机械类专业大学生创新与实践能力培养体系研究

石永军, 刘 峰, 崔学政, 王新庆

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)



机械类专业大学生创新与实践能力培养体系研究

石永军, 刘 峰, 崔学政, 王新庆

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

针对现代大学生的工程意识普遍较低、创新能力不足的问题,从理论课程教学、实验与实训、大学生机电创新实验室3个方面搭建大学生创新培养体系,实现机械基础理论课程、课程系列实验、课程设计、创新平台之间的无缝连接,解决针对不同学生实际学习情况开展分层分类指导的问题,解决大学生创新活动中不同专业教师与学生之间、高年级与低年级学生之间有效沟通问题。

机械专业； 创新能力； 实践教学； 培养体系

改革开放，特别是党的十三届四中全会以来,大学生社会实践不断加强,取得了显著成效[1-2]。提升机械类专业学生的工程意识与创新能力,增强其综合素养,对于我国经济的持续稳定发展具有重要意义[3-6]。为了加强本科大学生创新意识与综合能力的培养,国内各大学都在积极探索适合本校特点的实践教学模式[7-10]。本科生培养方案中实验是主要的实践环节,但目前实验中演示性和验证性实验项目占较大比例,而综合性、创新性实验占的比重较少。由于在演示性和验证性实验中，学生是按照实验指导书上的步骤进行操作,缺少独立的思考,不能有效锻炼学生将所学知识进行融会贯通综合解决实际问题的能力,也不利于培养学生的创新思维和创造能力。另一方面,学生参加大学生创新训练计划由一个小的团队来完成研究,但学生缺乏研究与实验的场所,学生之间、学生与教师之间缺乏有效的交流与沟通。学生实践中很少有机会自己拟题,创造性受抑制,个性得不到发展。此外,机械基础理论课程设置、实验设置、课程设计、大学生创新训练、学科竞赛之间缺乏有效的链接。如何通过上述环节激发学生参与实践与创新的积极性，是一个亟需解决的问题。

本文通过从理论课程教学、实验与实训、大学生机电创新实验室3个方面构建大学生创新培养体系,有效锻炼学生将所学知识进行融会贯通综合解决实际问题的能力,培养学生的创新思维和创造能力,解决学生之间、学生与教师之间缺乏有效交流与沟通的问题,以及机械基础理论课程设置、实验设置、课程设计、大学生创新训练、学科竞赛之间有效衔接的问题。

1 建立大学生创新能力培养体系

机械类专业大学生实践创新体系包含机械基础理论课程教学团队、实验教学团队、机械基础课程设计教学团队、大学生科技创新协会、科技创新指导委员会、机电创新实验室6部分。机械基础理论课程教学团队研究在理论课程中增进学生工程意识与逐步培养创新意识的方法；实验教学团队研究验证性实验、综合性实验与创新性实验的设置,探寻通过实验培养学生实验技巧、动手与创新能力的方法；机械基础课程设计教学团队研究分类、分层次进行课程设计的方法,培养学生综合解决问题能力与创新能力；建立大学生科技创新协会与科技创新指导委员会,解决学生之间交流以及学生与教师交流的问题；机电创新实验室为大学生实践与创新提供了设备与场所。

机械类专业大学生实践与创新的培养沿着一条主线开展:基础理论部分初步培养学生的工程意识与创新意识,实验部分着重培养动手能力、在教师指导下的创新能力,课程设计培养学生综合运用所学知识解决工程问题的能力，以及部分学生创新能力与团队协作的能力。依托于大学生科技创新协会、科技创新指导委员会与机电创新实验室,结合大创项目、科技竞赛、自主发展计划等,对学生进行自主工程设计与制造能力、表达与沟通能力、创新能力等综合能力的培养，其培养体系见图1。

2 结合课程内容培养学生创新意识

机械基础理论课程主要包括机械原理部分和机械设计部分,是大学生工程意识培养和创新能力养成的重要课程,其特点是实践性强,理论联系实际紧密,与力学、材料、工程图学等多门课程有着密切的关系。通过学习使学生掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律,具有设计一般机械的能力,具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力,初步培养正确的设计思想和典型机械零件的测试能力。

为了提升学生的工程意识,在机械基础理论课程授课中以专业典型装备为载体,把连杆机构、齿轮传动、带传动等孤立的、零散的知识联系起来,实现内容的系统化和完整化,使学生把所学基本知识与工程实际联系起来。例如：石油工程专业主要涉及石油钻采装备,该专业的教学案例设置应围绕井架及抽油机等钻采装备选取；油气储运专业主要涉及石油存储等相关的罐体及运输设备,教学例题设置应围绕罐体密封与寿命,以及石油管道与特种运输车辆等进行选取；装备与控制专业主要涉及石油化工机械,教学案例应围绕石化装备密封与安全等设备选取。

为了培养学生的创造性思维,在每一章节后面增加相关发明专利等创新案例,展示基本知识点与创新竞赛作品对应内容,使学生了解别人的创新思维,让学生在学习的过程中逐步感受创新。机械基础理论课程知识结构见图2。

