面向应用型创新人才培养的机械创新设计课程项目化教学实践

焦志伟 张莉彦 谢鹏程 王皓宇 谭晶 于源 粟东平 杨卫民

摘  要：塑料机械是现代制造业的“生产母机”，塑机行业同时也是高分子材料产业链中资金密集、人才密集和技术密集的“钻石产业”。为满足我国高速发展的塑料机械行业对于高端专业人才的迫切需求，探索建立企业高度参与的创新人才培养新模式，中国塑料机械工业协会与北京化工大学启动“中国塑机创新专业人才培养计划”，建设“中国塑机创新人才培养基地”。该教学实践针对机械设计制造及其自动化学科，以创新应用性强的机械创新设计课程为例，依托于“中国塑机创新人才培养基地”多种多样的工程教育资源，以注塑机“五点斜排肘杆式”注塑机合模机构的方案创新设计为题，应用项目化教学方法，在理论教学的同时，使学生们带着工程实践问题进行学习、思考、分析和研究，鼓励学生将多门机械类专业基础课程所学知识进行创新结合与灵活运用，有效地促进学生们创新创造能力的发展，探索培育应用型创新人才的新模式。

关键词：应用型创新人才；项目化教学；机械创新设计；塑机人才培养基地；创新创造能力

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）19-0062-05

Abstract： Plastic machinery is the "production machine" of modern manufacturing industry， and the industry of plastic machinery， where the fund， the talents and the technology are intensive， and it is also "a diamond industry" in the polymer material industry chain. To satisfy the urgent demand for high-end professional talents in China's plastics machinery industry， as well as to explore the establishment of a new enterprise highly involved in innovative talent training mode. China's plastics machinery industry association and Beijing university of chemical technology launch the "China's plastics machinery for innovative professional talent training plan"， and the construction of the "China's machinery for innovative professional talent training base". This teaching practice is aimed at the mechanical design， manufacturing and automation discipline. We take the course Mechanical Innovative Design with strong application of innovation as an example， rely on the "China' s plastic machine talent training base" a variety of engineering education resources with the injection molding machine "five-point diagonal toggle style" injection molding machine closing device of innovative design， apply project-based teaching methods. We encourage students to study， think， analyze and research with practical engineering problems， and also encourage students to combine and flexibly apply the knowledge learned in the basic courses of many mechanical majors. This method effectively promotes the development of students' creativity， which will be a new mode of cultivating applied innovative talents.

Keywords： applied innovative talents; project teaching; Mechanical Innovative Design; talent training base of plastic machinery; innovation and creativity

《中國制造2025》提出我国要实现由“制造大国”向“制造强国”转变的战略目标，大力培养机械专业应用型创新人才已成为国家的必然需求。在新工科建设背景下，对机械类专业的人才培养也提出了新的要求[1]。机械创新设计是为增强学生创新能力开设的课程，通过介绍创新设计方法和机械创新设计实例，了解创新设计的原理与思路，更高的要求是使学生通过实践培养创新思维，运用创新技法解决各种问题。机械创新设计课程不仅需要讲述创新原理与技法，更应该为学生提供施展的平台，通过项目化教学模式改革，让每名学生都参与其中并有所收获，培育更多的应用型创新人才。本课程依托于中国塑料机械工业协会与北京化工大学建设的“中国塑机创新人才培养基地”，以注塑机“五点斜排肘杆式”注塑机合模机构的方案创新设计为题，应用项目化教学方法，在理论教学的同时，使学生们带着工程实践问题进行学习、思考、分析和研究，鼓励学生将多门机械类专业基础课程所学知识进行创新结合与灵活运用，为更多的学生提供实习参观与技能培养的机会。

