机械设计制造及其自动化专业创新设计课程教学实践研究

张善文， 孙永元， 葛正辉， 张燕军， 戴 敏

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引 言

机械设计制造是国民经济发展的基础，其发展水平的高低直接影响国家的国际地位。我国制造业经历了手工、机械化、自动化制造3个阶段，目前朝着智能制造方向发展［1］。智能制造是中国制造业高质量发展和竞争力提升的关键。为推动智能制造发展，国家出台了一系列重要文件［2］。2015年，“中国制造2025”将推进智能制造作为制造业发展的主攻方向［3］。我国制造业的发展对机械设计制造及其自动化专业人才提出了更高要求。培养专业基础知识扎实、创新实践能力强、综合素质高的机械设计制造及其自动化专业人才［4-6］，对服务和支撑我国制造业的转型升级具有重要意义。

机械设计制造及其自动化专业主要培养从事机电产品设计、制造、技术应用与运行管理等方面的复合型工程技术人才。在专业人才培养过程中，学生在学习数学、材料学、力学、传热学、电工电子学、计算机编程、机械制图等基础课程的基础上，还需完成一系列的实践课程，以达到专业培养目标。然而，随着智能制造的发展，制造业对本专业技术人才的要求又提高到一个新的台阶。在此背景下，当前机械设计制造及自动化专业教学改革显得尤为重要，尤其是面向未来智能制造人才培养方面，有进一步改进的空间。为此，探索了新形势下机械创新设计课程教学模式，基于课堂基础学习、大学生科技创新项目训练、学科比赛和毕业设计综合应用培养学生的创新设计能力，提高学生的专业实践能力。该教学模式以学生个人及团队合作为中心，通过专业基础知识的系统学习，大学生科技创新项目对专业知识的实际应用，学科比赛对专业知识的创新应用以及毕业设计对专业知识的系统巩固，最终达成专业实践的培养目标。实践表明，该教学模式具有较强的实用性，取得了良好的教学成效。

1 国内机械设计制造及其自动化专业实践课程概况

机械设计制造及自动化专业实践课程一直受到各高校重视，并做了积极改进［7］，但仍存在一些问题：停留在原有框架内，学生难以接触到新的工艺方法和手段，学生不善于发现问题，解决实际工程问题能力不足，理论脱离实际等。目前，该专业实践课程主要有实验课程、课程设计、金工实习、生产实习、毕业实习、毕业设计/论文等。

1.1 实验课程

实验课程在机械设计制造及自动化专业中占有重要地位，各高校均设置了不少学时进行实验课程教学。实验课程主要有大学计算机及程序设计、大学物理实验、理论力学、机械原理、机械设计、互换性与技术测量等基础实验课程以及液压与气压传动、机械制造技术基础、机械CAD/CAM技术等专业实验课程，帮助学生消化理论课程中接触到的各种设计及工艺原理，掌握专业设计与制造基本技能，提高学生动手能力。

1.2 课程设计

为使学生深入理解专业基础知识，更好掌握专业技能，机械设计制造及自动化专业均开设了工程图学课程设计、机械设计课程设计、机械制造技术课程设计、机械CAD/CAM技术课程设计、专业综合课程设计等实践课程，为培养合格的机械工程师打下基础。课程设计要求学生综合课堂所学专业知识，根据教学实践目标，通过查阅文献资料，形成设计方案，完成图纸绘制，编写计算说明书，设计工艺规程，完成各实践课程设计任务。

1.3 金工实习

金工实习是机械设计制造及自动化专业中重要的工程实践环节之一［8］。该课程要求学生在工程实训中心进行2周实习。实习过程中，学生应了解机械制造的一般过程，初步进行各种主要工艺方法的实践，了解常用加工设备的组成、工作原理及安全操作知识，对简单零件初步具有选择加工方法和制定加工方案的能力，在主要工种上应具有独立完成简单零件加工制造的实践能力。本实践课程对学生工程能力的提升有重要作用。

1.4 生产实习

生产实习是培养学生工程实践能力、工程实践意识和工程应用水平的重要实践环节，是学生接触企业、获得生产技术及管理知识，进行工程师基本素质训练的必要途径［9-11］。该课程一般要求学生在机械制造类企业进行为期2周的实习。实习过程中，学生应全面熟悉机械制造企业的生产工艺、生产组织、技术管理、质量保证体系和全面质量管理等方面的工作。

