學科競賽和實踐教學相融合培養新工科人才的研究

姚利花 郭剛 張占東 張楠 李妍姝

[摘 要]為培養具有創新能力和實踐能力的新工科人才，針對現有實踐教學環節中存在的問題，結合學科競賽的特點，提出以學科競賽和實踐教學相融合培養新工科人才的教學模式。實踐證明，將學科競賽內容融入實踐教學對學生的獨立思考能力和實踐能力的培養有著積極的促進作用，是培養新工科人才的重要途徑。

[關鍵詞]新工科;學科競賽;實踐教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0038-04

《關于實施“1331工程”統籌推進“雙一流”建設的意見》（晉政發〔2017〕4號）[1]明確指出要積極探索和改進完善山西省高校創新創業人才培養模式，強化實驗實踐教學、創新創業教育，強化科學精神和創造性思維培養，提高學生的創新能力、實踐能力和就業創業能力。

新工科實踐教學包括實驗教學、課程設計、實習實訓、畢業設計（論文）等環節[2]，始終貫穿于新工科教育的整個過程。以學科競賽和實踐教學相融合培養新工科人才，從而使學生融入其中，提升學生的綜合素質，帶動新工科實踐教育向前發展，對培養新工科人才具有重要的意義。

一、傳統實踐教學環節存在的問題

（一）重理論課輕實踐課

目前，大部分高校雖然對強化實踐環節講得很多，但是其實踐教學環節相對較弱，落實不到位。一方面，培養方案中，理論環節課時較多，實踐環節所占比重較小，且實踐環節要求較低，學生感覺較輕松，沒有付出多少時間和精力;另一方面，在實踐教學中，因儀器設備得不到保障，多人共用一臺設備現象較多，這樣就出現了“蹭實驗”現象，或受企業生產、運行等因素的制約參與一線生產的機會很少，存在“放羊式”“觀光式”實習現象。因此，實踐訓練效果較差。

（二）實踐教學模式缺乏主動性

長期以來，大部分高校的實踐教學模式是完成理論基礎教學后再單獨開設實驗教學、課程設計和畢業設計。實驗教學內容較簡單，且基本上是按照教師或實驗指導書中的說明去做，沒有培養學生的獨立思考能力;課程設計和畢業設計中，教學內容和進度由教師統一規定，學生被動地完成學習任務，其主觀能動性和參與性不夠。因此，實踐教學并沒有達到培養和鍛煉新工科學生實踐能力的目的，效果較差。

（三）課程設計內容缺乏新穎性和實用性

目前，大多數的課程設計內容是對通用機械系統的設計與分析，這與學生的實際生活相關性較小，學生對設計內容了解不深入，沒有認識到設計內容的重要性，興趣較低，造成學生在課程設計過程中只是簡單地進行模擬設計，而對具體的問題不認真思考，沒有達到實踐教學的目的。

二、學科競賽與課程理論教學實驗、實習實訓的區別

筆者在組織、指導大學生參加“全國大學生工程訓練綜合能力競賽”“全國大學生機械創新設計大賽”等面向工科類專業的學科競賽過程中以及日常教學活動中發現，學科競賽與課程理論教學實驗、實習實訓存在著顯著差異，如表1所示。

鑒于此，有必要將理論教學實驗課程與實習實踐課程的知識結構進行有效整合，充分調動學生的積極性，組織學生參加相關專業的“校、省（賽區）、國家”三個層次的學科競賽、比賽，探索、總結可復制、可推廣的地方高校工科專業應用型人才培養的經驗及模式，并在此過程中不斷強化實驗實踐教學和創新創業教育，有效提高新工科學生的創新能力、實踐能力和就業創業能力[3]，切實增強新工科學生的科學精神和創造性思維能力。