一  课程定位

（一）  课程简介

机械创新设计是机械设计制造及其自动化专业的专业选修课，总课时24学时，为考察课。该课程以机械原理、机械设计、机械制图等课程为基础，以机械创新为出发点向各领域延伸，通过对创新实例的介绍，了解创新技法。在教学中使用多媒体教学、组织学生实习参观丰富课程内容。本课程在专业教学计划中起到至关重要的作用，是提高学生创新能力，衔接理论学习与专业实践的一门重要课程，同时也是学生们参加“机械创新设计”大赛的重要支撑课程之一[2-3]。

（二）  课程内容

本课程介绍创新设计的基本概念、创新思维与技法；重点分析创新在机械设计中应用的主要原理与方法，包括机构的变异原理、机构组合方法的组合原理、零部件结构的创新技法等；介绍机械创新设计的一般方法，并举例讲解机械创新设计实例；带领学生参观“中国塑机创新人才培养基地”，布置项目化作业，对注塑机“五点斜排肘杆式”注塑机合模机构进行机构方案创新设计，综合运用与巩固所学知识，由此达到培育应用型创新人才的目标。

二  项目化教学实践

（一）  项目化教学简介

项目化教学是实施一个完整的项目工作而进行的教学活动。其实施的流程分为以下几步：①明确项目任务；②制订计划；③实施计划；④检查评估。项目化教学对学生的学习更具有针对性，学生能够自主、自由地进行学习，从而有效地促进学生创造能力的发展。项目化教学更注重学生在项目活动中的能力提升，解决项目问题就是多方面考察学生对知识的综合运用能力，最终考核内容也囊括了学生在参与活动中各环节的表现。

通过项目化教学，教师可以在课堂中充分调动学生积极性，充分挖掘学生的创造潜能，使学生在“做”中学，把理论与实践教学有机地结合起来，提高学生解决实际问题的综合能力，项目化教学是切合学生实际的教学方法[4]。

（二）  “中国塑机创新人才培养基地”简介

北京化工大学昌平新校区的启用，为人才培养、科学研究等方面提供更广泛的优质资源和良好的工作学习环境。中国塑料机械工业协会与北京化工大学以新校区落成为契机，启动“中国塑机行业创新人才推进计划”，建设“中国塑机创新人才培养基地”。为支撑基地建设共有20余家合作公司参与注塑机及其配套设备捐赠，如图1所示。

该基地将为行业专业人才培养提供学习素材、实操设备和了解行业与企业的机会，为各参与单位提供展示平台、智力支持与专业的设备性能评价。通过行业人才培养模式的创新尝试，将持续不断地为中国塑机行业培养高素质的青年英才。

（三）  教学流程

整门课程教学分为三大部分：①基础课程，对基本知识与原理的讲解；②实践课，了解注塑机工作原理，重点观察合模装置肘杆机构的运动方式；③布置项目化作业。具体教学规划见表1。

在教学内容中，第一章“绪论”和第二章“创新性思维与创新技法”以概念为主，主要采取老师讲授、实例启发为主的授课形式，穿插学生提问，并留课后作业或随堂作业。从第三章“机构变异与创新设计”开始为理论性和应用性很强的知识内容，为使学生先对所学内容的性质有大致了解，选择在讲授完第三章后布置项目化作业，同时在中国塑机创新人才培养基地进行参观学习。图2为学生们在中国塑机创新人才培养基地参观学习实况。从第四章到第七章开始，每节课大约一半时间用于课堂教学，另一半时间让学生们利用所学的知识完成项目化作业。项目化作业的关键节点任务见表2。

（四）  项目化作业

在本课程的教学中，项目化作业的布置是项目化教学的集中体现，课程知识讲解及实习参观都围绕项目化作业的主题展开。项目化作业综合考察学生对本课程及先修课程知识的掌握，最终目标是学生之间协作得出一个完整的创新方案。

1  明确项目任务

本课程项目化作业的任务目标为注塑机“五点斜排肘杆式”注塑机合模机构的方案创新设计，学生进行讨论后自由组队，以团队协作的方式完成任务。

2  作业内容

围绕项目目标将任务细化，对于注塑机合模机构的设计，首先需要进行工况分析，即注塑机对开合模过程有一定的运动要求，例如运动速度符合“快—慢—快”的变化，这一部分需要学生查阅有关文献，进行总结。

