基于“工匠精神”的机械创新设计实践课程探索与研究——以西安航空学院机械创新设计实践课程为例

周 欣，宋 敏，周小勇，王 鹏

(西安航空学院 机械工程学院，西安 710077)

0 引言

我国经济高速稳定增长，步入发展新常态，经济发展建设急需大量创新型高技能人才。创新是经济发展与社会进步的核心与动力，而培养具有创新精神的高技能人才是实现创新的核心竞争力和有力保障。从中国制造走向中国创造，必须要脚踏实地的以“工匠精神”指导人才培养工作。作为高校教师，不但要传道授业解惑，还要在各自的教学及研究领域积极笃行李克强总理倡导的精益求精的“工匠精神”[1]。以精益求精、笃行笃改的“工匠精神”培养大国工匠，铸国之利器。

所谓“工匠精神”就是追求卓越的创造精神、精益求精的品质精神，其精神内涵即敬业、精益、专注、创新。应用型本科院校要培养具有创新精神的高技能人才，需要秉承追求卓越、精益求精的“工匠精神”，把“工匠精神”贯穿于各项教育教学改革工作中。本文以西安航空学院近年来在机械创新课程教学改革工作及教改成果为例，结合计算机辅助工程技术在机械设计的发展与应用，探索并提出了以“工匠精神”指导机械创新设计——CAE技术与机械创新相结合的新型培养模式，旨在为提升应用型本科院校创新人才培养提供一些借鉴。

1 背景与现状

目前，一些高校在机械设计学科领域存在着偏重基础理论课教学，对专业基础课程的重要性认识不足的问题。例如在专业基础课程教学中，沿袭传统的教学模式，对学生缺乏专业引导，学生学习兴趣不高[2]，教材更新缓慢，知识陈旧，忽视学生实际动手能力与综合素质的培养，其结果导致学生一味地死读书，读死书，实践和创新能力薄弱，每年培养的大批毕业生无法满足实体经济产业对人才所应具备的实际技能的要求，导致学生毕业即失业。

近年来，随着各种新的设计理论与分析方法不断涌现，大量计算机辅助分析设计工具层出不穷，同时带动了机械设计学科的深刻变革。随着电子信息和互联网技术的发展与普及，知识的信息内容和展示形式越来越多样化，学生获取知识的渠道也越来越宽广，学生的学习方式日趋多元化和个性化。互联网所具有的开放性、分享性等特点，使得原有的机械创新课教学暴露出一系列问题，如创新实验室投入不足、实验室缺乏有效管理、设备使用率低、设备维护不到位、学生无法以兴趣为导向做开放性机械创新实验等[3]。与此同时，课程实践及实训项目陈旧、难度偏低、缺乏新意且存在大量重复性环节；设计缺乏知识系统性和相关学科的融合性，无法引起学生学习热情等。因此，机械创新设计课程的教学改革势在必行。

2 探索与实践

培养具有创新精神的高技能人才，必须以“工匠精神”为指导，坚持“加强基础、强化应用、突出特色、提高素质” 的人才培养指导思想；树立“以学科建设提升本科教学水平，以本科教学质量促进学科建设”的可持续发展思路；以“为国家、为航空工业培养具备良好科学素养和创新精神，专业基础扎实、综合素质高的高素质应用性人才”为办学目标，依托西安航空学院机械工程学院的教学实力，逐步形成适合于应用型本科教育的特色实验教学体系[4]。

西安航空学院机械工程学院在课程及实践创新方面积极探索并取得了丰硕成果。由西安航空学院机械工程学院宋敏教授等人主讲的“机械设计基础”获2005年国家级精品课程，“机械制造技术基础”获2006年国家级精品课程；2005年和2006年“机械基础实验室”和“制造技术基础实验室”被列为重点实验室建设项目，2015年“机械基础实验教学中心”又被列为重点实验教学中心建设项目；荣获省级教学成果奖特等奖1项，二等奖1项；完成陕西省教育厅专项科研计划项目2项，教改项目2项；“机械设计基础”课程获批国家级精品资源共享课，“机械原理”和“机械制造技术基础”获省级精品资源共享课，“机械制图”和“公差与技术测量”获省级精品课程。“机械基础实验教学中心”现已形成了集设计、制造、计量、装配和学生创新一体化的大平台，为国家培养应用型人才创造了更好的条件，成为应用型人才培养的重要基地。

按照“夯实基础，注重综合，引导创新”的实验改革思路，西安航空学院机械工程学院以实践能力和创新思维培养为目标，不断完善教学体系，探索多类型、多层次、多方式的实验教学模式，培养学生的科学思维和创新意识，提高独立提出问题、分析问题和动手解决问题的综合能力。为使实验课程内容能真正满足学生基本实验能力、综合设计能力和创新发展能力的实际需要，对实验教学的内容、方法进行了认真探索和研究，优化实验项目与实践教学，并对应制定了三个层次的实验项目。

