基于創新方法的智能制造課程集群體系構建及測試

王 旭，樊 敏

（1. 電子科技大學成都學院 電子工程系，四川 成都 611731；2. 成都信息工程大學 光電工程學院，四川 成都 610225）

學生創新能力培養，是高等教育的重要目標之一。我國各大高校就如何提升學生的創新能力做了大量研究，取得了豐富的成果。文獻[1]通過搭建多維度高校聯合科技創新平臺，為創新型人才培養提供了硬件支撐；文獻[2]以OBE-CDIO 為教學理念，建立了工業設計專業的課程體系，并以成果為導向實現了學生創新能力的培養；文獻[3]將TRIZ 發明原理應用于機械實驗教學的課程體系設計和機械產品開發，達到了優化實驗課程資源，豐富學生創新成果輸出的效果。

上述這些措施能夠為學生的創新活動提供各種軟件和硬件支撐，也能夠在一定程度上激發學生的創造力。但是創新能力培養是一種以學生為中心的由內而外的創造活動[4]，因而學生的創意想法是創新的來源。項目的實施、軟件以及硬件的支持雖可推動學生的創意實現，但在啟發學生創意方面作用有限。TRIZ 發明原理是一種行之有效的啟發學生創新的方法[5]，但對于智能制造課程集群而言，學生的創意有不同的類型，可以應用的創新方法較豐富，TRIZ 發明原理并不一定適用于全部的發明創新。鑒于此，以多種創新方法為基礎，通過教學、訓練等方式，讓學生掌握并選擇合理的創新方法，將其應用于智能制造課程集群創意項目中，更好地啟發學生創意，并通過創新平臺的支撐，實現學生產品創意，達到提升創新能力的目的。

1 智能制造課程集群的體系構建

1.1 課程集群體系的建立

電子科技大學成都學院智能制造課程集群體系的教學目標是培養學生的實踐動手能力和創新能力。實現的方式是，將創新方法應用于課程教學項目中，實現創意智能產品的設計與制作。在課程體系構建中，主要考慮以下因素：

（1）創新方法的教學與訓練。即在課程體系中，需要以某一門課程作為創新方法論教學的媒介，讓學生在該課程中學習并應用。

（2）學生項目中的創新方法應用。根據我院課程的實際特點，在智能課程集群的各個課程中，大多設置了三級項目，要求學生應用創新設計方法開發具有創意的產品。

（3）課程集群的融合。根據“新工科”的培養理念，學生應通過主動學習獲得將不同領域的知識進行整合的能力[6-7]，這就要求在課程體系構建中，設計合理的課程集群融合形式。

綜合上述因素，選定的創新方法論媒介課程為“創新設計與實踐”，教學模式采用CDIO 標準的第8 條，即主動學習法[8]，課程具體情況如表1 所示。

表1 “創新設計與實踐”課程內容

通過表1 所示的創新方法的學習，學生再將該方法應用于智能制造課程集群的其他相關課程，相關的課程體系如表2 所示。

1.2 課程集群融合方式的選擇

由表2 可知，智能制造課程集群涉及的專業和課程較多，而這些課程教學中，均包含課內二級或三級項目，因此從學科融合的角度出發，采用多學科融合項目設計方案，實現課程集群的融合，如表3 所示。

表2 智能制造課程集群體系

表3 多學科融合項目設計

2 課程教學實現措施

當完成課程集群體系構建且確定了多學科融合項目為課程融合形式之后，基于課程體系的教學實現措施包括：①“創新設計與實踐”課程的教學設計；②多學科融合項目的實現措施。

2.1 “創新設計與實踐”課程的教學設計

“創新設計與實踐”課程教學的主要目標是讓學生掌握各種創新方法，并在項目中能夠合理應用。在教學設計中，擬采取以教學活動為主的主動學習模式。具體的教學設計如表4 所示。

表4 “創新設計與實踐” 課程的教學設計

2.2 多學科融合項目的實現措施

多學科融合項目的實現，主要通過開展綜合項目的流程來保證。具體實現流程為：

（1）采用KOLB 學習行為分析法，對學生進行類型測試。每個學生的特點、學習風格均不同，只有準確把握學生的類型，才能進行合理的團隊劃分，并充分發揮團隊中每個成員的特長[9-10]。