1.5 毕业实习

在毕业前，学生需要到生产一线进行实践学习。各高校的毕业实习时间不一，一般为1周～1个月。毕业实习要求学生在此期间找专业相关单位进行实习，返校后，提交实习总结。该实践环节旨在进一步强化学生的工程实践能力和工程实践意识。

1.6 毕业设计/论文

毕业设计/论文是培养学生实践能力的最后环节，也是非常重要的环节。该课程设置的时间一般是14周左右，要求学生综合运用专业知识和工程技术原理解决机械工程领域复杂工程问题，初步掌握科学研究方法。

1.7 问题分析

以上6大类课程构成了相对完善的实践课程体系：实验课程让学生掌握专业设计与制造基本技能；课程设计使学生深入学习工程设计技能（计算、手工/计算机绘图、计算机仿真、工艺规程设计等）；金工实习让学生初步熟悉机械制造的基本工艺过程及其装备；生产和毕业实习让学生全面熟悉机械产品设计与制造的全过程；毕业设计/论文让学生综合运用所学解决复杂工程问题，提升其实践能力。

然而，目前的实践课程体系仍存在一些问题。首先，工程项目/问题一般比课堂实践内容难度要大且复杂很多，这就需要培养学生的团队合作精神，在团队成员共同配合下完成。而现有实践课程设计过程中团队合作的内容不多，个人完成的实践内容居多。其次，实践课程内容一般是传统经典的、沿用下来的，不能激发学生创新能力。此外，在目前科研考核压力之下，高校教师更注重基础科学研究，较少关注具体工程实践，使得学生所做的课程设计、毕业设计/论文不能满足企业实际需求，不利于学生就业。在此背景下，已有实践课程内容更多地注重专业知识的传播，难以满足当前机械制造业的发展需求。结合以上情况，提出了一种基于课堂基础学习、大学生科技创新项目训练、学科比赛和毕业设计综合应用培养学生的机械创新设计课程教学模式，以弥补现有实践课程体系的缺点，更进一步培养学生的工程实际问题解决能力和创新能力。

2 机械创新设计课程教学模式

机械创新设计课程教学模式是基于课堂基础学习、大学生科技创新项目训练、学科比赛和毕业设计综合应用4个环节进行的。

2.1 课堂基础学习

课堂基础学习主要包括专业基础理论知识、专业技能和调研方法的学习。首先，专业基础理论知识的学习是本专业学生必修环节，是进行专业核心课程学习的前提［12］。比如，学生对机械制图基础知识的掌握与否，在很大程度上决定了其学习机械设计、机械制造等专业课的难易程度。其次，专业技能的学习是进行专业实践的前提。专业实践中，有的学生参加科创项目，通过调研有了设计想法，但不会用图表达，三维建模能力不足，只能找会的同学来帮忙，这样很不利于其在专业方向上的发展。课堂基础学习一方面强调专业基础知识的重要性，另一方面加强对各门课程的综合讲解与分析，让学生体会到专业知识的联系，形成专业知识体系。专业基础理论和专业技能的学习培养了学生从事本专业的工作能力，但没有培养其创新设计能力。毕业设计/论文时，不少学生不知道怎么调研，尚停留在做课程设计的模式中，认为老师会给他们相关资料，按照要求完成就行。不少学生的论文参考文献格式是直接从百度或者其他网站复制粘贴到论文后面，不知道参考文献是有国家标准的。因此，有必要对学生进行调研训练，熟悉主要文献检索网站，进行文献检索培训，让学生一开始就具备基本调研能力。创新想法不会凭空出现，往往是看过很多相关文献资料后，结合所学的专业知识，通过交流、认真思考与琢磨，才会产生。通过调研方法的学习，可以解决学生感觉资料少，找资料难的问题，有利于培养学生的创新想法。

