.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目未能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)

機(jī)械類(lèi)學(xué)生在傳統(tǒng)工程訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中,需要完成如小榔頭、開(kāi)瓶器、臺(tái)階軸、激光雕刻、子彈模型等實(shí)訓(xùn)作品,這些作品可以鍛煉學(xué)生一定的實(shí)踐動(dòng)手能力,但是在工程教育背景下,不能做到以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向,作品之間沒(méi)有相互貫通,不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—制作—檢測(cè)—裝配—調(diào)試全閉環(huán)過(guò)程,不利于學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)新性的發(fā)揮。

1.3 工程實(shí)踐課程缺乏思政元素

高校工程實(shí)踐課程應(yīng)首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行勞動(dòng)教育、思政教育。目前大部分高校在創(chuàng)新課程設(shè)置中只注重項(xiàng)目導(dǎo)向、成果導(dǎo)向,注重學(xué)生工程能力培養(yǎng)。但在核心課程建設(shè)中,多學(xué)科之間交叉融合較差,思政教學(xué)元素融入不夠,不能很好地講好中國(guó)制造、中國(guó)創(chuàng)造的家園情懷。因此,在創(chuàng)新課程中難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生全方位能力的培養(yǎng)。

工程訓(xùn)練中心作為工程技術(shù)人才的培養(yǎng)基地,同時(shí)也是本科高校工程教育的重要平臺(tái),為了更好地落實(shí)本科高校立德樹(shù)人的根本教育任務(wù),培養(yǎng)新時(shí)代大學(xué)生工程素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新能力,傳統(tǒng)的機(jī)械類(lèi)本科生工程實(shí)踐教學(xué)改革已經(jīng)勢(shì)在必行。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐方案

2.1 教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的意義

在工程教育背景下,針對(duì)機(jī)械類(lèi)課程開(kāi)展工程實(shí)踐創(chuàng)新課程建設(shè)與改革,在課程中融入思政元素,并以學(xué)生為中心、以項(xiàng)目為導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目全閉環(huán)。在實(shí)踐中,結(jié)合CAD/CAM數(shù)字化設(shè)計(jì),進(jìn)行工程能力實(shí)踐教學(xué)改革,將數(shù)字化、智能化制造引入教學(xué)環(huán)節(jié),在實(shí)踐教學(xué)中將理論知識(shí)與工程實(shí)踐、創(chuàng)新能力相結(jié)合,并針對(duì)項(xiàng)目中突出工程問(wèn)題開(kāi)展教研、教學(xué)、實(shí)踐一體化,從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性,讓學(xué)生以項(xiàng)目為基礎(chǔ)自主得進(jìn)行產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化,結(jié)合數(shù)字化制造進(jìn)行作品制作,并運(yùn)用基礎(chǔ)工程訓(xùn)練能力進(jìn)行裝配與調(diào)試,將理論知識(shí)在實(shí)踐中具象化[8-9]。

2.2 教學(xué)項(xiàng)目引入

在教學(xué)項(xiàng)目引入方面,我們以全國(guó)大學(xué)生工程綜合能力競(jìng)賽項(xiàng)目——無(wú)碳小車(chē)等項(xiàng)目為實(shí)踐案例。無(wú)碳小車(chē)是一個(gè)勢(shì)能小車(chē),以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車(chē)沿固定路線(S環(huán)形或8字環(huán)形)行走,如圖1所示。該小車(chē)的重力勢(shì)能通過(guò)一個(gè)質(zhì)量為1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼來(lái)獲得,砝碼的可下降高度為(300±2)mm。無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖2所示。

(a) 環(huán)形8字無(wú)碳賽道示意圖

圖2 無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of carbon free trolley

無(wú)碳小車(chē)競(jìng)賽要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)一種通過(guò)重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng),以此檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化,同時(shí)要求小車(chē)具備自行走、自轉(zhuǎn)向功能,并能在自行走過(guò)程中精準(zhǔn)地進(jìn)行避障,最終以自主設(shè)計(jì)小車(chē)行走距離及避障數(shù)量作為比賽評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此,引入無(wú)碳小車(chē)項(xiàng)目主要是通過(guò)與工程訓(xùn)練教學(xué)相銜接,綜合體現(xiàn)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際動(dòng)手能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。目的在于激發(fā)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究與探索的興趣,加強(qiáng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神的培養(yǎng)。