三、學科競賽的意義

（一）提高新工科學生的創新能力及實踐能力

學科競賽具有很強的實踐性，是學生綜合運用知識解決實際問題和體現學生實踐能力的平臺[4]，可以培養新工科學生的想象能力、觀察能力、創新能力、實踐能力等綜合能力[5-6]。以“全國大學生機械創新設計大賽”為例，競賽過程的各個環節如圖1所示，參賽各階段學生的表現和指導教師的作用如表2所示。動員階段需要學生認真理解主題與內容，通過搜集資料、查閱文獻確定題目;系統設計、運動分析和加工調試需要學生結合機械原理、機械設計、理論力學、材料力學和機械制圖相關知識進行功能設計、機構設計、運動分析、受力分析、材料的選擇、零部件的設計和裝配等，確定最終方案;賽后提升要求學生將自己設計的作品申報專利或發表學術論文。整個過程要求學生不斷思考，反復設計、試驗，發現問題，提出解決方案，完成作品（模型）的制作、調試。

通過學科競賽活動，有效組織學生開展課外科技活動，讓大多數的學生都能參與科技創新活動，增強學生對創新、創造的認識和理解，使學生能運用所學的知識和方法去分析生活和學習中的實際問題，并對問題提出解決方案，從而培養學生的創新思維和實踐能力。

（二）培養新工科學生的團隊合作精神

學科競賽一般很難由一個人獨立完成，需要學生利用團隊的力量去分析問題、構建思路、制訂方案，完成從理論到實踐的轉化，這是培養新工科學生團隊合作精神的有效途徑[4]。從表2可以看出，學科競賽需要以學科交叉、年級交叉、特長交叉為基礎，搭建大學生創新、創業團隊，鼓勵學生在術業有專攻與博采眾長間取得平衡，引導學生兼顧發揮工匠精神與提倡團隊合作，讓學生能夠運用自身專業知識及團隊成員優勢將頭腦中的奇思妙想轉化成技術上可執行、實踐中可操作、成本上可接受的設計方案[7]，勝任機電、控制等領域相關設計、制造及應用方面的工作，錘煉其創新思維能力、創業洞察能力、團隊協作能力及動手解決實際問題能力。在現場答辯環節，要求參賽學生共同表述出設計的方案、作品實現的功能等，并能準確回答評委提出的問題，可以培養參與答辯的學生的協作能力、合作精神及溝通交際能力。總之，在學科競賽過程中，師生團結合作，形成指導教師—高年級學生—低年級學生交叉融合的團隊攻關模式，最終取得優異成績，有利于進一步培養學生的團隊合作精神和協調組織能力，提高學生參與競賽的積極性，促進高素質本科創新型人才的培養。

（三）營造良好的學習氛圍和學風

學科競賽是要在理論教學的基礎上，通過激發學生的興趣來引導學生在實踐中主動發現問題，運用所學專業知識解決問題，培養新工科學生的探索精神、創新思維、實踐能力等綜合能力[8]。因此，通過競賽可以培養一批創新能力和實踐能力強，勤奮好學的優秀學生。學生獲獎后產生強烈的榜樣模范作用和影響力，會帶動整個班級甚至整個學院的學習氛圍，使學生相互學習、共同努力，營造出良好的學習風氣。

（四）提高教師的業務水平

從表2可以看出，學科競賽離不開教師的指導，在參賽的過程中，需要指導教師講解主題并對學生提出的方案進行把關、審核圖紙、調試樣機、講解答辯要點、鼓勵學生與解決隨時可能出現的問題。另外，學科競賽題目往往來自當年的社會熱點或技術前沿，一般具有廣泛性和綜合性的特點，要求指導教師有較高的業務水平。因此，指導教師必須掌握與學科競賽相關的核心課程，促進教師更加主動、努力、勤奮地鉆研相關專業知識。教師還可以結合學生在學科競賽中遇到的問題進行理論教學，不斷提高業務水平。

指導教師可以參賽為契機，收集、整理本團隊實際指導的和兄弟高校中的優秀參賽作品，并作為案例引入到今后的課堂理論教學及實習實踐教學環節中，有效提高工科專業在校大學生的創新能力、實踐能力和就業創業能力，同時提高教師的業務水平。