（2）根據KOLB 分析結果，將學生按照不同的類型組成項目團隊。

（3）對團隊成員進行角色劃分和任務分解。例如，在尋跡機器人項目中，可以將團隊成員角色劃分為：①外觀設計工程師，負責用仿生學、人機工程學等外形設計理論設計機器人外觀造型；②結構設計工程師，負責設計機器人內部結構并進行有限元分析；③電路設計師，負責搭建傳感器及控制系統的電路并編寫代碼；④工藝工程師，負責編排機器人的實物制作工藝，并根據機械工藝學知識完成實物制作。

（4）按照C（構思）—D（設計）—I（制作）—O（實現）的流程，開展融合項目[11]。其中，構思環節涉及創新方法應用，應通過創新設計方法確定最終的項目方案；設計和制作環節中涉及多學科知識的應用與整合。

（5）完成智能產品實物或模型的制作和性能參數測試。

2.3 學生作品創意評價標準的確定

當學生完成產品制作后，需要對這些作品創意進行評定。評定標準按照阿奇舒勒的創新級別標準設定，即將學生作品的創新性劃分為I、II、III 級，其中，I 級為最低創新標準，III 級為最高標準[12]，如表5所示。

表5 學生作品的創意評定標準

3 教學測試

3.1 學生作品創意評定

課程體系及多學科融合項目的設計是否有利于學生創新能力的培養，需要進行效果驗證。本文于2018年進行了為期1 年的教學測試。以我院2016 級和2017級智能專業學生為研究對象，2016 級未采用創新方法構建課程體系，但仍實行多學科融合項目方案，作品的創新方案設計主要通過團隊頭腦風暴。2017 級智能專業在“創新設計與實踐”的課程教學中，按表4 的教學設計進行，并在多學科融合項目中應用創新方法。

在三級項目開展過程中，2016 級智能專業共計22個團隊，2017 級智能專業共計20 個團隊。學生作品創意的評定結果如表6 所示。

表6 學生創意評定結果

由表6 可見，采用基于創新方法的課程體系后，2017 級智能專業學生團隊作品的II 級和III 級創意作品數量較多，占比為70%，且有6 個作品申報專利（其中發明專利2 項），4 項專利已獲得授權。而未采取創新方法課程體系的2016 級學生，II 級和III 級創意作品僅占45.5%，僅有2 項作品申報專利。由此可見，基于創新方法的課程體系，能夠有效培養學生應用創新方法的習慣并增加創意作品輸出，在一定程度上起到了提升學生創新能力的效果。

3.2 問卷調查

采用主動學習教學模式的目的是使學生獲得良好的學習體驗，激發學生的學習積極性。因此，在對學生作品進行創意評定的同時，還進行了問卷調查。對問卷問題的設置，主要以CDIO 標準中對學生的能力要求為依據[13-14]，并采用了新加坡理工學院的學習反饋信息搜集方法。問卷問題的設計維度如圖1 所示，部分問卷問題如表7 所示。

問卷將學生對問題的認可度劃分為強烈同意、同意、一般、不同意、強烈不同意等5 個等級，分別對應5、4、3、2、1 的分值。隨機抽取2017 級智能專業的20 名學生，問卷調查結果如表8 所示。

從表8 可見，除能力整合方面的兩個問題認可度稍低外，學生對自己技能提升、教師教學活動設計、自信心提升等方面的認可度均超過50%，且持否定態度的人較少。由此可見，以創新方法為引導，以課程集群融合為項目基礎，以主動學習方法為教學方案的培養模式，對于學生創新能力培養和良好的學習體驗是行之有效的。

圖1 問卷問題的設計維度

表7 5 個維度下的部分問卷問題設計

表8 問卷調查結果

4 結語

以“創新設計與實踐”課程為基礎，構建基于創新方法應用的智能制造課程集群體系，并采用多學科融合項目形式實現相關課程的知識整合。在創新方法的引導下，學生的作品創意水平得到提升，創新能力得到良好訓練。從問卷調查情況看，在教學中采取主動學習模式，提升了學生的學習積極性，激發了學生的學習興趣。今后在現有基礎上，將在進一步提升學生知識整合能力等方面進行進一步分析和探索，實現教學質量的持續提升。