2.2 大学生科技创新项目训练

大学生科技创新项目是各高校培养学生创新能力的重要途径［5］。在进行科技创新项目之前，①招收愿意参与科创活动的学生，一般招3～4组，每组3～4人，这样大约是半个班的人数。招收组数不宜过多或过少，一方面指导教师时间和精力有限，另一方面组数多了，教学效果不佳，组数少了，没有竞争，课题组间没有你追我赶的劲头，学习效果不好。每组人数也不宜过多，一般主持人是重要参与人，其他人都需要配合主持人完成科创项目，人多了，会出现工作任务分配不均匀、工作量相差悬殊的现象。②确定科创课题。科创课题的确定有多种途径，如：教师的科研项目，企业的技术需求，社会发展需求，产业需求，学生自己的想法等。针对学生的兴趣所在，教师与学生共同确定科创课题，这样学生能以团队的形式直接深入了解科技前沿、社会、企业、产业需求，有助于学生与社会的深度融合，提高科创课题的完成质量。③执行科创课题。学生经过调研方法的系统学习，可通过常用检索网站找到与课题相关的专利、论文和书籍等资料，从而对课题进行全面调研，提出创新设计想法，通过与教师、企业工程师等进行交流，确定设计方案，然后进行详细设计、专利、论文、结题报告撰写等工作。这里并没有让学生进行详细设计，设计方案的可行性验证，样机制作和试验等环节。因为科创一般在大二下学期时开始进行，很多专业课没有学习，完成难度较大。大学生科技创新项目可以让学生以主人翁的身份直接参与实践活动，有利于培养学生的创新设计能力，提高专业实践能力。

2.3 学科比赛

学科比赛具有与常规教学不可及的特殊教育功能，且与大学生综合创新能力培养密切相关［13-14］。鉴于国务院提出的“大众创新，万众创业”，目前，学科比赛的主题也均来源于社会和产业发展需求。比如中国高校智能机器人创意大赛的主题是：家用智能机器人-让生活更美好；第十届全国大学生机械创新设计大赛主题是“自然·和谐”。比赛主题均与我们的生活息息相关。比赛作品主要考查学生创新设计能力。学科比赛一般要求学生独立或合作完成作品图样设计、样品制作、报告撰写、动画制作、汇报答辩等一系列具有实践性和创新性的任务，最后呈现参赛作品。根据学科比赛的要求，一般大三下学期，学生基本学完专业课程，有专业基础参与这样的实践活动。为达到比赛要求，学生或学生团队需要进行精心调研、思考、设计、制作，并不断改进，使所学专业知识得到整合和融会贯通。通过大一到大三期间的课堂基础学习和大学生科技创新项目训练，学生基本具备了参加学科比赛的知识储备、设计能力和实践能力。学生可以利用专业所学，通过调研，方案设计，详细设计，设计方案验证，样机制作及试验，顺利完成学科比赛任务。对学生而言，其参赛情况对奖学金评选、保研就业等均为加分项，有利于激发学生参赛热情，有利于提高学生创新实践能力。

2.4 毕业设计/论文综合应用

毕业设计/论文是机械设计制造及自动化专业教学计划中最重要的工程实践能力培养环节，是该专业人才培养质量的重要体现［15-16］。通过课堂基础学习、大学生科技创新项目训练和学科比赛强化，学生基本具备了分析和解决复杂工程问题的能力。毕业设计/论文的题目选定可以是科创、比赛作品的进一步补充和完善，也可以是做一个新的与学生生活或工作相关的课题。学生可以自主选题，当选题确定后，可以再次重复科创和学科比赛所经历的各种环节。毕业设计/论文的时间很充足，足以让学生将大学4年所学进行综合应用，设计出质量比较高的毕业作品。学生可以完善科创中因时间不足，专业知识不够等原因而未完成的一些内容，如：课题的详细设计、设计方案验证等工作。学生也可以将科创或比赛作品的控制部分进行添加，完整地设计一个功能完善的产品。通过前期科创训练和学科比赛，教师指导学生进行毕业设计/论文会比较轻松，学生做起来不会感觉到困难，能够自己把握工作进度，完成毕业设计/论文的主动性强。

3 机械创新设计课程教学实践总结

3.1 教学实践成效

机械创新设计课程教学模式已开展了5年，取得了良好的成果。学生及学生团队共计完成了16个创新设计项目（见表1）。针对产业、企业、科研等需求，学生设计了可行方案，获得了企业好评，申请专利18件，授权专利15件，其中发明专利9件，发表论文5篇，学科比赛获奖4个，优秀本科毕业设计1人，获中国商业联合会科学技术奖三等奖1项，其中一些成果可以直接推广应用。

