機械學科研究生應用型創新實訓課程改革

張 珂

(上海應用技術大學 機械工程學院, 上海 201418)

常規的研究生教育,課堂教學占據主導地位,已經遠遠不能滿足社會和國家對高層次人才的要求[1-3]。應用型研究生的培養目標是培養掌握扎實的專業理論知識、具有工程問題分析和解決能力、能夠獨立承擔專業技術和管理工作的高層次科技人才。傳統教學模式是以知識為核心的知識驅動型,主要偏重于理論上的教學,項目驅動型教學方法的興起,是近年來國內外高等教育領域備受矚目的教學改革[4-6]。 項目驅動教學法在美國、日本、德國等國已有成功應用案例,強調學生的 “自主學習”與團隊協作精神[7-10]。近幾年,我校研究生培養已重視項目驅動教學法的應用,開始吸收并逐步得到實踐。從2016年開始,我校積極開展研究生創新教育,以工程項目為紐帶,培養應用型研究生工程素質及提升工程技術創新能力,取得良好的實踐效果。

1 研究生創新實訓課程改革思路

目前研究生的培養大多延續教師授課學生聽講的傳統模式,使用的教材千篇一律,逐漸消磨著學生學習的主動性和積極性,并沒有進行實質上的創新培養。很多研究生對于自己讀研定位不明確,保持已習慣的本科學習模式,在學習時依靠教師的思想比較嚴重[11-12],不習慣自己獨立完成任務,達不到研究生培育的要求。

針對上述存在的問題,為了加強和深入機械類研究生創新意識的培養,我校機械類研究生創新實訓課程的改革思路主要有以下幾點:

(1) 以“工程引導,應用驅動,學生自主,實物實效”為基本原則,采取“項目管理”的辦法組織實施。

(2) 由研究生負責獨立組建項目管理團隊和管理創新項目。

(3) 學生自學為主,教師輔導為輔。

(4) 強化過程化教學管理,注重教學過程指導和監控。

2 創新實訓課程教學模式設計

為了提高項目驅動式研究生創新實訓課程的有效性,加強在研究生創新實訓實施過程中的監督和管理,設立了創新實訓小組創建、中期檢查、學術沙龍、研討課和考核匯報等環節,以保證實訓課程實施的教學質量。

2.1 建立研究生創新實訓小組

根據創新實訓課程改革的總體設計,按照自由組合、專業方向互補的原則,在所有選課研究生中建立研究生創新實訓小組,每個項目組設一名研究生項目負責人,小組一般由2～3名研究生組成。以成果實物優先的原則確定實訓小組的實訓題目。各實訓小組的實訓題目可選擇教師推薦的,也可自主確立。每個小組準備介紹PPT,由研究生創新實訓小組負責人進行介紹和討論。各創新實訓小組可以申請校共創學院的大學生創新訓練計劃經費資助,專用于實訓所需,各項目執行時間為一個學期。

2.2 開展中期檢查

在研究生創新實訓課程進行接近一半時,要求每個實訓小組制作PPT報告,進行創新實訓的中期檢查。由小組負責研究生在課堂上向任課教師和所有研究生匯報項目的進展情況和經費的使用情況,以及項目實施中遇到的困難。任課教師評審中期進展報告并結合研究生答辯表現給出評價分,并提出解決項目實施困難的參考建議。

2.3 自組織學術沙龍

每個研究生創新實訓小組在課程中至少負責組織一次學術沙龍,預先設計好沙龍主題和活動內容,并提前告知所邀請的其他小組和非參加項目的研究生。學術沙龍由主辦的研究生創新實訓小組負責人主持,任課教師邀請其他研究生導師作為指導教師參加進行指導和點評。項目組內研究生集中介紹各自的工作進展和困難,集思廣益,由專人負責記錄實施情況及學術沙龍實施情況。