（五）促進高校相關政策的改革

學科競賽的成功組織和開展，離不開學校各部門的支持和健全的教育體制，包括明確的規章制度、經費管理和獎勵辦法，且需要專人管理，使其制度化。

學校可以制定《大學生學科競賽活動管理辦法》，對大學生學科競賽加以管理，對獲獎學生和指導教師給予獎勵，并逐步加大啟動資金、運作資金的扶持力度，提高競賽的質量和加大師生參與力度，并鼓勵教師根據競賽內容和結果對教學內容和方法進行調整和改進。

四、將學科競賽內容融入實踐教學

實踐教學是工科院校、專業提高學生創新能力、實踐能力和整體素質的重要載體，實踐教學可幫助學生將所學知識、技能內化為自身的知識結構和素質能力。實踐教學是由理論課程實驗、生產實習、畢業實習、畢業設計（論文）等環節組成的有機整體，貫穿于四年大學教育的全過程。通過將學科競賽作品及實物案例化，以探索式、研討式教學方法融入課堂及實踐教學的各個環節中，可將大學生自身現有知識結構不斷體系化，并在此過程中培養大學生的創新思維能力和問題導向意識。

（一）將競賽內容融入新工科實驗教學中

近幾屆“全國大學生機械創新設計大賽”和“全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”等學科競賽，其參賽選題都是針對當年社會熱點問題，且均是以實物樣機形式參賽，這就要求參賽學生團隊在指導教師的協助下自主獨立完成包括市場調研、方案設計、結構設計、知識產權申報、結構強度設計、精度設計、控制電路設計、樣機制作、成本控制、設計資料整理及現場答辯等在內的機電產品創新設計的所有環節。因此，與課堂理論教學實驗相比，學科競賽內容更復雜、全面，能夠讓學生深切體會到理論知識的不足，從而激發其主動學習興趣，培養其獨立思考能力，訓練其動手能力，提高其實踐能力。因此，可以對實驗教學進行改革，將往年學科競賽題目及實物樣機模型穿插進實驗教學中，豐富及完善實踐教學的內容與形式。例如，將機械系統設計及方案設計融入“機械原理”實驗教學中，將對實物樣機的結構設計融入“機械設計”實驗教學中，將對實物樣機的材料選擇及加工工藝路線優化融入“材料力學性能測試”實驗教學中等。這樣，實驗內容更貼近生產生活，更具實用性，不但可以提高學生的學習興趣，還可以使學生學會主動思考和積極創新，培養出具有創新思維與實踐能力的新工科人才[9]。

（二）將競賽內容融入新工科課程設計中

學科競賽為課程設計提供了新思路和新課題，通過將學科競賽作品及實物案例化，以探索式、研討式教學方法融入各學科課程設計中，建立以課題為核心的課程設計教學模式，可以不斷培養大學生的問題導向意識和工程實踐能力。同時，結合現代機電產品創新設計的典型流程，可將目前分散在多門課程設計的實踐教學環節進行有機整合。例如，可以結合學科競賽參賽題目要求，將機械制圖、機械原理、機械設計及互換性與測試技術等課程的課程設計整合為“機械系統綜合課程設計”，其設計過程又可分為四個階段。第一階段，主要涉及機械原理和理論力學相關知識，要求學生完成機械系統的方案設計，制訂初步傳動方案。第二階段，在第一階段的基礎上，根據機械設計和材料力學相關知識，完成機械系統及其關鍵零部件的強度設計。第三階段，主要完成機械零部件的精度設計與互換性設計。第四階段，根據前兩階段設計的內容，完成零件圖、裝配圖的繪制與設計計算說明的撰寫。這樣，上述四門課程的實踐教學環節可以圍繞現代機電產品開發流程而有效整合為一個有機整體，指導教師則可以引導學生在吸收、對比、借鑒已有設計要求和作品方案的基礎上，憑借自身專業知識在團隊合作過程中優化、完善并提出功能更全、性能更好、智能化程度更高的設計方案，實現產品的迭代升級。

