机械学科研究生应用型创新实训课程改革

张 珂

(上海应用技术大学 机械工程学院, 上海 201418)

常规的研究生教育,课堂教学占据主导地位,已经远远不能满足社会和国家对高层次人才的要求[1-3]。应用型研究生的培养目标是培养掌握扎实的专业理论知识、具有工程问题分析和解决能力、能够独立承担专业技术和管理工作的高层次科技人才。传统教学模式是以知识为核心的知识驱动型,主要偏重于理论上的教学,项目驱动型教学方法的兴起,是近年来国内外高等教育领域备受瞩目的教学改革[4-6]。 项目驱动教学法在美国、日本、德国等国已有成功应用案例,强调学生的 “自主学习”与团队协作精神[7-10]。近几年,我校研究生培养已重视项目驱动教学法的应用,开始吸收并逐步得到实践。从2016年开始,我校积极开展研究生创新教育,以工程项目为纽带,培养应用型研究生工程素质及提升工程技术创新能力,取得良好的实践效果。

1 研究生创新实训课程改革思路

目前研究生的培养大多延续教师授课学生听讲的传统模式,使用的教材千篇一律,逐渐消磨着学生学习的主动性和积极性,并没有进行实质上的创新培养。很多研究生对于自己读研定位不明确,保持已习惯的本科学习模式,在学习时依靠教师的思想比较严重[11-12],不习惯自己独立完成任务,达不到研究生培育的要求。

针对上述存在的问题,为了加强和深入机械类研究生创新意识的培养,我校机械类研究生创新实训课程的改革思路主要有以下几点:

(1) 以“工程引导,应用驱动,学生自主,实物实效”为基本原则,采取“项目管理”的办法组织实施。

(2) 由研究生负责独立组建项目管理团队和管理创新项目。

(3) 学生自学为主,教师辅导为辅。

(4) 强化过程化教学管理,注重教学过程指导和监控。

2 创新实训课程教学模式设计

为了提高项目驱动式研究生创新实训课程的有效性,加强在研究生创新实训实施过程中的监督和管理,设立了创新实训小组创建、中期检查、学术沙龙、研讨课和考核汇报等环节,以保证实训课程实施的教学质量。

2.1 建立研究生创新实训小组

根据创新实训课程改革的总体设计,按照自由组合、专业方向互补的原则,在所有选课研究生中建立研究生创新实训小组,每个项目组设一名研究生项目负责人,小组一般由2～3名研究生组成。以成果实物优先的原则确定实训小组的实训题目。各实训小组的实训题目可选择教师推荐的,也可自主确立。每个小组准备介绍PPT,由研究生创新实训小组负责人进行介绍和讨论。各创新实训小组可以申请校共创学院的大学生创新训练计划经费资助,专用于实训所需,各项目执行时间为一个学期。

2.2 开展中期检查

在研究生创新实训课程进行接近一半时,要求每个实训小组制作PPT报告,进行创新实训的中期检查。由小组负责研究生在课堂上向任课教师和所有研究生汇报项目的进展情况和经费的使用情况,以及项目实施中遇到的困难。任课教师评审中期进展报告并结合研究生答辩表现给出评价分,并提出解决项目实施困难的参考建议。

2.3 自组织学术沙龙

每个研究生创新实训小组在课程中至少负责组织一次学术沙龙,预先设计好沙龙主题和活动内容,并提前告知所邀请的其他小组和非参加项目的研究生。学术沙龙由主办的研究生创新实训小组负责人主持,任课教师邀请其他研究生导师作为指导教师参加进行指导和点评。项目组内研究生集中介绍各自的工作进展和困难,集思广益,由专人负责记录实施情况及学术沙龙实施情况。