(1)基础实验(课内实验)。通过基础实验教学，使学生具备基本的实验能力，掌握基本的实验方法和测试能力，掌握基本工具的使用，同时对课本中相关专业知识的基本原理和基本性质有了深刻的理解，为培养学生的综合实验能力及创新性实验能力打下了坚实的基础。

(2)综合设计性实验(机械综合实验)。为进一步培养学生的综合设计能力，增加了“机械系统传动方案创新组合设计分析”“轮系创新设计拼装及仿真实验”“创意组合式轴系结构设计”“创意组合机械系统装配训练综合实验”和“机构运动创新设计方案实验”等实验项目，学生可在教师课前布置的多个题目中自行选择一个题目进行设计，设计好后在规定时间到实验室进行拼装搭接，验证自己的设计结果，总结经验及教训，逐步提升自己的设计能力及实验动手能力。通过实验课程这一环节的学习，多数学生具备能够进行简单机械设计的能力。

(3)创新实验(机械创新设计)。在创新性实验环节中，采用全国大学生机械创新设计大赛的主题、内容和要求进行机械产品的设计和制造，着重实践，强调“自己动脑、自己动手”。学生可自行组织设计小组，自己拟定设计项目，自由选择指导教师。学校每年通过奖励等政策鼓励学生积极参加各类学科竞赛，使学生在实践中得到锻炼，提高了学生的创新能力和团队协作能力。学院还开设有为期三周的机械创新设计实践课程，学生通过完成选题、定方案、做设计、出图纸、试加工、装配调试等一系列环节，最后由教师根据学生提交的实物进行综合评判打分。对于优秀作品，教师和学生进一步深加工完善，申报发明专利，并作为后续竞赛的储备作品。

师生共同研发教具与实验设备。自制了可以加工蜡制齿轮的小型插齿机20台，价值120万元。改进机械原理的齿轮范成实验，将在纸上划齿轮轮廓变为加工蜡制齿轮。自制牛头刨床教具，既是机构讲解教具，也是机构运动简图测绘实验中使用的实验设备，综合了机械原理和机械设计课程中涉及到所有常用机构和传动，其综合性是现有的机构测绘模型所无法比拟的。

3 改革与创新

3.1 引入现代设计方法与计算机辅助工程技术

在设计、分析、计算、校核、绘图等教学环节中，全面引入ADAMS、UG、AutoCAD、ANSYS等多种计算机辅助分析设计软件，探索现代设计方法与计算机辅助分析设计手段相融合实现创新设计的教学模式，综合提升学生的机械设计技能[5-6]。学院开设了“三维工业设计”“计算机辅助机械设计”“机械工程应用软件”“机械CAD/CAM技术”等课程。

以大多数工科院校开展的齿轮减速器课程设计为例，首先，对设计任务书进行理论计算与设计。其次，利用UG等软件进行减速器的三维结构设计，利用三维软件的二维投射功能或者AutoCAD软件绘制减速器的二维装配图和二维零件图。在此基础上，将建好的三维模型导成通用格式，导入ADAMS软件进行机构的创新设计、运动学与动力学分析。最后，利用ANSYS等有限元软件进行强度设计与校核，优化设计，总体把握并解决现代设计流程与计算机分析手段的匹配性、时间分配、实施难度等问题，并且对照理论计算的解析解，印证模拟仿真的有效性，加深学生对知识的理解程度。通过上述步骤可以有效减少实验成本，加快实验进程，实验门槛低，同时提高了学生操作的积极性[7]。

3.2 建立工匠坊与大学生创新创业实践基地

机械工程学院为了给学生提供创新创业的环境和条件，搭建了学生课外科技平台，提供了创新创业实践训练项目场地，实验教学中心创建了“大学生创新实践教学基地”，建设了25个以“创客空间”命名的创新工作室，开设了“工匠坊”实验室。其中的创新基地拥有面积达 1000 多平方米，并添置了车床、铣床、线切割机床及数控加工等设备，充分满足学生的实践需求。工匠坊实验室配备基本机械加工设备，提供有机玻璃或者金属型材、铝材等实验材料，对简单零部件进行车削、钻削、打孔、攻丝、装配与调试等操作。工匠坊配有专业指导教师提供专业技术支持，保障实验安全，并进行辅助加工等工作。通过这些条件支持，锻炼并增强了学生的动手能力，提高了学生的交流与合作精神。通过建构以上实践平台，学生将专业理论知识与机械创新实践相融合并碰撞出奇思妙想，在指导教师的指导下，其创新设计不只落在纸面上，也不局限于模拟仿真软件界面下，而是真正参与了 “设计构思—设计出图—产品加工制造及安装—改进”的整个环节，真正将所学知识转化为实际操作，加深了对专业知识的理解，同时为今后的职业生涯提供了扎实的专业基础和良好的技术储备。

