基于科技創新訓練項目的學生工程能力培養方案研究及實踐

黎澤倫 黃虹錦 黃友均 陳 奎 萬慶隆

（重慶科技學院<機械與動力工程學院>，重慶 401331）

0 引言

我國政府明確將“提高自主創新能力、建設創新型國家”作為國家和社會發展的中長期戰略目標。近年來，國家實施了“創新驅動發展”和“中國制造2025”等一系列重大戰略，相關政策和市場需求的激勵直接使得各大科技企業和制造企業對具有較高水平工程能力人才的需求[1]。而在目前的教育體制下，眾多高校的課程只能使學生對專業知識進行理論上的認知，或掌握最基本的實驗操作方法，卻難以使學生具備預期的工程能力。學生的工程能力無法滿足企業的需求，導致了許多大學生在應聘時缺乏競爭力，或進入工程應用型崗位后無法勝任工作，同時也導致了企業難以找到足夠的人才[2]。為強化創新能力訓練，增強高校學生的創新能力，培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才，許多高校開展了創新訓練計劃。科技創新訓練項目是培養學生具備合格的工程能力的重要途經之一。

1 基于科技創新訓練項目的培養方案

1.1 開放性選題

與機械創新大賽等各類創新大賽對選題指定了應用領域或題目不同，創新訓練計劃項目的選題沒有任何限制。這一特點使得學生可以根據所學專業和興趣設立項目或參與教師的一部分科研項目。學生能選到自己感興趣并且擅長的項目，在項目開展過程中能一直保持參與的積極性，使得項目能夠快速地、有效地推進，從而很大程度上避免了學生因對所規定的選題不擅長或不感興趣而使項目無法順利進行甚至被放棄的情況的發生。

1.2 指導教師全程指導

對于很多機械類專業學生來說，參加創新訓練計劃是第一次接觸到一個創新產品的開發。很多學生還不清楚前期的項目擬定和規劃、市場調研、理論分析過程，不熟悉中期作品的設計、加工、裝配的方法，項目后期不知道論文交稿和專利申請的具體流程。指導教師全程指導項目和在開展過程中鼓勵學生便可掃清學生在項目流程上的障礙。同時，指導教師實時關注項目進展情況，能在學生專業能力不足，項目陷入停滯或項目進展偏離預期軌跡時及時給予幫助和糾正，確保項目的順利進行。在此過程中，學生便能建立起對創新項目整個流程的具體認知，這就是培養學生在未來從事研發崗位時對項目統籌規劃、有效推進的基本工程思維。

1.3 經費支持

除了專業技術問題外，經費問題也常常成為阻撓項目進行的外在因素。例如，設計并制作一個四足機器人的項目，在設計方案出來之后需要購買如機構板材、主控板、舵機等一系列零部件，后期的論文刊費和專利申請費用也往往需要學生自己承擔。家庭經濟情況不好的學生就會受限于此。創新訓練計劃實施過程中，政府部門或學校會配備一定的項目經費，這就為學生掃除了經濟阻礙，大大激勵了學生的創造熱情。

1.4 開題、中期及結題答辯

創新訓練計劃要求學生分別在開題、項目進行中期和結題三個階段分別做一次答辯。這有利于指導教師及學校相關專家掌握學生項目的進展情況，評價項目是否符合要求。學生可以在答辯的過程中、與專家教師的交流中獲得項目下一步該如何進行、出現了問題該如何修正的信息。此外，三次答辯也可以對進展較慢的項目起到督促作用，同時，學生也能在答辯中鍛煉口才，從而具備用專業術語準確表達自己設計理念的能力。

2 科技創新項目對工程能力的培養

工程能力主要包括工程設計能力、工程制造能力、系統集成和創新能力以及溝通與管理能力等方面。

2.1 工程設計能力

工程設計能力是工科教育的基礎。以重慶科技學院國家級大學生創新訓練計劃項目“輪腿復合式四足機器人”為例，需要查閱文獻，結合實際，分析輪式結構在機械腿運動模式，并把輪式運動的減震性能加入考慮。運用《機械原理》的知識設計機械腿的傳動結構，使得機械腿能夠把舵機臂的轉動轉化成機械腿的抬腿、落腿的運動，并且能夠完成兩種運動模式的切換。接下來進行主控板、舵機等需要購買的構件的選型，基于這些現有部件，運用《機械設計》知識，設計每個結構零件，將材料強度因素、螺栓等連接件鏈接強度因素、裝配易操作性、結構合理性因素作為設計過程的指標。另外，需熟練運用三維建模軟件建立每個零件以及裝配體的三維模型。機器人主體結構設計完成后，運用D-H法對機器人進行運動學建模，通過模型解算出實現行走步態以及模式切換時，各個舵機旋轉的角度參數，為控制程序設計打下基礎。

2.2 工程制造能力

工程制造能力即通過工程中常見的易實現的機械加工方式完成零件的加工制造，然后將零件組合成裝配體。加工制造是制造業企業的產出基礎，學生未來進入專業崗位后無論是從事開發工作還是管理工作，都必然需要考慮產品制造過程。創新訓練項目便可使學生具備合格的工程制造能力。

同樣，以“輪腿復合式四足機器人”項目為例，由于機器人總體尺寸及質量不大，機器人結構件多為塑料材質，需要選擇增材制造和激光切割為主要加工方式。運用3D打印制造機器人的較小尺寸且精度要求不高的零件；運用激光切割，以亞克力板為材料加工尺寸較大且需要精準孔位的零件。通過加工零件的過程，使學生掌握了3D打印和激光切割設備的操作方法，同時，了解了使用不同加工方式在加工同一零件時加工精度的區別以及零件的實際安裝效果。

如何節省材料則是控制成本的重要途徑。接下來采用先部分裝配再整體裝配的思想，將零件用螺栓等緊固件裝配成部件最終成為機器人整體。

2.3 系統集成和創新能力

近年來，隨著計算機技術、人工智能、通信技術等的快速發展，越來越多的專業融入了上述新興學科。某個領域的一個產品里面往往會包含涉及其他領域的多個系統，如何將這些系統合理布置，有機結合便成了產品設計中必要的考慮因素。對于許多工科專業，系統集成與創新能力顯得尤為重要。

2.4 溝通與管理能力

溝通與管理能力是項目按計劃有序開展的重要保障，這是項目負責人必須具備的工程能力。該能力包括組織協調能力和交流溝通能力。組織協調能力即負責人在立項之初對團隊成員的選擇和分工中得以培養。由于團隊成員有各自的優缺點和感興趣的工作，因此，項目負責人在分配工作時需用一雙慧眼發現成員各自的特點，取長補短，項目細化后的各項工作分別安排給擅長的成員，如此才能實現項目推進效率的最大化。

3 結語

綜上所述，本文研究了基于科技創新訓練項目的學生工程能力的培養方案及實踐過程，科技創新訓練項目以其獨特的優點吸引著越來越多的學生參與。學生基于項目驅動的實踐模式下，自然而然會在教師的指導下運用專業知識，提出設計方案、思考所遇到的問題，相互溝通協調，解決問題。因此，科技創新訓練計劃項目是一個全方位培養學生工程能力，提升高等學校教學質量的絕佳平臺。