（三）將競賽內容融入新工科畢業設計中

提高新工科專業人才培養環節中畢業設計的實用性和針對性，將競賽內容與畢業設計題目相融合。比如機械專業學生的畢業設計題目可選擇具有方向控制功能的小車凸輪機構的設計，實現精確轉向的小車用凹槽凸輪推桿機構的設計等，材料成型專業的畢業設計題目可定為：鎂鋁合金激光焊接性能的研究，具有方向控制功能的小車凸輪機構用材料的設計等。通過這些畢業設計，使畢業設計的內容更貼近實際，不但可以激發新工科學生的興趣，還可以鍛煉其動手能力和綜合設計能力[5]。

（四）將競賽題目融入各級大創項目中

現階段，大學生創新創業訓練計劃項目分為國家級、省級、校級三個層次。借助各級大創項目的訓練，一方面可以調動大學生自主學習、鉆研的主動性，激發他們的創新思維能力和問題導向意識;另一方面可以使大學生逐步掌握“工程項目”申報、執行、驗收及結題的基本流程及其中的技術規范和財務制度。

筆者結合“第八屆全國大學生機械創新設計大賽”的賽事主題及參賽要求，指導我校相關專業大學生完成了校級大創項目“立軌式自行車停車裝置”，主要工作包括方案擬訂、關鍵元部件設計、樣機制作、知識產權申報、設計計算說明書撰寫及結題驗收等。

本次大創項目執行以來，項目組成員首先廣泛查閱國內外相關專利信息及成功案例，結合具體的應用場景和使用要求初步擬訂了該停車裝置的技術方案及關鍵技術細節。這一階段，項目組成員大學生主動參與現場調研、網絡查新和方案擬訂等工作，積極性很高。第二階段，項目組成員結合自身專業背景開展了關鍵元部件的詳細設計計算、精度設計與互換性設計、裝配圖與零件圖的繪制、1∶5縮小樣機的3D模型試制與裝配。項目組成員在共同的目標激勵下，分工協作、積極配合，共同完成了此階段任務。第三階段，項目組成員針對前期3D模型調試過程中暴露出來的問題，不斷優化設計方案、完善技術細節，共同申報了一項實用新型專利，并按照大賽參賽要求及校級大創項目結題要求制造完成了“立軌式自行車停車裝置”。2018年7月，在浙江工業大學舉行的“第八屆（2018年）全國大學生機械創新設計大賽全國決賽”中，本項目團隊及該參賽作品取得了全國二等獎的優異成績。

（五）引導學生參與本團隊教師的科研項目

為滿足我國經濟社會發展需要和企業技術創新要求，本團隊教師多年來承擔了多項校企合作科研項目及省、市級科研項目，可以引導、組織學生參與到這些科研項目中來，讓他們具體負責某一項任務。例如，學生可以在相關教師的指導下完成具體零件的強度和精度設計、撰寫專利申報書、參與現場調試與運維等環節，實現理論聯系實際、對接社會需求，并在此過程中拓寬視野、強化工程意識、樹立成本觀念、融入技術前沿。

五、結論

現有典型實踐環節存在諸多問題，機械類學科競賽更能培養新工科學生的學習主動性、實踐能力和創新能力。參加過學科競賽的學生，在后期的實踐環節中，對實踐內容和過程的掌控能力相對更強。因此，將學科競賽融入實踐教學，豐富及完善新工科實踐教學的內容和形式，切實培養學生的創新思維和實踐能力，為新工科人才的培養提供了新途徑。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 山西省人民政府關于實施“1331工程”統籌推進“雙一流”建設的意見[EB/OL].（2017-03-02）[2019-03-06]. http：//www.shanxi.gov.cn/sxszfxxgk/sxsrmzfzcbm/sxszfbgt/flfg_7203/szfgfxwj_7205/201703/t20170302_285019.shtml.

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[6] 姚利花，張占東. 綜合性高校在實踐教學中培養新工科創新型人才的研究[J]. 教育現代化，2018（12）： 1-2.

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[8] 裴九芳，王海. 以學科競賽提高學生實踐能力的研究[J]. 中國電力教育，2013（14）： 132-133.

[9] 周緒紅. 中國工程教育人才培養模式改革創新的現狀與展望：在2015國際工程教育論壇上的專題報告[J]. 高等工程教育研究，2016（1）：1-4.

[責任編輯：龐丹丹]