基于慧鱼组合模型的机械类专业创新型人才培养模式

覃祖和 伍咏晖 莫兴洋

【摘 要】本文针对目前机械类专业创新型人才培养状况，以德国公司的“慧鱼创意组合模型”为载体，以培养机械类专业创新型人才为目标，提出在培养机械类专业创新型人才过程中的新模式，即慧鱼组合模型在专业课程教育、实训课程教育、综合创新能力培养的应用，为培养创新型人才的创新能力提供了借鉴和启示。

【关键词】创新型人才 慧鱼创意组合模型 创新能力 综合创新

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2021）23-0138-03

目前，中国制造业规模已超越欧美发达国家，跃居世界第一位，成为中国经济快速、健康发展的重要支撑产业。为了提高中国制造业在世界中的竞争力，需要不断地进行技术创新，加快企业的转型升级。现阶段，中国高等职业教育人才培养的总体目標是培养具有扎实的理论知识、精湛的技术技能、较强的创新意识的应用型、实践型、创新型高级复合型人才。这样的人才属于知识技能型，能够运用专业理论知识解决生产一线中的问题，同时在实践操作中注重技术技能创新。

一、目前机械类专业创新型人才培养现状

在现阶段，培养大学生的创新意识、创新能力与实践能力已成为高校越来越紧迫的一项任务，尤其在国家实施“中国制造2025”制造强国战略之后，培养机械类专业创新型人才对高校来说更是一个严峻的挑战。一直以来，机械类专业人才培养模式是理论学习与实践操作环节互相独立，理论与实践缺乏融合，这种人才培养模式无法实现“学中做、做中学”，导致学生无法将学到的理论知识与具体的工作实践相联系，缺乏实践能力和创新能力。加之实践教学环节中教学设备硬件有限，实践教学内容大部分是演示式、模仿式和重复式，没有引导学生自主分析、思考和研究，无法给学生一个自由发挥创造的空间，学生按部就班式完成实操任务，缺乏创造性和创新性，久而久之，学生的思维受到了严重束缚和禁锢，最终导致学生的创新思维、创新精神和创新能力不足。长期以来，中国高等职业教育人才培养缺乏企业的参与和引导，造成人才培养目标与企业需求脱节，严重影响和制约了机械类专业创新型人才培养质量，主要原因是缺乏有效的产学研合作机制。高等学校、科研机构、企业之间在人才培养方面仍然难以达成有效的运行机制，主要体现在高校热、科研机构和企业冷的尴尬局面。

为了能够培养出更具有创造性和创新型的机械类专业人才，有必要探索一种新型的人才培养模式。机械类专业学生学习的专业课程主要包括机械设计、机械制造、液压与气动、PLC控制等课程，这些课程需要相应的硬件设备来训练学生的专业能力、实践能力和创新能力。目前，很多学校由于扩招导致经费投入不足，实践教学设备的数量无法满足学生的学习需求，同时现有的实践教学设备功能过于单一，基本上只能用于某门专业课程、某个实训项目、某个学习阶段的教学，不能满足学生对不同专业课程、不同实训项目、不同学习阶段的需求，因此迫切需要一种成本低、功能齐全、适合机械类专业学生对不同专业课程、不同实训项目、不同学习阶段需求的实践教学设备。

二、慧鱼创意组合模型简介

慧鱼创意组合模型（fischertechnik）是一款用于工程技术智趣拼装的组合模型，于1964年诞生在德国。它涵盖了机械、气动、电子、控制、传感器技术、机器人技术、新能源技术等多学科技术，以机械、电子、气动元件作为基本构件，加入控制器、传感器、驱动器、控制软件和控制程序，可用于实现工业生产设备、大型机械设备操作的模拟、技术原理的过程还原。慧鱼创意组合模型作为科学原理展示、技术过程还原的理想载体，能够为创新实践教学、实验实训教学、科研创新、生产流水线提供可行性验证。在国内，已有超过500所高校使用慧鱼开展教学科研、科技创新活动，引导学生在实践中学习工程技术知识，培养学生创新实践能力和综合素质，提升学生的科学素养，让学生在验证理论知识的同时，实现理论知识和实践的统一。国际上也有一大批知名企业引进慧鱼创意组合模型产品以论证生产流水线，如德国的西门子、宝马，美国的IBM等。