3.3 教材更新与教师队伍建设

随着机械设计课程教学改革深化，必须及时同步更新授课教材。经过多次研讨，修订编著了反映最新教学要求和培养目标的教材，制定了符合最新教学内容与教学要求的新版教学大纲。在教师队伍组建方面，采用新老搭配、建设职称梯度、组建教学团队等措施，充分发挥老教师教学经验丰富、中青年教师擅长科研的优势，同时，结合教师假期企业实践锻炼和校企合作项目推进，结合自身教学特色和学生培养方向，补充完善现代机械设计方法流程，重点介绍基于CAE的现代设计方法在机械创新设计中的应用，训练学生熟练掌握专业基础知识、计算机辅助分析设计技能与机构创新设计能力。

3.4 赛教结合与取得成果

通过每年组织大量高质量的学科竞赛，例如“大学生机械创新大赛”“互联网+大学生创新创业大赛”等，给学生搭建展示自我才华的平台，在教师的指导下，师生共同参与，协作完成。例如，在2018微软“创新杯”陕西高校大学生创新创业大赛中，荣获多项团队奖、优秀组织单位奖和优秀导师奖；在2018“创青春”陕西省大学生创业大赛中获得一项银奖、三项铜奖；在“第一届陕西省大学生工程制图及3D建模大赛机械类比赛”中荣获团体赛一等奖1项，单项一等奖8项、二等奖8项、三等奖2项，并获得优秀指导教师奖4项。通过举办各类竞赛，既促进了教学思路和模式的改革，也检验了教学质量，真正实现了“以赛促教、以赛促学、以赛促改、赛教融合”。

由教育部、中央网信办等多家单位共同主办的“互联网+”大学生创新创业大赛，旨在深化高等教育综合改革，激发大学生的创造力，培养造就“大众创业、万众创新”的生力军；推动赛事成果转化和产学研用紧密结合，促进“互联网+”新业态形成，服务经济提质增效升级；以创新引领创业、创业带动就业，推动高校毕业生高质量的创业就业。以第三届“互联网+”竞赛为例，全校申报项目493项，共有49个项目获得校级奖励。机械工程学院获得一等奖2项、二等奖3项、三等奖9项。在第四届“互联网+”竞赛中，全校共有1770名学生参加竞赛，申报项目477项，共有79个项目获得校级奖励。机械工程学院获得一等奖4项、二等奖2项、三等奖13项。通过组织学生参加各类竞赛，并借助“工匠坊”加工制作平台，进一步深化了高等教育综合改革，切实提高了学生的创新精神、创业意识和创新能力。获奖作品数量统计如图1所示，各院系申报项目数量统计如图2所示。

图1互联网+大赛机械学院获奖作品数量统计图

图2各院系申报项目数量统计图

以全国大学生机械创新大赛为例，该赛事是由教育部高等学校机械学科教学指导委员会主办，面向大学生的群众性科技活动，目的在于引导高等学校在教学中注重培养大学生的创新设计能力、综合设计能力与协作精神；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作能力；通过大赛，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。2018年，机械工程学院共指导76名学生组成16支参赛队伍，所有参赛队伍设计的参赛作品均在工匠坊内完成加工制作、装配调试。参赛队员共获得一等奖1项、二等奖12项、三等奖3项，与上届比赛相比，参赛人数、整体作品质量、获奖等级均有显著提高，西安航空学院获得“优秀组织单位奖”。获奖作品数量统计如图3所示，各院系参与竞赛学生人数统计如图4所示。

图3机械创新设计大赛近两届获奖作品数量统计图

图4各院系参与竞赛学生人数统计图

4 结语

机械创新设计课程是机械工程专业所普遍涉及的机械设计与机械原理的综合学科，西安航空学院机械工程学院将CAE计算机辅助工程技术引入实践课程教学中，充分发挥了计算机模拟仿真技术在建模、仿真分析方面的优势，以“工匠精神“为指导，通过理论教学与实践教学的创新融合，加深了学生对专业基础知识的感性直观认识，通过指导学生参加各类设计大赛，提高了学生的实践动手能力并增强了学生的创新意识，提升了创新能力。

本文探索研究并提出了一种结合“工匠精神“指导机械创新设计——CAE技术与机械创新相结合的人才培养新模式。研究表明，与传统教学模式相比，学生参与实践的积极性高，充分发挥了设计才华，且创新设计思路大量转化为实物，学生对专业基础知识有了直观和感性的认识，提升了教学效果，提高了人才培养质量。