学科竞赛和实践教学相融合培养新工科人才的研究

姚利花 郭刚 张占东 张楠 李妍姝

[摘 要]为培养具有创新能力和实践能力的新工科人才，针对现有实践教学环节中存在的问题，结合学科竞赛的特点，提出以学科竞赛和实践教学相融合培养新工科人才的教学模式。实践证明，将学科竞赛内容融入实践教学对学生的独立思考能力和实践能力的培养有着积极的促进作用，是培养新工科人才的重要途径。

[关键词]新工科;学科竞赛;实践教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）06-0038-04

《关于实施“1331工程”统筹推进“双一流”建设的意见》（晋政发〔2017〕4号）[1]明确指出要积极探索和改进完善山西省高校创新创业人才培养模式，强化实验实践教学、创新创业教育，强化科学精神和创造性思维培养，提高学生的创新能力、实践能力和就业创业能力。

新工科实践教学包括实验教学、课程设计、实习实训、毕业设计（论文）等环节[2]，始终贯穿于新工科教育的整个过程。以学科竞赛和实践教学相融合培养新工科人才，从而使学生融入其中，提升学生的综合素质，带动新工科实践教育向前发展，对培养新工科人才具有重要的意义。

一、传统实践教学环节存在的问题

（一）重理论课轻实践课

目前，大部分高校虽然对强化实践环节讲得很多，但是其实践教学环节相对较弱，落实不到位。一方面，培养方案中，理论环节课时较多，实践环节所占比重较小，且实践环节要求较低，学生感觉较轻松，没有付出多少时间和精力;另一方面，在实践教学中，因仪器设备得不到保障，多人共用一台设备现象较多，这样就出现了“蹭实验”现象，或受企业生产、运行等因素的制约参与一线生产的机会很少，存在“放羊式”“观光式”实习现象。因此，实践训练效果较差。

（二）实践教学模式缺乏主动性

长期以来，大部分高校的实践教学模式是完成理论基础教学后再单独开设实验教学、课程设计和毕业设计。实验教学内容较简单，且基本上是按照教师或实验指导书中的说明去做，没有培养学生的独立思考能力;课程设计和毕业设计中，教学内容和进度由教师统一规定，学生被动地完成学习任务，其主观能动性和参与性不够。因此，实践教学并没有达到培养和锻炼新工科学生实践能力的目的，效果较差。

（三）课程设计内容缺乏新颖性和实用性

目前，大多数的课程设计内容是对通用机械系统的设计与分析，这与学生的实际生活相关性较小，学生对设计内容了解不深入，没有认识到设计内容的重要性，兴趣较低，造成学生在课程设计过程中只是简单地进行模拟设计，而对具体的问题不认真思考，没有达到实践教学的目的。

二、学科竞赛与课程理论教学实验、实习实训的区别

笔者在组织、指导大学生参加“全国大学生工程训练综合能力竞赛”“全国大学生机械创新设计大赛”等面向工科类专业的学科竞赛过程中以及日常教学活动中发现，学科竞赛与课程理论教学实验、实习实训存在着显著差异，如表1所示。

鉴于此，有必要将理论教学实验课程与实习实践课程的知识结构进行有效整合，充分调动学生的积极性，组织学生参加相关专业的“校、省（赛区）、国家”三个层次的学科竞赛、比赛，探索、总结可复制、可推广的地方高校工科专业应用型人才培养的经验及模式，并在此过程中不断强化实验实践教学和创新创业教育，有效提高新工科学生的创新能力、实践能力和就业创业能力[3]，切实增强新工科学生的科学精神和创造性思维能力。

三、学科竞赛的意义

（一）提高新工科学生的创新能力及实践能力

学科竞赛具有很强的实践性，是学生综合运用知识解决实际问题和体现学生实践能力的平台[4]，可以培养新工科学生的想象能力、观察能力、创新能力、实践能力等综合能力[5-6]。以“全国大学生机械创新设计大赛”为例，竞赛过程的各个环节如图1所示，参赛各阶段学生的表现和指导教师的作用如表2所示。动员阶段需要学生认真理解主题与内容，通过搜集资料、查阅文献确定题目;系统设计、运动分析和加工调试需要学生结合机械原理、机械设计、理论力学、材料力学和机械制图相关知识进行功能设计、机构设计、运动分析、受力分析、材料的选择、零部件的设计和装配等，确定最终方案;赛后提升要求学生将自己设计的作品申报专利或发表学术论文。整个过程要求学生不断思考，反复设计、试验，发现问题，提出解决方案，完成作品（模型）的制作、调试。