表1 学生在2016—2020年间已完成的创新设计课题列表

本教学模式有助于培养学生问题发现与分析、课题调研、时间管理、团队合作、解决实际复杂工程问题等能力。笔者将参与和未参与该教学模式的学生进行了比较，发现参与该教学模式的学生在发现问题、解决问题、设计方案、详细设计、专利与论文撰写等方面均优于未参加的，且参与学生很认同该教学模式，并愿意做科技创新项目、参与学科竞赛、做毕业设计/论文，甚至保研或读研。通过参与社会、产业、企业、科研等需求相关项目，使得学生在解决问题过程中积累了项目经验，这对学生们的创业、就业、进修都有重要的启发和影响作用。

3.2 教学模式的优缺点与改进措施

机械创新设计课程教学模式的优点有：

（1）学生主动参与度高。创新设计课程教学模式以学生为中心，学生参与的主动性强。学生在整个教学过程中占主导地位，教师起引导和把关作用。该教学模式激发了学生对本专业的兴趣，有效提高了主动参与度。

（2）学生对4年所学专业知识有系统且深入的认识和理解。创新设计课程教学模式在不改变原有教学模式下，指导学生基于课堂所学、实践所需，通过深入调研，产生创新想法，完成创新设计，这对学生们进一步理解本专业理论与实践有很大的提升作用。

（3）学生创新与实践能力得到提升。创新设计课程教学模式有助于提高学生的创新设计和实践能力，培养学生利用创新思想针对社会、产业、科技等需求解决实际问题的能力。通过本教学模式，学生顺利完成了科创项目、学科比赛作品以及毕业设计/论文，提高了专业创新与实践能力。

（4）加强学生团队合作能力。创新设计课程教学模式中科创与学科比赛环节，学生均以团队形式进行创新实践，学生能够对课题任务进行合理分工协作，共同高效完成创新设计任务，对团队合作精神有深刻理解，这对机械工程师的培养非常重要。

（5）学生可以接触到与实际生活、生产等密切相关的课题。学生可以在生活、生产、科研等活动中发现问题，提出创新设计方案，为实际问题提出解决方案，有助于激发学生对本专业的学习热情，同时了解当前及未来的技术发展方向，有利于学生就业、创业与深造。

（6）促进产学研合作。创新设计课程教学模式中各环节的课题来自于教师科研项目、企业技术需求、产业技术需求、科研机构横向课题等，学生在校期间接触这样的课题，并进行创新设计与实践，有利于培养高校、企业及科研院所所需的高质量人才。

尽管创新设计课程教学模式的实践取得了一些成绩，但在今后的教学活动中应关注以下两点：

（1）学生的专业实践经验不足。专业实践经验是需要经过长期积累的，短期内很难有丰富的创新设计经验，即使通过大量阅读文献，也不能弥补这一缺陷，在以后的教学过程中，应加强这方面的传授与指导，尽可能带领学生多到生产实际中观察、交流与学习。

（2）课题难度差异不等。尽管学生接触到的课题来自生产与生活实践，但由于课题背景不同，实际问题复杂多样，难免存在课题难度不一的问题。难度小的课题，学生容易完成，有利于提高其参与的积极性。难度大的课题，学生完成困难，产生挫败感，不利于课题的执行。在以后的教学中，应合理把握课题难度，控制在学生可接受的范围内，从而充分调动学生的积极性完成创新设计。

4 结 语

机械设计制造及其自动化专业实践课程教学对学生进修与工作有重要影响。针对该专业现有实践课程的不足，提出基于课堂基础学习、大学生科技创新项目训练、学科比赛和毕业设计综合应用培养学生的机械创新设计课程教学模式，并以我院2016～2020届机械设计制造及其自动化学生为研究对象进行了教学实践。实践结果证明，机械创新设计课程教学模式起到了很好的教学效果，不仅提高了学生主动参与度，创新与实践能力和团队合作能力，同时培养了学生利用创新思想解决实际问题的能力。