图2 机械基础理论课程知识结构示意图

3 构建团队协作的柔性化机械基础类课程设计体系

课程设计教学环节是学生巩固和深化理论知识的重要途径。为了培养具有组织能力、团队协作与协调能力、创新能力和工程意识强的机械工程技术人才,针对目前课程设计中存在的问题,探索通过柔性化的课程设计题目调动学生的积极性,以激发学生创造性。通过非固定的设计题目,逐步锻炼学生的设计构思能力,使学生克服思维定势的影响,针对新的问题能够正确运用形象思维与抽象思维,找到问题的最佳解决途径,通过团队协作进行整个题目的设计与计算过程,并通过样机试制培养学生实际动手能力和工程意识能力。

考虑到一个班级学生的实际情况各不相同,将参加课程设计的学生分为3部分：一部分学生参加常规的减速器课程设计；一部分学生进行减速器设计,可以对减速器的结构、安装、支撑、润滑形式进行改造,对改造部分有详细的计算分析过程；一部分优秀的学生可以自主命题进行课程设计,题目内容要包含齿轮、轴、轴承、带传动、链传动等机械设计所学的内容(见图3)。其中,自拟题目的学生组队进行课程设计,每队的人数由指导教师根据课题的难易程度与工作量来确定。让学生掌握机械系统的一般设计方法,学生需要自学齿轮减速器的设计。课程设计题目包括2部分,一部分学生的设计题目由教师确定的题目库中选取,教师确定的题目库主要来源于科研项目、历年的本科毕业设计与各类机械创新设计比赛；另一部分学生可以根据教师的设计要求,结合实际工程需要或机电产品竞赛提出新想法自己拟定设计题目。

为了使课程设计与机械设计基础课程紧密结合,对于所有的设计题目,要满足统一的课程设计选题规范。在设计过程中,学生可以充分发挥他们的想象力,进行新结构的设计与计算。组长负责工作计划的分配,并制定课程设计工作计划,确定出主要工作的时间节点；指导教师按照时间节点对所完成的工作内容进行检查。完成装配图与零件图后,由指导教师对图纸进行审核，审核完成后根据实物尺寸选择一定的比例进行模型制作。在试制过程中可能发现轴类零件定位、安装以及运动干涉等问题,设计团队再进行不断修改以完善设计,使学生体验从理论计算、图纸设计到实物制作的整个过程,逐步培养学生工程意识。

4 建立大学生机电创新实验室,实现创新软硬件资源优化配置

目前实验中心实验室全面开放仍有一定的困难。为了减少实验室教师的工作量,要充分发挥大学生科技创新协会与科技创新指导委员会的作用，需要去实验室参加实践与创新的学生可以与大学生科技创新协会联系，由协会统一与实验中心预约,实现实验室有计划的开放。

图3 分层分类指导课程设计示意图

大学生机电创新实验室是以培养大学生创新能力和实践能力为目标,为具有一定创新潜质的大学生提供一个对创新思维进行验证或变为现实的平台,也是各类机电创新竞赛的培育基地。大学生机电创新实验室拥有先进的实验设备,如快速成型机、机构创新平台、汽车设计平台和自动控制平台等设备。创新实验室建有五大创新模块:机构创新模块、机械创新模块、汽车创新设计模块、控制创新模块、制造创新模块。

建立机电工程学院大学生科技创新协会,制定协会章程、管理制度与运行模式,选举协会负责人与骨干,定期召开科技创新活动进行交流,使不同年级、不同专业学生在一起交流经验。建立科技创新指导委员会,探讨委员会的运作模式,聘请不同专业的教师对机电产品设计过程中存在的问题进行指导,解决指导教师学术背景不同而难以同时指导机械、电子、控制、计算机等多专业的问题。

由于机电创新实验室现有设备、空间尚不能满足所有学生进行实验,对于有较好项目的学生,向创新协会提出申请,创新协会根据项目的成熟程度,分批安排学生进入机电创新实验室。对于有创新想法的低年级学生,把自己的想法写成书面材料向创新协会汇报,由创新协会与科技创新指导委员会联系推荐指导教师,解决低年级学生找不到合适的指导教师的问题。创新协会吸收实践与创新活动成果突出的高年级学生或研究生,作为辅助的指导教师,把他们的经验传递给创新活动刚起步的低年级学生。创新协会根据学生从事科技创新与实践活动的情况,对研究团队做适当调整,把不同专长的学生组合在一起,避免项目研究内容重叠,解决了团队优化配置的问题。由于有些项目工作量较大,一届学生还不能做得比较成熟,创新协会负责把这些不成熟的项目再组织低年级学生继续进行下去,解决项目的持续发展问题(见图4)。

5 教学效果

面向本校机电工程学院、石油工程学院等7个学院23个专业3 000多名本科生开设机械设计基础课程设计、创新实验等实践教学,教学覆盖面广。先进的教学理念、丰富的教学内容以及现代化的教学手段,极大地激发了学生的学习热情。