下一阶段需要进行创新方案设计，这一部分会运用到本课程或先修课程，分析机构组成及作用，并且进行自由度的计算。在设计过程中有可能会产生多个方案，方案之间需要进行优缺点比较，优中选优。

最后需要进行运动学和动力学的模拟分析，建立模型并进行动画展示，进一步寻找问题修改方案，并通过软件分析该方案是否能满足要求。

3  作业实施

各小组进行内部分工，运用机械原理、机械设计等课程知识进行机构设计计算，运用Creo、CAD进行建模，ADAMS进行模拟分析（机械原理、机械设计、Creo、CAD和ADAMS等均为本专业先修课程）。在每个环节需要进行相应方案记录与整理，最终每组需整理出一份模拟报告。

（五）  考核方式

师生课堂互动是提高课堂教学质量的有效手段，对于机械创新设计课程而言，教师更应该利用互動环节来保障教学的针对性、实效性，使学生可以大胆地同教师进行交流与讨论，增强学生的学习信心[5]。因此，最后的考核方式采取以翻转课堂PPT展示为主，提交模拟报告为辅的形式。

学生准备PPT并按照方案要点进行工况分析、创新方案、运动学及动力学模拟分析和结果分析评价四部分介绍（占比60分/100分），模拟报告则作为对课程展示的补充（占比10分/100分），其余分值为平时分。

针对学生的PPT展示有一套完整详细的评分细则，见表3。评分采取小组互评和老师评价相结合的方式，使得评价结果更准确、更可靠。为使组内学生分值具有区分度，由组内协商好的完成权重予以适度倾斜。

三  教学效果

（一）  课堂展示总结

课堂展示中学生与老师一起分析各小组方案的优缺点，现场氛围活跃，学生以绘制三维图、录制视频等方式清晰展示创新案例。

在35个小组的PPT与模拟报告中，有34组学生采用ADAMS软件对机构进行建模分析，并且具体步骤可以在模拟报告中体现，对于机构创新设计，学生广泛运用机械原理和机械设计等先修课程的知识，采用连杆机构、齿轮齿条机构、凸轮机构，也有部分小组采用带轮传动与齿轮齿条传动的方式进行设计，机构组合包含串联、并联等多种方式，展现出学生的创新能力。

（二）  成绩分析

小组成绩分布如图3所示，35个小组的平均成绩为48分（满分60分），通过对比小组互评和教师评分的数据可以发现，有两组评分较高，学生与教师的评价基本对应，由此可以推断，学生们根据评分细则可以对不同的案例进行精准判断，并且能够对比区分出不同方案的优缺点，进一步说明了PPT评分细则制定的合理有效性。

（三）  问题总结与分析

在PPT展示过程中，有些小组严重超时，通过分析其PPT发现该组没有突出设计重点，而是大量堆砌基本原理与知识，以此来补充自己在机构创新设计中所欠缺的工作量。针对这一问题有以下解决方案：①分阶段项目化作业检查，在每个任务节点进行工作总结与提交，以便老师快速掌握学生的任务进度；②PPT分析，在学生进行课堂展示之前，逐一检查小组的PPT内容，并提出修改意见供学生参考。将项目化作业分阶段检查，可以快速发现问题，纠正错误。

小组互评采用纸质评分表打分的方式，在小组互评后会产生庞大数据，需要大量时间才能录入电脑进行数据分析与计算，为了解决这一问题，可以开发问卷星等微信小程序进行手机评分，课堂展示结束后可以将数据快速导出。这样既节省了数据录入的时间，同时已设计好的程序又可以根据实际考核项目需要快速修改，使考核环节更加高效。

（四）  学生感悟

学生1：“理论来源于实践，理论最终用于实践”。这让我深深地感受到实践的重要性。通过平时书本上所学到的理论知识，带着自己的疑问去学习了解设计了肘杆机构，并进一步让我深刻的理解、体会、证明了理论知识，让自己有了深刻的记忆。