在教學(xué)與實(shí)踐過(guò)程中,首先,通過(guò)機(jī)械工程發(fā)展案例融入社會(huì)的變化與發(fā)展、社會(huì)的改革與進(jìn)步,將機(jī)械工程發(fā)展史滲入到專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)中,使學(xué)生既有家國(guó)情懷、又有環(huán)球視野。其次通過(guò)對(duì)無(wú)碳小車(chē)項(xiàng)目介紹,讓學(xué)生通過(guò)了解無(wú)碳小車(chē)發(fā)展、結(jié)構(gòu)原理與演變,從而借鑒歷史、溫故知新,探索工程實(shí)踐的發(fā)展規(guī)律。最后通過(guò)前幾屆大賽案例教學(xué)成果的回顧與展示,加深學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)過(guò)程的了解,使學(xué)生在胸中升起一股追尋實(shí)踐真理的強(qiáng)烈愿望,并激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明的沖動(dòng)。

2.3 教學(xué)項(xiàng)目組織及準(zhǔn)備

為確保教學(xué)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn),將教學(xué)環(huán)節(jié)分為項(xiàng)目引入、教學(xué)演示、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)評(píng)價(jià)4個(gè)階段,同時(shí)在課程緒論中融入了新時(shí)代工匠事跡,通過(guò)學(xué)習(xí)工匠精神、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐求真能力[10-12],通過(guò)課堂案例教育來(lái)感染學(xué)生,培養(yǎng)大學(xué)生敬業(yè)守信、有責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)穆殬I(yè)精神,其中教學(xué)內(nèi)容與思政元素詳見(jiàn)表1。

表1 課程思政Tab.1 Curriculum ideology and politics

按照項(xiàng)目?jī)?nèi)容,結(jié)合我?，F(xiàn)有實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)及設(shè)備,合理安排項(xiàng)目所需設(shè)備等資源。加工環(huán)節(jié)設(shè)備采用數(shù)控銑床、數(shù)控車(chē)床、激光雕刻,以及量具、附具等;材料為YL12鋁塊、鋁棒、高碳鋼、亞克力板;根據(jù)每組學(xué)生設(shè)計(jì)小車(chē)零件的加工特點(diǎn)、關(guān)鍵工序,預(yù)估項(xiàng)目完成所需時(shí)間,由學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)施任務(wù),每組學(xué)生為5～6人,項(xiàng)目實(shí)施方案如表2所示。

表2 項(xiàng)目實(shí)施方案Tab.2 Project organization

2.4 教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施

教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵在于項(xiàng)目實(shí)施。根據(jù)教學(xué)組織安排,實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的任務(wù)流程。學(xué)生接受項(xiàng)目任務(wù)書(shū)后,首先,結(jié)合理論教學(xué)知識(shí),閱讀文案、明確任務(wù),查找資料、進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。其次,要分析關(guān)鍵零件技術(shù)要求、技術(shù)難點(diǎn),針對(duì)復(fù)雜零件(如凸輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等)進(jìn)行工藝分析、制定工藝路線;同時(shí)指導(dǎo)教師講解加工難點(diǎn)與重點(diǎn),針對(duì)零件質(zhì)量及裝配關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出要求;學(xué)生通過(guò)小組討論、師生交流的方式對(duì)任務(wù)實(shí)施進(jìn)行合理安排;最后,各個(gè)小組根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案,按照所學(xué)理論與實(shí)踐操作知識(shí),合理安排各零部件的加工工藝與加工方式,同時(shí),正確選擇符合零件加工工藝的設(shè)備,完成小車(chē)各個(gè)零部件的制造、檢測(cè)與裝配。

2.5 教學(xué)環(huán)節(jié)任務(wù)評(píng)價(jià)

