以机械创新方法为导向的综合实训实践与探索

李永亮 夏洪均

重庆工商大学工程训练中心 重庆 400067

工程教育回归实践是高等工科院校人才培养发展的必然趋势[1]。区别于欧美发达国家高等工程教育实践教学范式，我国高等工程教育的实践教学主要以高校工程训练中心的实训教学活动为主。近年来，随着高等教育的发展，尤其是先进教育理念和思想的引入，我国高等工程实践教育也进行了各种先进教学方法的探索，涌现了学导式教学法、目标教学法、情景教学法、问题教学法等一系列新型的教学方法，其中以学生实践能力提升为培养导向的项目驱动法的教学实践，是当前高等工科院校采用的普遍形式[2]。

人才培养是高等教育的首要任务，高等工程教育培养的工程人才必须拥有理论、技术、实践等多方面综合素质，这在近年来的工程教育认证以及新工科的发展要求中可见一斑。综合能力、实践动手能力、创新创造能力是我国未来高等工程教育培养高素质工程人才的永恒主题。然而，综合能力和实践动手能力，是可以通过不断学习获得的，创新创造能力却不是一蹴而就，能够轻松获得的，需要一定的机制或体制慢慢培养出来，这也是我们国家近年来不断强调创新创业教育的原因[3]。现代管理学之父彼得•德鲁克说过：“二十一世纪唯一重要的事情就是创新。”从强调创新的重要性，回归到人才的培养，那么作为我国高等工程教育特有的实践教学平台—工程训练，究竟如何才能培养出具有创新性的高素质人才呢？创新没有固定的模式，创新需要新思维，创新需要创意，为此我校提出了在以项目驱动法为导向的工程实践训练中，引入机械创新设计方法，帮助学生培养创意、实现创新能力的提升。经过工程实训活动的探索，该方法能够形成创新机制，营造创新能力的良好氛围，最终实现综合能力、实践能力、创新能力的工程素养的形成。

1 项目驱动法与机械创新设计方法

工程训练是具有中国特色的工程实践教育理念和教学模式的创新，具有通识性基础工程实践教学特征，是培养学生实践能力和创新意识的重要教育环节[4]。随着我国高等工程教育改革的进行，工程训练逐渐发展了“以学生为中心”的项目驱动教学法，强调学生在项目中学会理论联系实际，实现综合能力的提升。我国很多高等工科院校都对项目驱动法的教学进行了探索与实践，例如哈尔滨工业大学把项目驱动法教学贯穿大学本科四年的教育全过程，通过设置创新学分、考研加分、优秀毕业生推荐工作等多种方式激励学生积极参与各种不同的实践项目教学活动，实现了学生综合能力的提升。总体上项目驱动呈现以下发展态势：一是多数高等工科院校都对以项目驱动法为导向的学生实践教学进行了理论和教学模式的探索，并进行了一定的应用；二是对于项目内容、实施方式及评价方式等操作方式缺乏统一的认证机制；三是部分高等工科院校围绕着各类竞赛、大学生双创活动等项目内容进行项目驱动实践，取得了一定的成效[5]。

机械创新方法是应用一定的工具、理论、方法解决实际工程设计问题，面向的是基于设计需求、概念设计、详细设计、产品加工的全过程系统方法论[6]。常用机械创新方法均是基于大量的知识体系、工程实践的再开发、再提升。随着现代设计理论和信息技术的发展，机械创新方法形成了一些独具特色的系统方法论，比较著名的有德国的系统化设计方法、苏联的TRIZ理论、美国的公理设计方法等。然而，鉴于有限的实践课时和学生的实际能力，系统的方法在工程训练的实践教学中可操作性不强，对学生的综合素质和能力要求太高。为此，我校结合工程训练的实际情况，本着既要提升实践动手能力，又要提高创新创造能力，拓展工程视野的目的，在分析了各类创新方法的基础上提出了基于项目驱动方式的机械创新工程实践训练教学方法。

2 基于项目驱动式机械创新方法的工程训练实践

2.1 教学策略

工程训练实践课程总体上以创新和实践内容为主体，总体过程是以解决实践项目为指导，在课程中始终贯穿机械创新设计思维规律，尤其是结合德国系统设计方法原理，把整个实训过程分成了任务与分工、设计、加工制作、项目评价等4个阶段，在具体实施每个阶段分析时，又借鉴TRIZ理论的阿奇舒勒矛盾矩阵、科学知识原理库等方法，让学生整合自己原有的知识体系，打破惯性思维，在实现实践能力提升的同时，促成创新能力的提升[7]。教学课程总体按照图1、图2的流程进行。

图1 实训项目总体设计流程图

图2 过程设计流程图

以项目为驱动的机械创新设计教学方法，创新设计与实践能力并重，通过团队的分工配合，综合了集体的智慧和力量，通过概念设计、详细设计，做到学以致用，同时在把设计的内容转化成制造的过程中，融入各类实训实操教学，建立一种基于需求性的技能实训教学，增强学生对学习技能的热情，变被动实训操作为主动学习，在进行工程制造认知的同时，掌握机械制造工艺相关知识体系、机械制造加工操作知识体系等内容。此外，项目过程的几次评价、汇报，可以通过草图绘制、板书写作、多媒体制作、多人协同、项目脱口秀等方式，展示并提升学生的自我总结能力、汇报演讲能力、逻辑思维能力、人与环境的适应能力等多方面综合素质。