2.4 推行研討課

在機械學科研究生應用型創新實訓課程中,全程積極推行研討課,以研究生為主,以任課教師為輔,強化問題式、啟發式教學。

2.5 多樣化考核

研究生創新實訓課程結束時,每個創新實訓小組按規定時間提交總結報告和匯報PPT,由項目負責人向任課教師和研究生匯報答辯項目完成情況和經費使用情況。任課教師評審根據總結報告并結合答辯情況和平時表現,給每個小組打分,確定考核等級。

3 典型案例分析

以2016級研究生創新實訓課程為例,共建立20個創新實訓小組,所有小組的實訓題目注重成果工程應用化,申請了校工創學院大學生創新訓練計劃項目資助,本文中選擇了5個項目小組作為典型案例介紹。

3.切實解決重點流域、區域環境污染問題。充分利用全國第一次污染源普查數據的成果，掌握污染源底數，依法加大懲處力度。對偷排污染物和屢次整改無效的環境違法行為實施重罰。堅持以人為本，構建和諧社會。把保障公民的環境權益作為工作的重點，當公眾利益與企業利益發生沖突時，要把老百姓的利益放在首位。

3.1 小型釀酒機

小型釀酒機的主要研究基于原有釀酒方法,加入現代控制系統以及反饋系統,將釀酒溫度控制在最適宜的溫度范圍,不僅提高了釀酒的生產效率,而且使原料的利用率更加充分,同時由于釀酒中活性菌發酵產生的其他雜質大大減少,使得釀出的果酒更加香醇,口感更佳。項目在Solidworks環境下建模設計,如圖1所示。

圖1 小型釀酒機建模

根據工藝配方,進行葡萄酒釀造試驗。技術指標主要有:轉速n=20-60 r/min；工藝溫度(內膽溫度)t=28(內 ℃；內膽容積5 L；內部工作電壓應在安全電壓以下。本產品研發出微型攪拌系統,兼有溫度的控制和壓濾技術,能夠自動破碎果皮,不僅能提高原料的利用率,而且使果肉與活性菌充分混合,釀酒器發酵桶內部溫度保持一致。本產品將打開個體釀酒市場,具有巨大的市場前景,帶來較好的經濟效益。

3.2 煤粉壓平裝置

項目要求設計并加工出一套被壓煤粉上端的前處理裝置及壓平裝置,來完成企業煤粉壓平的需求。主要特色是用機器取代以前人工完成的操作,使其自動化。本項目已完成圖紙的設計及加工,設計圖見圖2。減速電機帶動齒輪在齒條上移動,裝置在運動過程中完成煤粉壓平。后期還需要實驗驗證和優化設計。

圖2 煤粉壓平機模型圖

項目的實際效益主要體現在使生產工序自動化,提高工作效率及產品的質量。從設計及加工過程以及查閱市面上相關產品來看,本產品具有一定的應用價值。

3.3 鋼性能檢測儀器

項目針對搪瓷用鋼抗鱗爆性能檢測問題,采用新型試劑硫代硫酸鈉代替歐洲標準中的劇毒試劑。檢測設備較之前的更方便、快捷、準確,利用4根彈簧壓縮產生的力來實現試樣的初步夾緊,再用頂緊裝置來實現最終夾緊,解決了之前靠4個螺栓擰緊來實現夾緊的方式,避免了因受力不均勻造成的實驗結果有偏差的問題。設計的檢測裝置如圖3所示。

圖3 檢測設備模型圖

該產品用來準確測出搪瓷用鋼的抗鱗爆性能,裝置簡便、快捷,為搪瓷用鋼板制造商提供可靠、準確的測試結果,有利于推動搪瓷產業的發展。

3.4 脊柱醫療機器人

該機器人能根據手術中脊椎體的位置和姿態指令,引導機器人末端執行器(夾持手術刀)到目標位置并保持相應的姿態,本體具有足夠的剛度、穩定性和運動精度,并且尺寸小、重量輕,從而使得醫生更準、更穩、更可靠地操作手術。該并聯平臺為六自由度機械機構,主要構件包括機器人末端、基座、胡克鉸、六對直線運動單元,如圖4所示。