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)任務(wù)評(píng)價(jià)是工程教育必不可少的環(huán)節(jié)。無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)與制造實(shí)訓(xùn),針對(duì)機(jī)械類(lèi)大學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)、設(shè)計(jì)思路、工程實(shí)踐,以及在實(shí)踐中的項(xiàng)目自身修正進(jìn)行綜合考察與評(píng)價(jià)。無(wú)碳小車(chē)各個(gè)零件制作完成后,學(xué)生小組之間相互交叉,按照?qǐng)D紙要求使用檢測(cè)工具進(jìn)行零部件尺寸公差測(cè)量。對(duì)不合格品、超差品要分析其原因,同時(shí)與指導(dǎo)教師交流,提出工藝及加工改進(jìn)方案。然后,按照裝配要求完成小車(chē)總裝。在每個(gè)制造環(huán)節(jié)都要進(jìn)行小組自評(píng)、教師評(píng)價(jià),填寫(xiě)任務(wù)評(píng)價(jià)表(表3)。同時(shí)按照全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽的要求,各自小組對(duì)小車(chē)進(jìn)行運(yùn)行軌跡調(diào)試。在所有小組制造完成后,進(jìn)行無(wú)碳小車(chē)項(xiàng)目答辯及小車(chē)路演,此環(huán)節(jié)各小組按照小車(chē)設(shè)計(jì)不同進(jìn)行S環(huán)形或8字環(huán)形賽道挑戰(zhàn)。

表3 任務(wù)評(píng)價(jià)Tab.3 Task evaluation

3 實(shí)訓(xùn)成果展示

通過(guò)對(duì)無(wú)碳小車(chē)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn),每個(gè)小組都可以完成一部小車(chē)的設(shè)計(jì)與制造,圖3為機(jī)械類(lèi)學(xué)生設(shè)計(jì)S環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē),圖4為8字環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē)。兩部小車(chē)動(dòng)力勢(shì)能均通過(guò)后驅(qū)動(dòng)輪傳導(dǎo)至主傳動(dòng)軸,由主傳動(dòng)軸上主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)自行走功能。S環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)S形繞圈,前端使用螺旋測(cè)微器來(lái)調(diào)整小車(chē)避障軌跡。8字環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)8字環(huán)形繞圈,該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠,前端使用螺旋測(cè)微器來(lái)調(diào)整小車(chē)避障軌跡。

圖3 S環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē)Fig.3 Carbon free car in circular S track

圖4 8字環(huán)形賽道無(wú)碳小車(chē)Fig.4 Carbon free car on circular figure 8 track

在我校校級(jí)工程訓(xùn)練能力競(jìng)賽中,無(wú)碳小車(chē)項(xiàng)目的比賽獲獎(jiǎng)選手均是該課程改革實(shí)踐優(yōu)秀的小組,并且通過(guò)課程實(shí)踐、校級(jí)競(jìng)賽遴選出一批優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)參加省級(jí)、國(guó)家級(jí)競(jìng)賽,獲得優(yōu)異成績(jī)。我校在2021年中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽中取得突破性成績(jī),首次在全國(guó)總決賽中獲勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車(chē)項(xiàng)目銀獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、省級(jí)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。表4為我校在2021年中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽獲獎(jiǎng)情況一覽表。實(shí)踐證明,通過(guò)無(wú)碳小車(chē)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施,提高了學(xué)生的綜合工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

表4 無(wú)碳小車(chē)參加競(jìng)賽獲獎(jiǎng)一覽表Tab.4 List of prizes won by carbon-free cars in the competition

4 結(jié) 論

在工程教育背景下,工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師應(yīng)時(shí)刻踐行教師使命,以適應(yīng)新時(shí)代高校工程教育及創(chuàng)新實(shí)踐理念與人才培養(yǎng)的需要。本文通過(guò)工程實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革,以科技競(jìng)賽項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力?；诠こ探逃尘跋麓髮W(xué)生工程能力實(shí)踐課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐,為學(xué)生提供一個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái),達(dá)到符合本科高校新工科背景下工程實(shí)踐教育的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)施,學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用、工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力有了顯著提高,同時(shí),在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力方面也取得了較好的效果,為培養(yǎng)了具有工匠精神的大學(xué)生打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),本文的研究也為工程實(shí)踐類(lèi)課程教學(xué)改革提高了參考。