工程認(rèn)證背景下基于以賽促訓(xùn)的途徑提升大學(xué)生工程創(chuàng)新能力

疏 達(dá),司武東,崔祥祥,王心柔,王法容,劉國(guó)慶

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

國(guó)家高度重視制造業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》中對(duì)制造業(yè)的重要性做出了如下闡述：“制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。十八世紀(jì)中葉開啟工業(yè)文明以來，世界強(qiáng)國(guó)的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國(guó)家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是我國(guó)提升綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)的必由之路?！痹趹?zhàn)略方針與目標(biāo)中還明確指出，創(chuàng)新處于制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，并就創(chuàng)新能力方面詳細(xì)列舉了2020年和2025年制造業(yè)的主要指標(biāo)[1]。此外，工程專業(yè)認(rèn)證對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新能力也有著高度重視，工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高校畢業(yè)生做出了明確的規(guī)定，要求高校大學(xué)生在畢業(yè)時(shí)應(yīng)具備用自己所學(xué)知識(shí)和技術(shù)分析并解決實(shí)際工程問題的基本能力；具有創(chuàng)新意識(shí)和對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)的能力[2]。由此可知，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才對(duì)于制造業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的作用，而如何提升學(xué)生的工程創(chuàng)新能力受到了眾多教育工作者的重視，并就此展開了一系列的教學(xué)研究工作[3-5]。在國(guó)家制造業(yè)戰(zhàn)略引領(lǐng)并契合工程專業(yè)認(rèn)證背景下，筆者所在學(xué)校高度重視培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，其中機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)于2018年通過工程教育專業(yè)認(rèn)證。

創(chuàng)新能力包括創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新實(shí)踐，創(chuàng)新意識(shí)是指創(chuàng)新原理與方法根植于學(xué)生內(nèi)心，創(chuàng)新實(shí)踐是指能運(yùn)用創(chuàng)新原理與方法獨(dú)立從事工程實(shí)踐活動(dòng)[6]。而學(xué)科競(jìng)賽是在吸收消化課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，將所學(xué)理論知識(shí)用于實(shí)際工程問題的創(chuàng)作過程中來，是培養(yǎng)提高學(xué)生提出問題、分析問題以及解決問題能力的重要途徑。將學(xué)科競(jìng)賽與工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)有機(jī)結(jié)合，必然能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心，提高解決問題的綜合能力，并為今后獨(dú)立從事工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 學(xué)科競(jìng)賽中工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題

實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)提升的關(guān)鍵在于培養(yǎng)，而在實(shí)際培養(yǎng)過程中，大學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)存在著諸多問題。首先，在學(xué)科競(jìng)賽實(shí)踐過程中，教師過于占用主導(dǎo)地位。由于大部分學(xué)生在教師的指導(dǎo)下參加學(xué)科競(jìng)賽，學(xué)生沒有任何的經(jīng)驗(yàn)，教師在“不放心”的潛意識(shí)條件下，將賽事的具體思路和方法都全盤提供給學(xué)生，學(xué)生無須也無法表達(dá)并實(shí)踐自己的想法，導(dǎo)致最終真正參與并動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)很少。這樣必然導(dǎo)致學(xué)生不能形成自己的思維方式，更重要的是錯(cuò)失了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的訓(xùn)練。因此，學(xué)生必須要全程參與賽事的整個(gè)過程，只有當(dāng)在通過獨(dú)立思考后遇到不能解決的難題時(shí)，指導(dǎo)教師才提供思路，對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)。在這個(gè)過程中，指導(dǎo)教師盡量扮演比賽的組織者與引導(dǎo)者，而不是參與者，這樣的學(xué)科競(jìng)賽才能對(duì)提升學(xué)術(shù)的工程創(chuàng)新能力大有裨益。其次，實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)難以滿足要求。工科大學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽過程中，用于競(jìng)賽的作品往往需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)儀器與器材的要求種類繁多，有些設(shè)備價(jià)格不菲，使用及維護(hù)費(fèi)用也需要較多的投入。然而很多高校缺乏設(shè)備經(jīng)費(fèi)的預(yù)算，導(dǎo)致用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備更新速度慢，現(xiàn)有儀器設(shè)備不能讓學(xué)生充分得到工程訓(xùn)練[7]。因此，高校應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)備經(jīng)費(fèi)作好充分預(yù)算，實(shí)時(shí)更新必要的重要儀器設(shè)備。同時(shí)高校還應(yīng)當(dāng)多途徑去解決這個(gè)問題，比如高?？梢猿浞诌\(yùn)用產(chǎn)學(xué)研合作的模式，積極主動(dòng)地與知名企業(yè)、科研院所加強(qiáng)合作，有效增加學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而充分培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