三、慧鱼模型在培养机械类专业创新型人才中的应用

慧鱼创意组合模型集教具和仿真模型于一身，是创新教育和创新实践的优良载体，为创意的有形化提供了桥梁，可以用于培养机械类专业学生不同课程、不同实训项目、不同学习阶段的实践能力和创新能力。因专业改革发展的需要，2017年，广西机电职业技术学院机械工程学院引进了慧鱼创意组合包模型，包括机械技术组合包、机械演绎组合包、工业机器人组合包、机器人探索组合包、机器人技术组合包、气动机械组合包等不同学科技术的模型，并建立了慧鱼创新实验室，可用于机械类专业学生不同课程、不同实训项目、不同学习阶段的实践能力和创新能力的培养。

（一）专业课程教育

学院机械类专业开设的专业课程有机械原理、机械设计基础、液压与气动技术、PLC可编程控制技术等，这些课程专业性强，机械结构抽象复杂、原理深奥，学习这些课程要求学生具有一定的空间想象能力和逻辑思维。一直以来，“机械原理”“机械设计基础”“电气控制”等课程的传统教学方式是以教师为中心，课堂集中传授理论知识，学生被动式接受知识，学生在学习过程中缺乏对机械结构、原理的观察和思考。而引入慧鱼创意组合模型授课可以改变传统纯理论式授课模式的枯燥乏味，教师讲授理论知识后将慧鱼模型组合包分发给各个学习小组，各小组根据任务书的要求，运用机械结构、机构运动原理、电气控制原理进行设计和组装实物模型，在设计和组装实物模型过程中，学生可以加深对各种机械结构、机构运动原理、电气控制原理的感性认识，锻炼学生实践能力的同时也提高他们的创新、创造能力，还可以激发学生的学习兴趣。以“机械设计基础”中铰链四杆机构教学为例，说明专业课程教育如何与慧鱼创意组合模型进行结合。铰链四杆机构的传动原理、运动规律是学生的学习难点，通过采用现场教学方式，教师讲授完四杆机构的理论知识后，学生运用慧鱼创意组合模型设计并组装汽车雨刷器模型（图1所示），学生在课堂上亲自参与设计、组装、调整、测试、观察和讨论，使学生更容易理解铰链四杆机构的运动原理和运动特性特点。运用慧鱼创意组合模型来辅助专业课程教学，极大地提高了教学效果，学生能够把原理和方法与具体运用密切联系起来，培养了学生运用理论知识解决工程实践问题的能力。

（二）实训课程教育

实训课程主要是考查学生运用所学专业知识进行机电系统设计、加工、装配的能力，由于慧鱼创意组合模型具有集机械、电子、液压、气动、控制技术于一身的特点，可以将慧鱼模型引入实训课堂，用于训练和培养学生的综合系统设计能力和创新能力。教师设置综合实训项目，项目尽可能结合生产实际并涵盖机、电、液、气、控制于一体，如数控铣床、数控车床、数控钻床、立体仓库、传送带、搬运机器人等，以2～3名学生为一个团队小组，团队小组根据实训项目任务书的要求进行作品创意构思与结构设计，并利用慧鱼模型组合包设计和组装作品实物、编写作品控制程序、连接作品电路、调试作品控制程序并实现任务书要求实现的功能。实训期间，要求学生编写作品设计说明书、制作项目答辩PPT、录制与剪辑影像，目的是培养学生的文字应用与编辑能力、影像和PPT制作与编辑能力。实训结束后，安排学生现场答辩和路演，答辩和路演环节需向指导教师、全体学生演示作品，目的是培养学生现场随机应变能力、沟通交流能力。以“慧鱼创意组合模型”作为载体开展实训项目，有助于培养学生的实践能力、创新能力、综合应用知识能力、团队协作能力，极大地促进了学生综合素质能力的提升。为了提高学生运用所学专业知识进行机电系统设计，运用慧鱼创意组合模型开设机电创新综合实训，实训时间为2个星期，学生根据实训任务书设计一款三自由度工业机器人（图2所示），其中三自由度工业机器人带有识别物体表面颜色的传感器，机器人能够根据识别的结果把物体搬运到立体仓库并按颜色归类。通过这个实训项目，帮助学生把各部分的机械设计知识、电气控制知识互相联系起来，在程序调试阶段，学生将会更深入理解电气控制原理，同时也培养了学生运用所学基本理论与方法去分析和解决工程实际问题的能力。