通过学科竞赛活动，有效组织学生开展课外科技活动，让大多数的学生都能参与科技创新活动，增强学生对创新、创造的认识和理解，使学生能运用所学的知识和方法去分析生活和学习中的实际问题，并对问题提出解决方案，从而培养学生的创新思维和实践能力。

（二）培养新工科学生的团队合作精神

学科竞赛一般很难由一个人独立完成，需要学生利用团队的力量去分析问题、构建思路、制订方案，完成从理论到实践的转化，这是培养新工科学生团队合作精神的有效途径[4]。从表2可以看出，学科竞赛需要以学科交叉、年级交叉、特长交叉为基础，搭建大学生创新、创业团队，鼓励学生在术业有专攻与博采众长间取得平衡，引导学生兼顾发挥工匠精神与提倡团队合作，让学生能够运用自身专业知识及团队成员优势将头脑中的奇思妙想转化成技术上可执行、实践中可操作、成本上可接受的設计方案[7]，胜任机电、控制等领域相关设计、制造及应用方面的工作，锤炼其创新思维能力、创业洞察能力、团队协作能力及动手解决实际问题能力。在现场答辩环节，要求参赛学生共同表述出设计的方案、作品实现的功能等，并能准确回答评委提出的问题，可以培养参与答辩的学生的协作能力、合作精神及沟通交际能力。总之，在学科竞赛过程中，师生团结合作，形成指导教师—高年级学生—低年级学生交叉融合的团队攻关模式，最终取得优异成绩，有利于进一步培养学生的团队合作精神和协调组织能力，提高学生参与竞赛的积极性，促进高素质本科创新型人才的培养。

（三）营造良好的学习氛围和学风

学科竞赛是要在理论教学的基础上，通过激发学生的兴趣来引导学生在实践中主动发现问题，运用所学专业知识解决问题，培养新工科学生的探索精神、创新思维、实践能力等综合能力[8]。因此，通过竞赛可以培养一批创新能力和实践能力强，勤奋好学的优秀学生。学生获奖后产生强烈的榜样模范作用和影响力，会带动整个班级甚至整个学院的学习氛围，使学生相互学习、共同努力，营造出良好的学习风气。

（四）提高教师的业务水平

从表2可以看出，学科竞赛离不开教师的指导，在参赛的过程中，需要指导教师讲解主题并对学生提出的方案进行把关、审核图纸、调试样机、讲解答辩要点、鼓励学生与解决随时可能出现的问题。另外，学科竞赛题目往往来自当年的社会热点或技术前沿，一般具有广泛性和综合性的特点，要求指导教师有较高的业务水平。因此，指导教师必须掌握与学科竞赛相关的核心课程，促进教师更加主动、努力、勤奋地钻研相关专业知识。教师还可以结合学生在学科竞赛中遇到的问题进行理论教学，不断提高业务水平。

指导教师可以参赛为契机，收集、整理本团队实际指导的和兄弟高校中的优秀参赛作品，并作为案例引入到今后的课堂理论教学及实习实践教学环节中，有效提高工科专业在校大学生的创新能力、实践能力和就业创业能力，同时提高教师的业务水平。

（五）促进高校相关政策的改革

学科竞赛的成功组织和开展，离不开学校各部门的支持和健全的教育体制，包括明确的规章制度、经费管理和奖励办法，且需要专人管理，使其制度化。

学校可以制定《大学生学科竞赛活动管理办法》，对大学生学科竞赛加以管理，对获奖学生和指导教师给予奖励，并逐步加大启动资金、运作资金的扶持力度，提高竞赛的质量和加大师生参与力度，并鼓励教师根据竞赛内容和结果对教学内容和方法进行调整和改进。