2.4 推行研讨课

在机械学科研究生应用型创新实训课程中,全程积极推行研讨课,以研究生为主,以任课教师为辅,强化问题式、启发式教学。

2.5 多样化考核

研究生创新实训课程结束时,每个创新实训小组按规定时间提交总结报告和汇报PPT,由项目负责人向任课教师和研究生汇报答辩项目完成情况和经费使用情况。任课教师评审根据总结报告并结合答辩情况和平时表现,给每个小组打分,确定考核等级。

3 典型案例分析

以2016级研究生创新实训课程为例,共建立20个创新实训小组,所有小组的实训题目注重成果工程应用化,申请了校工创学院大学生创新训练计划项目资助,本文中选择了5个项目小组作为典型案例介绍。

3.切实解决重点流域、区域环境污染问题。充分利用全国第一次污染源普查数据的成果，掌握污染源底数，依法加大惩处力度。对偷排污染物和屡次整改无效的环境违法行为实施重罚。坚持以人为本，构建和谐社会。把保障公民的环境权益作为工作的重点，当公众利益与企业利益发生冲突时，要把老百姓的利益放在首位。

3.1 小型酿酒机

小型酿酒机的主要研究基于原有酿酒方法,加入现代控制系统以及反馈系统,将酿酒温度控制在最适宜的温度范围,不仅提高了酿酒的生产效率,而且使原料的利用率更加充分,同时由于酿酒中活性菌发酵产生的其他杂质大大减少,使得酿出的果酒更加香醇,口感更佳。项目在Solidworks环境下建模设计,如图1所示。

图1 小型酿酒机建模

根据工艺配方,进行葡萄酒酿造试验。技术指标主要有:转速n=20-60 r/min；工艺温度(内胆温度)t=28(内 ℃；内胆容积5 L；内部工作电压应在安全电压以下。本产品研发出微型搅拌系统,兼有温度的控制和压滤技术,能够自动破碎果皮,不仅能提高原料的利用率,而且使果肉与活性菌充分混合,酿酒器发酵桶内部温度保持一致。本产品将打开个体酿酒市场,具有巨大的市场前景,带来较好的经济效益。

3.2 煤粉压平装置

项目要求设计并加工出一套被压煤粉上端的前处理装置及压平装置,来完成企业煤粉压平的需求。主要特色是用机器取代以前人工完成的操作,使其自动化。本项目已完成图纸的设计及加工,设计图见图2。减速电机带动齿轮在齿条上移动,装置在运动过程中完成煤粉压平。后期还需要实验验证和优化设计。

图2 煤粉压平机模型图

项目的实际效益主要体现在使生产工序自动化,提高工作效率及产品的质量。从设计及加工过程以及查阅市面上相关产品来看,本产品具有一定的应用价值。

3.3 钢性能检测仪器

项目针对搪瓷用钢抗鳞爆性能检测问题,采用新型试剂硫代硫酸钠代替欧洲标准中的剧毒试剂。检测设备较之前的更方便、快捷、准确,利用4根弹簧压缩产生的力来实现试样的初步夹紧,再用顶紧装置来实现最终夹紧,解决了之前靠4个螺栓拧紧来实现夹紧的方式,避免了因受力不均匀造成的实验结果有偏差的问题。设计的检测装置如图3所示。

图3 检测设备模型图

该产品用来准确测出搪瓷用钢的抗鳞爆性能,装置简便、快捷,为搪瓷用钢板制造商提供可靠、准确的测试结果,有利于推动搪瓷产业的发展。

3.4 脊柱医疗机器人

该机器人能根据手术中脊椎体的位置和姿态指令,引导机器人末端执行器(夹持手术刀)到目标位置并保持相应的姿态,本体具有足够的刚度、稳定性和运动精度,并且尺寸小、重量轻,从而使得医生更准、更稳、更可靠地操作手术。该并联平台为六自由度机械机构,主要构件包括机器人末端、基座、胡克铰、六对直线运动单元,如图4所示。