2.2 教学方法与手段

(1)集中讲述：集中讲述主要内容有项目概况讲述、机械创新方法介绍及操作案例讲解、实训工种工艺及加工方法讲述。项目概况和机械创新方法介绍属于集中理论性教学，主要目的是让学生了解项目概况及内容选择，认知项目设计过程，知晓设计方法，能够应用各种工具及资源分析、解决问题。实训加工讲解主要是在详细设计方案完成后，将对所有实训学生按待加工零部件工艺工种分组，讲解所需技能的加工工艺方法及具体技能要求，同时在实训前后把安全操作与实训的相关要求灌输给学生。

(2)分类指导：按照各小组的设计思路、方案内容，进行小组式的分类指导。主要集中在概念方案设计阶段和详细设计阶段、工程图及工艺规程文件制订阶段等，教师结合各小组的实际情况给出指导意见，帮助学生分析、理解机械创新设计方法，并将该方法很好地应用在每一个小组的设计方案当中。

(3)线下学习：结合项目的具体进度安排，针对每个小组的实际情况，适时提出相应的课后学习计划安排，鼓励学生在线下围绕着项目短板内容，通过图书馆资料查阅、网络/慕课课程、相似案例解析等做好实训项目的线下“第二课堂”的学习，确保项目的完成。

(4)多样化考核：建立多样化的考核机制，实施安全教育考核、创新设计考核、进度与经济性考核、工艺及加工操作考核、汇报考核等多项考核内容，实施分数加权制度，鼓励学生发挥自己的优势和特长，对于特长突出的给予加分项，获评的优秀项目可以获得推荐到学院参加省市级、国家级各类竞赛的资格，同时可以获得学生的创新学分。

2.3 教学实践

(1)教学实践中，根据实际情况及个人意愿选择二十多位学生，分成4个团队，以水果采摘器创新设计与制造作为实训项目，开展实训教学探索与实践。实施上，集中讲述项目内容及各个环节，同时进行机械创新设计方法的介绍，着重介绍项目的要求、方案评价体系的构建方法、项目概念设计、项目详细设计等过程。

(2)项目概念设计方案评价体系主要围绕着用户要求和功能要求开展，列矛盾矩阵方案表格，由每名学生根据小组列举的方案进行评分，选择小组成员一致认可的最优可实施方案，对方案进行概念设计，然后再进行详细设计。

(3)项目加工及评价机制：详细设计完成后，需将相关零部件转换成可加工的工程图，根据加工需求，将各小组学生重新打散分组，按工种需求进行单工种操作实训内容的讲解和实训操作，加工完成后，进行装配调试，并准备最后的项目汇报。项目加工鼓励学生多参与、多实践，实践加工以数控加工、3D打印、激光加工、钳工技术等为主，要求每名学生参与至少两个工种内容的实践学习。

(4)教师评价：教师评价方法是多方式加权进行，总分100分，分成“安全操作与实训10%+概念设计10%+详细设计20%+项目汇报20%+零部件加工20%+团队协作10%+经济与环境保护10%”。项目总体评价优秀者，可推荐参与市级及以上同类机械设计创新大赛。

3 结语

经过实训实践探索，开展以机械创新设计方法为导向的项目式工程训练实践教学，打破了传统灌输式、机械式的枯燥教学方式，收到学生的广泛好评，然而就总体评价而言，各有利弊。优点表现为：一是项目驱动式教学方式是未来工训发展的必然，是有效提升学生综合实践能力的必要手段；二是机械创新设计方法作为指导创新的一般方法，其理念、思路是可以移植的，并不仅限于机械工程领域，学习该方法对于拓展知识视野、发展创新思维、让学生实现自我学习具有重要意义；三是这种实训教学模式结合学生的兴趣和技能、学习意愿，极大提升了学生学习的主动性，把技能性的学习变成一种快乐的体验。缺点表现为：一是采用这种方法对于实训教师的要求很高，教师需要能够驾驭该方法，并且需要有较强的理论知识和综合实践能力；二是这种教学模式过程较多，如何高效、有效地管理课程，让所有学生都能参与，是个难题；三是这种教学模式强调了发展学生的创新能力，但对于具体实践能力相对要求较低，实践能力与创新能力不匹配，且无法有效量化每一名学生课程实训的成绩和能力。

在工程训练中开展这种以机械创新设计方法为导向的项目式实践教学，对于提升学生的创新能力，培养良好的工程素养具有积极意义，然而在具体的教学内容、教学方法的实施上，尚有很多问题亟待解决，还需要进一步探索，通过不断的教学实践、总结、提升，把这种方法落实到工程实训教学的日常教学中，形成一种科学的实训教学文化氛围。