2 學(xué)科競(jìng)賽的重要性

學(xué)科競(jìng)賽提高學(xué)生自信力。教育部曾發(fā)出倡議，鼓勵(lì)在校大學(xué)生廣泛參加各高等院校舉辦的例如數(shù)學(xué)建模和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新等學(xué)科性競(jìng)賽等各種賽事[8]。學(xué)科競(jìng)賽是在學(xué)生利用課堂所學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)上，以競(jìng)賽的方式，將學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合的過程。在此過程中學(xué)生通過運(yùn)用平時(shí)所學(xué)對(duì)問題加以解決，而解決問題的過程就是增強(qiáng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上自身獲得提升的過程[9]。有含金量的學(xué)科競(jìng)賽，涉及的專業(yè)知識(shí)難度系數(shù)大，要求參賽的學(xué)生們具有極強(qiáng)的挑戰(zhàn)欲望，同時(shí)還要具有追求真理的恒心與遭受挫折的勇氣。學(xué)科競(jìng)賽組成員之間，還要有良好的合作氛圍，要具備相互溝通與協(xié)調(diào)的能力。學(xué)科競(jìng)賽的深入實(shí)施，可以有效提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新思維，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，深入分析實(shí)際問題并解決問題。此外，學(xué)科競(jìng)賽要求競(jìng)賽小組收集整合競(jìng)賽課題的各種資源并加以消化吸收，這不僅提高了參賽團(tuán)隊(duì)查閱文獻(xiàn)的能力，還提升了學(xué)生高效閱讀文獻(xiàn)的能力，促進(jìn)了學(xué)生的自學(xué)能力。因此，通過學(xué)科競(jìng)賽的訓(xùn)練，學(xué)生再遇到新的工程問題，就具備了過硬的心理素質(zhì)與處理新問題的技能，增強(qiáng)了自信心。

學(xué)科競(jìng)賽拓寬專業(yè)知識(shí)，提升科研素養(yǎng)?？蒲兴仞B(yǎng)是每一位學(xué)者必備的基本素養(yǎng)之一，科學(xué)素養(yǎng)不是一日之功，是在很長(zhǎng)一段時(shí)間的學(xué)術(shù)訓(xùn)練中逐步形成的?？茖W(xué)素養(yǎng)體現(xiàn)在四個(gè)方面：“扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，敏銳的靈感或想象能力，很強(qiáng)的綜合分析能力和無畏而誠(chéng)實(shí)的表達(dá)能力”[10]。學(xué)科競(jìng)賽的整個(gè)過程，可以很好地達(dá)到科研素養(yǎng)的訓(xùn)練目的。首先，學(xué)科競(jìng)賽的內(nèi)容往往與多門專業(yè)課程基礎(chǔ)知識(shí)密切相關(guān)，所以某一專業(yè)的學(xué)生難以勝任學(xué)科競(jìng)賽所涉及到的所有專業(yè)知識(shí)。因此要求學(xué)生在競(jìng)賽的準(zhǔn)備過程中大量閱讀相關(guān)資料，而后通過自主學(xué)習(xí)，深化對(duì)各門專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，并且圍繞比賽課題展開充分討論，積累起相關(guān)專業(yè)知識(shí)并把握學(xué)科方向的整體認(rèn)識(shí)。大量專業(yè)知識(shí)的積累，還可以建立不同專業(yè)之間的知識(shí)鏈，進(jìn)而對(duì)該方向融會(huì)貫通，進(jìn)一步開展更深入的課題研究。學(xué)生也可以在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，找到解決問題的途徑，提升創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這種學(xué)習(xí)過程，對(duì)于開拓學(xué)生視野，提高學(xué)生解決問題的能力極有幫助。其次，學(xué)科競(jìng)賽的題目可以從指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目中提煉出來，將科研項(xiàng)目與學(xué)科競(jìng)賽緊密聯(lián)系，讓學(xué)生以學(xué)科競(jìng)賽為導(dǎo)向，深入實(shí)踐工程項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)過程鍛煉了學(xué)生的想象力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生敏銳的觀察力。再次，學(xué)科競(jìng)賽中某個(gè)主題的解決，先是在對(duì)整體內(nèi)容理解的前提下將主題內(nèi)容進(jìn)行分解，這個(gè)過程培養(yǎng)了學(xué)生的分析問題能力；然后需要在腦海中把各個(gè)組成部分的不同特征事物聯(lián)系在一起，這個(gè)過程培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。因此，一個(gè)學(xué)科競(jìng)賽題目的訓(xùn)練，能有效提高了學(xué)生綜合分析問題及解決問題的能力。最后，學(xué)科競(jìng)賽的結(jié)果需要向組織者進(jìn)行展示，也就是表達(dá)出所掌握知識(shí)，這是對(duì)表達(dá)者知識(shí)檢驗(yàn)的過程，是一種探討式的學(xué)習(xí)過程。只有對(duì)競(jìng)賽題的結(jié)果充滿自信，對(duì)競(jìng)賽專題中的專業(yè)知識(shí)有深刻的理解與把握，才能無畏自信地表達(dá)出自己的成果。