（三）综合创新能力培养

综合创新能力是机械类专业创新型人才培养的目标，这种能力的培养主要结合大学生第二课堂和学科竞赛进行。慧鱼创意组合模型涵盖了机械设计、机械原理、电子控制、气动控制、汽车技术、机器人技术、遥控技术等多学科技术，以机械演绎组合包、工业机器人组合包、机器人探索组合包、机器人技术组合包、气动机械组合包作为载体用于培养学生的综合创新能力。学生在第二课堂中可以结合现实生活、生产需要进行作品创新、创意设计，再利用慧鱼创意组合包模型将创新创意变为现实作品，运用慧鱼ROBO Pro编程软件、PLC编程软件编写程序控制模型并验证创新创意的可行性。例如，生活中许多学生喜欢玩一种弹球游戏，游戏过程中，小球从发射点出发后，参与者通过控制弹射手柄击打小球，小球上升过程需要通过不同的分区，如果进入无效区，本轮游戏结束。根据弹球游戏的原理，学生可以运用慧鱼创意组合模型设计一款弹球机（如图3所示），该弹球机综合了机、电、光、气等技术，是一款技术复杂程度很高的产品原型机，可以用于验证产品机的可行性方案和各项技术指标。这样教学，有助于学生树立创新思维观念，激发创新欲望，了解创新方法。学生还可以根据自己的兴趣和能力参加学科竞赛，利用竞赛平台培养自己的综合创新能力，目前，结合慧鱼创意组合模型开展竞赛的有全国大学生机械创新设计大赛、全国慧鱼工程技术创新大赛。

图3  弹球机

综上所述，将慧鱼创意组合模型引入机械类专业创新型人才培养体系中，有效地将理论学习和实践操作深度融合，真正地实现了“学中做、做中学”的教学效果，克服了传统人才培养中“学、做”互相独立的不足之处。探索目前高等职业教育机械类专业创新型人才培养的新模式，为学生营造具有浓厚的创新创意学习氛围，提高了学生自主学习的主动性和自由探索的积极性，更好地激发学生将创造性思维应用到实践中。由于慧鱼创意组合模型的综合性和开放性，学生可以将所学专业知识进行应用性、创新性训练与实践，培养了学生的应用能力和创新实践能力，提升了学生的综合素质。

【参考文献】

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[2]沈瑜，金京，贾妍，等.“慧鱼”创意组合模型在机械类专业探究性教学中的应用探索[J].纺织服装教育，2017（1）.

[3]方琳，张远明.基于“慧鱼”模型实习课程的改革与启迪[J].电气电子教学学报，2016（2）.

[4]司文慧.应用慧鱼模型实现创新性开放实验的模式探索[J].科技信息，2014（13）.

注：2020年广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY32009）;2017年广西职业教育专业发展研究基地“广西职业教育数控技术专业及专业群发展研究基地”项目资助;广西机电职业技术学院科研项目（2017YKYZ004）

【作者简介】覃祖和（1986— ），广西象州人，硕士研究生，广西机电职业技术學院工程师，研究方向为机械结构设计与优化、智能制造应用技术。

（责编 黄桂婵）