(1) 学生综合素质高,解决实际工程问题能力强。学生经过实验掌握了一些实验设备、实验方法,提高了学生综合素质与能力,使得学生工程意识逐步养成。通过综合实验的训练,显著提高了学生的自学能力、实验技能和动手能力、分析和解决实际问题的能力等。毕业生就业率始终保持在95%以上,受到了用人单位的一致好评。

(2) 学生的综合设计能力和创新能力有了明显的提高。在学校的支持下每年举办课外创新设计大赛,并组织学生参加校外的比赛。学生的综合设计能力、创新能力和动手能力得到了极大的提高。近5年,先后指导大学生创新创业训练计划项目216项,学生在挑战杯、全国三维数字化创新设计大赛、山东省机电产品创新设计大赛中获得各类奖励179项。2015年大学生新增授权专利86项,其中,车辆工程专业12级学生刘勇的作品“高能摩擦制动器的设计及控制策略的研究”获 2015年挑战杯国赛二等奖。学生的作品充分显示了他们的创新意识和设计能力,不少作品能运用光、机、电知识,具有较好的功能和性能要求,部分作品经详细设计后可转化为产品。

(3) 课程设计改革取得良好效果。柔性化课程设计改革教学效果良好,既可以激发学生的学习积极性,又可以培养学生的创新能力、动手能力与团队协作精神。完成课程设计任务后,学生均表示收获了许多理论课堂上无法学到的知识,对于培养他们的工程意识与创新能力很有帮助。

该研究成果具有较强的示范和辐射作用,已在机械制造及其自动化、车辆工程以及工业设计等专业推广应用。

6 结语

随着改革的全面深化,经济发展对高等教育人才培养提出了更高的要求,为了全面提升我国经济的国际市场竞争力,需要越来越多基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的复合型人才。以培养大学生的动手能

力、工程意识养成、创新能力、综合运用所学知识解决实际问题能力为目标,深入进行机械工程实践教学内容、体系、方法和运行管理机制的改革,以创新实验、课程设计、大学生创新训练为抓手,引导学生开展自主实验研究,逐步建立柔性化、分层次、科学、系统的创新实践教学体系,为大学生搭建起适应时代需求的实践教学平台,对于本科生创新意识与综合能力的培养具有重要的指导意义。

References)

[1] 钟秉林, 董奇, 葛岳静. 创新型人才培养体系的构建与实践[J]. 中国大学教学, 2009(11):22-24.

[2] 冯洁. 创新型人才培养中实验教学的问题与对策[J]. 实验室研究与探索, 2008,27(4):102-105.

[3] 徐淑珍. 机械类专业学生创新能力培养的研究与实践[J]. 石油教育, 2008(4):44-46.

[4] 张友琴, 王萍, 朱昌平，等. 以大学生创新性实验计划为契机培养创新型人才[J]. 实验技术与管理,2011,28(7):167-170.

[5] 高思. 提高高等学校本科教学质量的重大举措[J] .中国大学教学, 2007(2):5-10.

[6] 葛岳静,赵欣如. 从本科教育教学解读研究型大学的人才培养[J]. 中国高等教育, 2003(15):29-30.

[7] 邹小平, 谢小妍, 张宇宙，等. 高校机械工程训练中心创新设计实践与探索[J].企业经济,2008(8):96-97.

[8] 王胜曼, 张建华, 陈占伟. 关于培养大学生机械创新设计能力的探讨[J].科技信息,2010(15):182-183.

[9] 明兴祖,唐川林,吴吉平，等. 机械大类专业实践教学体系与内容创新[J].实验科学与技术,2011,9(6):157-161.

[10] 闫茹, 郑甲红, 王宁侠. 机械基础课程改革与创新型工程人才培养探究[J].中国电力教育,2014(8):132-133.

Research on cultivation system of innovative and practical talents for mechanical engineering majors

Shi Yongjun, Liu Feng, Cui Xuezheng, Wang Xinqing

(College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum,Qingdao 266580, China)

According to the problem that the project consciousness and innovation talents of modern college students are generally low, the innovative cultivation system is built from three aspects, including theory teaching, experiment and training and students’ mechanical innovation laboratory. The connection can be achieved between the basic mechanical theory course, a series of experiments, the curriculum design and innovation platform. The different guidance can be carried out according to learning requirement of the different students. Communication can be obtained between different professional teachers and students, high grade and low grade students in the innovative activities.

mechanical engineering majors; innovative ability; practical teaching; cultivation system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.005

实验室创新

2016-05-26

中国石油大学(华东)教学改革重点项目“基于能力培养的机械类专业大学生实践创新体系研究”(JY-A201408)

石永军(1973—)，男，山东东营，博士，教授，博士生导师，中国石油大学(华东)机电工程学院副院长，从事机械工程、石油装备等方面的教学与科研工作.

E-mail：syjgl@upc.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)11-0018-05