3 以賽促訓(xùn)提高工程創(chuàng)新能力的實(shí)施

筆者所在學(xué)校高度重視通過學(xué)科競(jìng)賽，提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，加深他們對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過學(xué)科競(jìng)賽，積極培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)意識(shí)，讓學(xué)生具有求真務(wù)實(shí)、勇于創(chuàng)新的優(yōu)良品質(zhì)，增加責(zé)任感，達(dá)到在競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的目的。下面以筆者所在學(xué)校學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽中設(shè)計(jì)的機(jī)器人為例，介紹了學(xué)生的創(chuàng)作過程。圖1為筆者所在學(xué)校機(jī)械專業(yè)在學(xué)科競(jìng)賽中學(xué)生設(shè)計(jì)的仿生攀爬附著機(jī)器人。

圖1 仿生攀爬附著機(jī)器人

仿生攀爬附著機(jī)器人的創(chuàng)作思路來源于模仿壁虎的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，著重研究了機(jī)器人的主動(dòng)腰部關(guān)節(jié)對(duì)該類機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響。學(xué)生們首先通過文獻(xiàn)查閱，針對(duì)高層建筑的清洗、檢修以及太空飛行器的清潔檢修和宇宙探索，為改善工人的作業(yè)環(huán)境，降低作業(yè)成本，提出設(shè)計(jì)攀爬機(jī)器人的研究。然后研究了各類爬行動(dòng)物的攀爬特點(diǎn)，如蛇類及一些昆蟲類，通過分析比較最終選定了壁虎的攀爬模式，并深入研究了壁虎的攀爬作用機(jī)理。隨后，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并進(jìn)行了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和測(cè)試，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括壁虎的爬行步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)、控制方案的設(shè)計(jì)，使用MATLAB軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過思考，學(xué)生總結(jié)出了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：一是腰部關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)的方式，通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將前半身和后半身連接，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)；二是利用對(duì)角步態(tài)實(shí)現(xiàn)了模仿壁虎型機(jī)器人的行進(jìn)速度問題。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

學(xué)科競(jìng)賽的有效實(shí)施，考察了學(xué)生的綜合分析問題和解決問題的能力，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，為他們獨(dú)立面對(duì)未來新領(lǐng)域的挑戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)科競(jìng)賽的舉辦也為大學(xué)生們參加創(chuàng)新活動(dòng)搭建了平臺(tái)，提供了支持，在校園里營(yíng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，這更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到以競(jìng)賽促進(jìn)教學(xué)的目的。

4 結(jié)語

以學(xué)科競(jìng)賽為手段，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)校機(jī)械專業(yè)的教學(xué)效果也得到了有效的改善，這對(duì)每位參與學(xué)生的工程創(chuàng)新能力的提高具有極大的幫助。在以競(jìng)賽的方式展開教學(xué)，以賽促訓(xùn)，以賽促學(xué)，進(jìn)一步培養(yǎng)工科大學(xué)生的工程及創(chuàng)新能力，契合國(guó)家人才戰(zhàn)略，符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求。