圖4 并聯平臺機器人模型圖

根據機器人本體的重量控制在500 g以內限制條件,每個直線運動單位的重量應控制在50 g以內,且其直徑在6 mm左右,能承受的推力在10 N以上,且其運動精度誤差<0.1 mm。在機器人進行離線路徑規劃之后,計算機根據下個規劃點機器人的預期位置，計算出6個直線運動單元分別的輸入參數(速度,位移),解決如何完成快速并精確驅動機構伺服控制算法問題。

由于目前中國手術機器人領域需求的迫切性,研究的成果將具備一定的實際效益。

3.5 特種鋼筋綁扎器

本項目的特色為設備能夠在黑暗、空間狹小的情況下完成鋼筋綁扎的工作,在黑暗條件下實現可視化。當完成綁扎作業之后,設備可以順利退出鋼絲圈。據市場調研發現,目前國內外一些廠家已開發出全自動鋼筋綁扎設備,但尚沒有可以在盲區域進行鋼筋綁扎作業的設備。基于此原因,現研究開發一種可以在黑暗、空間狹小的條件下進行鋼筋綁扎工作的設備。經過前期市場調研分析,通過市場需求以及設備所需要面臨的工作環境,在SolidWorks環境下建模分析(如圖5所示),然后使用CAD進行詳細工程設計。本項目已進入調試階段,根據調試結果進行優化分析。

圖5 特種鋼筋綁扎器模型圖

項目設計解決了人工在盲區進行鋼筋綁扎的難題，操作方便省時,工作效率高。此工具的開發背景是基于混凝土預制構件的生產加工工藝進行設計的,該項目在混凝土預制構件行業可以進行推廣使用。

4 實訓實踐的收獲和思考

在此次研究生創新實訓課程的實施中,由于創新項目均源自于工程實際問題,項目驅動式研究生創新實踐切實鍛煉了研究生分析和解決問題的能力,能較好地提升學生的工程素質和自信心。同時,在項目的實際工作過程中,研究生不僅要負責其所完成部分的技術研究,同時還需要與導師之間、團隊成員之間進行溝通交流,鍛煉了研究生的邏輯思維能力、組織能力和團隊精神。上述5個典型案例中,研究生均撰寫了發明專利和學術論文,進一步培養了他們的科研寫作和總結能力。

通過研究生創新實訓課程設計和實施,我們在機械學科研究生應用型創新培養方面也取得了一些有益的經驗和思考:

(1) 建立有效的研究生創新管理實踐與管理機制。研究生創新實踐以工程應用驅動為基礎,按“研究生自主實施,教師輔導為輔”的原則,按“工程引導,應用驅動,學生自主,實物實效”的原則,采用研究生項目負責制。

(2) 打造“創新雙能型”教師隊伍。研究生創新教育需要一支理論與實踐創新兼備的“雙能型”教師隊伍，能有效組織和指導研究生進行應用型創新實訓。教師本身必須有豐富的工程實踐經驗,這就要求一批教師不斷深入開展校企聯合的產學研項目,或到企業

掛職鍛煉。

(3) 變“教中學”為“創中學,學中創”。研究生創新教育充分體現出綜合實踐能力的培養,需要改革傳統 “教中學”的教學模式,強調創新實踐,實施“創中學,學中創”。通過創新實訓,研究生可以發現自己的問題,獨立思考和解決問題,激發潛能。

(4) 培養模式由封閉到開放。把科研工程項目與研究生創新教育相結合,將工程實踐教學作為研究生重要培養環節,形成了良好的理論教學與實踐教學的融合、課內與課外的互補。可以充分發揮研究生自組織的作用,促進研究生創新知識的交流與活動的組織。

5 結語

通過應用驅動型研究生創新實訓設計和實踐,有效地提升了機械學科研究生分析解決工程問題的能力、創新能力和組織協調能力,以及明顯推動了研究生的科研綜合素質發展。培養模式以科研工程應用為載體,使研究生直接融入到應用項目的設計、實施和管理當中，不僅能有效激發研究生的科研工作和學習興趣,也激勵研究生積極地去發現問題、解決問題,不斷提高創新理論水平和實踐技能。