四、将学科竞赛内容融入实践教学

实践教学是工科院校、专业提高学生创新能力、实践能力和整体素质的重要载体，实践教学可帮助学生将所学知识、技能内化为自身的知识结构和素质能力。实践教学是由理论课程实验、生产实习、毕业实习、毕业设计（论文）等环节组成的有机整体，贯穿于四年大学教育的全过程。通过将学科竞赛作品及实物案例化，以探索式、研讨式教学方法融入课堂及实践教学的各个环节中，可将大学生自身现有知识结构不断体系化，并在此过程中培养大学生的创新思维能力和问题导向意识。

（一）将竞赛内容融入新工科实验教学中

近几届“全国大学生机械创新设计大赛”和“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”等学科竞赛，其参赛选题都是针对当年社会热点问题，且均是以实物样机形式参赛，这就要求参赛学生团队在指导教师的协助下自主独立完成包括市场调研、方案设计、结构设计、知识产权申报、结构强度设计、精度设计、控制电路设计、样机制作、成本控制、设计资料整理及现场答辩等在内的机电产品创新设计的所有环节。因此，与课堂理论教学实验相比，学科竞赛内容更复杂、全面，能够让学生深切体会到理论知识的不足，从而激发其主动学习兴趣，培养其独立思考能力，训练其动手能力，提高其实践能力。因此，可以对实验教学进行改革，将往年学科竞赛题目及实物样机模型穿插进实验教学中，丰富及完善实践教学的内容与形式。例如，将机械系统设计及方案设计融入“机械原理”实验教学中，将对实物样机的结构设计融入“机械设计”实验教学中，将对实物样机的材料选择及加工工艺路线优化融入“材料力学性能测试”实验教学中等。这样，实验内容更贴近生产生活，更具实用性，不但可以提高学生的学习兴趣，还可以使学生学会主动思考和积极创新，培养出具有创新思维与实践能力的新工科人才[9]。

（二）将竞赛内容融入新工科课程设计中

学科竞赛为课程设计提供了新思路和新课题，通过将学科竞赛作品及实物案例化，以探索式、研讨式教学方法融入各学科课程设计中，建立以课题为核心的课程设计教学模式，可以不断培养大学生的问题导向意识和工程实践能力。同时，结合现代机电产品创新设计的典型流程，可将目前分散在多门课程设计的实践教学环节进行有机整合。例如，可以结合学科竞赛参赛题目要求，将机械制图、机械原理、机械设计及互换性与测试技术等课程的课程设计整合为“机械系统综合课程设计”，其设计过程又可分为四个阶段。第一阶段，主要涉及机械原理和理论力学相关知识，要求学生完成机械系统的方案设计，制订初步传动方案。第二阶段，在第一阶段的基础上，根据机械设计和材料力学相关知识，完成机械系统及其关键零部件的强度设计。第三阶段，主要完成机械零部件的精度设计与互换性设计。第四阶段，根据前两阶段设计的内容，完成零件图、装配图的绘制与设计计算说明的撰写。这样，上述四门课程的实践教学环节可以围绕现代机电产品开发流程而有效整合为一个有机整体，指导教师则可以引导学生在吸收、对比、借鉴已有设计要求和作品方案的基础上，凭借自身专业知识在团队合作过程中优化、完善并提出功能更全、性能更好、智能化程度更高的设计方案，实现产品的迭代升级。

（三）将竞赛内容融入新工科毕业设计中

提高新工科专业人才培养环节中毕业设计的实用性和针对性，将竞赛内容与毕业设计题目相融合。比如机械专业学生的毕业设计题目可选择具有方向控制功能的小车凸轮机构的设计，实现精确转向的小车用凹槽凸轮推杆机构的设计等，材料成型专业的毕业设计题目可定为：镁铝合金激光焊接性能的研究，具有方向控制功能的小車凸轮机构用材料的设计等。通过这些毕业设计，使毕业设计的内容更贴近实际，不但可以激发新工科学生的兴趣，还可以锻炼其动手能力和综合设计能力[5]。