图4 并联平台机器人模型图

根据机器人本体的重量控制在500 g以内限制条件,每个直线运动单位的重量应控制在50 g以内,且其直径在6 mm左右,能承受的推力在10 N以上,且其运动精度误差<0.1 mm。在机器人进行离线路径规划之后,计算机根据下个规划点机器人的预期位置，计算出6个直线运动单元分别的输入参数(速度,位移),解决如何完成快速并精确驱动机构伺服控制算法问题。

由于目前中国手术机器人领域需求的迫切性,研究的成果将具备一定的实际效益。

3.5 特种钢筋绑扎器

本项目的特色为设备能够在黑暗、空间狭小的情况下完成钢筋绑扎的工作,在黑暗条件下实现可视化。当完成绑扎作业之后,设备可以顺利退出钢丝圈。据市场调研发现,目前国内外一些厂家已开发出全自动钢筋绑扎设备,但尚没有可以在盲区域进行钢筋绑扎作业的设备。基于此原因,现研究开发一种可以在黑暗、空间狭小的条件下进行钢筋绑扎工作的设备。经过前期市场调研分析,通过市场需求以及设备所需要面临的工作环境,在SolidWorks环境下建模分析(如图5所示),然后使用CAD进行详细工程设计。本项目已进入调试阶段,根据调试结果进行优化分析。

图5 特种钢筋绑扎器模型图

项目设计解决了人工在盲区进行钢筋绑扎的难题，操作方便省时,工作效率高。此工具的开发背景是基于混凝土预制构件的生产加工工艺进行设计的,该项目在混凝土预制构件行业可以进行推广使用。

4 实训实践的收获和思考

在此次研究生创新实训课程的实施中,由于创新项目均源自于工程实际问题,项目驱动式研究生创新实践切实锻炼了研究生分析和解决问题的能力,能较好地提升学生的工程素质和自信心。同时,在项目的实际工作过程中,研究生不仅要负责其所完成部分的技术研究,同时还需要与导师之间、团队成员之间进行沟通交流,锻炼了研究生的逻辑思维能力、组织能力和团队精神。上述5个典型案例中,研究生均撰写了发明专利和学术论文,进一步培养了他们的科研写作和总结能力。

通过研究生创新实训课程设计和实施,我们在机械学科研究生应用型创新培养方面也取得了一些有益的经验和思考:

(1) 建立有效的研究生创新管理实践与管理机制。研究生创新实践以工程应用驱动为基础,按“研究生自主实施,教师辅导为辅”的原则,按“工程引导,应用驱动,学生自主,实物实效”的原则,采用研究生项目负责制。

(2) 打造“创新双能型”教师队伍。研究生创新教育需要一支理论与实践创新兼备的“双能型”教师队伍，能有效组织和指导研究生进行应用型创新实训。教师本身必须有丰富的工程实践经验,这就要求一批教师不断深入开展校企联合的产学研项目,或到企业

挂职锻炼。

(3) 变“教中学”为“创中学,学中创”。研究生创新教育充分体现出综合实践能力的培养,需要改革传统 “教中学”的教学模式,强调创新实践,实施“创中学,学中创”。通过创新实训,研究生可以发现自己的问题,独立思考和解决问题,激发潜能。

(4) 培养模式由封闭到开放。把科研工程项目与研究生创新教育相结合,将工程实践教学作为研究生重要培养环节,形成了良好的理论教学与实践教学的融合、课内与课外的互补。可以充分发挥研究生自组织的作用,促进研究生创新知识的交流与活动的组织。

5 结语

通过应用驱动型研究生创新实训设计和实践,有效地提升了机械学科研究生分析解决工程问题的能力、创新能力和组织协调能力,以及明显推动了研究生的科研综合素质发展。培养模式以科研工程应用为载体,使研究生直接融入到应用项目的设计、实施和管理当中，不仅能有效激发研究生的科研工作和学习兴趣,也激励研究生积极地去发现问题、解决问题,不断提高创新理论水平和实践技能。