学生2：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。这次的方案设计让我将所学的东西落到了实处，我在思考方案、绘制简图、进行ADAMS模拟分析的过程中，将所学知识进行了灵活运用，实践是巩固知识和检验所学知识的最好方法。

同时，在这次机械创新设计的小组讨论中，我学会了很多，尤其是与同学合作时的一些技巧，刚开始由于大家的想法各有千秋，讨论中出现了些许争论，很难确定一个合理的方案，但是我们克服困难，迎难而上，发挥每个人的长处，最终形成了报告。我们在合作中学会倾听、学会质疑、学会表达，我们获得了成长。

学生3：本次对注塑机肘杆机构的创新设计，对我大学三年以来所学的知识提出了一个综合性的考验，可以说近似于一次小的课程设计。

在本次创新设计中，我认识到了自身对机械原理、力学课程等知识掌握得不牢固，也认识到目前对理论知识的实际应用上还很稚嫩，这正是对我继续努力、提升自我的一次鞭策。同时这次创新设计也会成为我今后进行机构设计的宝贵经验。

四  结束语

项目化教学是培养应用型创新人才更加有效的教学方法。通过课程教学，培养学生创新能力，需针对阻碍学生创新思维的潜在性问题，从课堂教学到实践教学，从理论方法到工程应用，结合项目化作业，采取多样化的综合手段，创新教学模式[6]。

由于机械创新设计课程的特殊性，使得该课程成为学生培养创新思维的平台，该课程是使理论与实践相衔接的课程。一门课程的教学不能仅局限在对知识的讲解上，而是要发现该门课程与其他先修课程的逻辑关系，布置项目化作业的意义更是在于将尽可能多的知识贯穿起来，复习与运用到多个学科中，用学到的知识来解决实际工程问题，从而形成知识框架、知识体系，让学生懂得如何有条理有规律地进行探索创新。

培养应用型创新人才不是一蹴而就的，需要创新教学实践来完善教学方法，以PPT为基础的直观教学[7]为基础，以实习参观进行实践教学为衔接，结合实际问题布置项目化作业为重点，最后进行考核方式的创新，从而形成一整套完备的项目化教学体系。在教学过程中，学生能够自主、自由地进行学习，从而有效地促进学生创造能力的发展，只有这样，机械创新设计课程才能在培育应用型创新人才中发挥出最大作用。

参考文献：

[1] 张红霞，陈晓航，姚层林.大学生实践创新能力的培养与研究

——以机械创新设计大赛为平台[J].中国校外教育，2020（2）： 53-54.

[2] 刘晓军，张晓玲，徐宁，等.“课赛训结合”的应用技术型高校大学生创新实践能力培养模式研究[J].内燃机与配件，2019（10）：241-243.

[3] 马雪亭，丁羽，周岭.基于机械创新设计大赛的“机械设计”教学实践[J].农业技术与装备，2021（1）：117-118.

[4] 梁灵活.机械类专业项目化课程教学改革初探[J].广东职业技术教育与研究，2010（2）：57-59.

[5] 蔡佳.探索《机械设计与创新》课程教学方式新思路[J].教育现代化，2019，6（A0）：73-74.

[6] 何彬.面向创新人才培养的机械设计类课程教学模式探讨[J].湖北理工学院学报，2018，34（6）：64-67.

[7] 韩东.创新教学在机械设计制造及其自动化专业中的运用和分析[J].无线互联科技，2020，17（1）：92-93.

基金项目：2021年北京化工大学研究生教育教学改革项目“基于中国塑機创新人才培养基地的‘本、硕、博贯通式人才培养模式研究”（G-JG-PTZG202102）

第一作者简介：焦志伟（1985-），男，汉族，山西晋中人，博士，教授。研究方向为聚合物加工成型装备。

*通信作者：张莉彦（1966-），女，汉族，河北迁安人，博士，副教授。研究方向为机械设计。