（四）将竞赛题目融入各级大创项目中

现阶段，大学生创新创业训练计划项目分为国家级、省级、校级三个层次。借助各级大创项目的训练，一方面可以调动大学生自主学习、钻研的主动性，激发他们的创新思维能力和问题导向意识;另一方面可以使大学生逐步掌握“工程项目”申报、执行、验收及结题的基本流程及其中的技术规范和财务制度。

笔者结合“第八届全国大学生机械创新设计大赛”的赛事主题及参赛要求，指导我校相关专业大学生完成了校级大创项目“立轨式自行车停车装置”，主要工作包括方案拟订、关键元部件设计、样机制作、知识产权申报、设计计算说明书撰写及结题验收等。

本次大创项目执行以来，项目组成员首先广泛查阅国内外相关专利信息及成功案例，结合具体的应用场景和使用要求初步拟订了该停车装置的技术方案及关键技术细节。这一阶段，项目组成员大学生主动参与现场调研、网络查新和方案拟订等工作，积极性很高。第二阶段，项目组成员结合自身专业背景开展了关键元部件的详细设计计算、精度设计与互换性设计、装配图与零件图的绘制、1∶5缩小样机的3D模型试制与装配。项目组成员在共同的目标激励下，分工协作、积极配合，共同完成了此阶段任务。第三阶段，项目组成员针对前期3D模型调试过程中暴露出来的问题，不断优化设计方案、完善技术细节，共同申报了一项实用新型专利，并按照大赛参赛要求及校级大创项目结题要求制造完成了“立轨式自行车停車装置”。2018年7月，在浙江工业大学举行的“第八届（2018年）全国大学生机械创新设计大赛全国决赛”中，本项目团队及该参赛作品取得了全国二等奖的优异成绩。

（五）引导学生参与本团队教师的科研项目

为满足我国经济社会发展需要和企业技术创新要求，本团队教师多年来承担了多项校企合作科研项目及省、市级科研项目，可以引导、组织学生参与到这些科研项目中来，让他们具体负责某一项任务。例如，学生可以在相关教师的指导下完成具体零件的强度和精度设计、撰写专利申报书、参与现场调试与运维等环节，实现理论联系实际、对接社会需求，并在此过程中拓宽视野、强化工程意识、树立成本观念、融入技术前沿。

五、结论

现有典型实践环节存在诸多问题，机械类学科竞赛更能培养新工科学生的学习主动性、实践能力和创新能力。参加过学科竞赛的学生，在后期的实践环节中，对实践内容和过程的掌控能力相对更强。因此，将学科竞赛融入实践教学，丰富及完善新工科实践教学的内容和形式，切实培养学生的创新思维和实践能力，为新工科人才的培养提供了新途径。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 山西省人民政府关于实施“1331工程”统筹推进“双一流”建设的意见[EB/OL].（2017-03-02）[2019-03-06]. http：//www.shanxi.gov.cn/sxszfxxgk/sxsrmzfzcbm/sxszfbgt/flfg_7203/szfgfxwj_7205/201703/t20170302_285019.shtml.

[2] 陈慧，陈敏. 关于综合性大学培养新工科人才的思考与探索[J].高等工程教育研究，2017（2）：19-23+47.

[3] 吴爱华，侯永峰，杨秋波，等. 加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[4] 何丽莉，张健，胡成全，等. 以学科竞赛促进物联网专业实践教学探讨[J]. 课程教育研究，2016（22）： 237.

[5] 张瑞成，陈至坤，王福斌. 学科竞赛内容向大学生实践教学转化的探讨[J]. 实验技术与管理，2010（7）： 130-132.

[6] 姚利花，张占东. 综合性高校在实践教学中培养新工科创新型人才的研究[J]. 教育现代化，2018（12）： 1-2.

[7] 赵新亮，张彦通. 地方本科高校向应用技术大学转型的动力机制与战略[J]. 高校教育管理，2015（2）：38-42.

[8] 裴九芳，王海. 以学科竞赛提高学生实践能力的研究[J]. 中国电力教育，2013（14）： 132-133.

[9] 周绪红. 中国工程教育人才培养模式改革创新的现状与展望：在2015国际工程教育论坛上的专题报告[J]. 高等工程教育研究，2016（1）：1-4.

[责任编辑：庞丹丹]