梁國棟 霍海濤 焦志勇 劉媛

[摘 要]研究將全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽與工程訓(xùn)練教學(xué)相結(jié)合，把競賽項(xiàng)目當(dāng)作實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的工程項(xiàng)目，作為學(xué)生工程訓(xùn)練的工程背景。通過撰寫產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書、研究制訂設(shè)計方案、制訂項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計劃、明確質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、采取合理的產(chǎn)品質(zhì)量控制措施、運(yùn)用軟件模擬仿真、編制零件加工工藝過程卡片、動手操作加工、裝配調(diào)試驗(yàn)證以及團(tuán)隊(duì)建設(shè)和競賽選拔等，實(shí)現(xiàn)相對完整的工程過程。按照“新工科”人才培養(yǎng)模式，從多方位、多角度實(shí)現(xiàn)對學(xué)生工程素養(yǎng)和工程能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]工程訓(xùn)練；工程能力；工程素養(yǎng)；工程意識

[中圖分類號] G645 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0148-04

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，在全國各類大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽中越來越受到關(guān)注和重視。以“競賽為人才培養(yǎng)服務(wù)，競賽為教育質(zhì)量助力，競賽為創(chuàng)業(yè)就業(yè)引路”[1]的競賽宗旨為指引，通過賽事的“小制作、大思維”特色題目，可為培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和工程能力搭建平臺。將工程訓(xùn)練教學(xué)與競賽訓(xùn)練相結(jié)合，引入實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的工程項(xiàng)目為工程背景，以達(dá)到深化工程實(shí)踐教學(xué)改革，提升大學(xué)生的工程實(shí)踐能力、動手能力、質(zhì)量意識、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作意識，提高高等工程教育質(zhì)量的目的。

工程能力指的是人們運(yùn)用知識解決工程實(shí)際問題的綜合工作能力。工程素養(yǎng)是指從事工程實(shí)踐的工程技術(shù)人員面向工程實(shí)踐時所具有的潛能和適應(yīng)性。工程素養(yǎng)和工程能力往往是緊密結(jié)合在一起的。工程素養(yǎng)與工程能力的形成，不是知識的簡單綜合，而是一個將知識要素與素質(zhì)要素相融合的復(fù)雜漸進(jìn)過程。在融入產(chǎn)品開發(fā)工程思想，以競賽為平臺的工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做、做中學(xué)”[2]，從多方位、多角度實(shí)現(xiàn)對學(xué)生工程素養(yǎng)和工程能力的培養(yǎng)。

一、通過團(tuán)隊(duì)建設(shè)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的工程素養(yǎng)

所謂團(tuán)隊(duì)合作，指的是一群有信念、有能力的人在特定的團(tuán)隊(duì)中，為了一個共同的目標(biāo)互相支持、合作奮斗的過程[3]。這里的團(tuán)隊(duì)合作還包括教師與學(xué)生之間的合作，在競賽訓(xùn)練過程中，營造互助、團(tuán)結(jié)、融洽的師生合作氛圍，可以激發(fā)學(xué)生的潛力，教師的贊賞可以有效激勵學(xué)生加倍努力。

工程能力競賽具有綜合性，跨學(xué)科跨專業(yè)，所涉及的內(nèi)容較多，涵蓋知識面廣。通過在子項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行選拔，組成數(shù)個競賽團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練。團(tuán)隊(duì)成員需要根據(jù)各自的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)分工、通力合作，才能完成整個競賽項(xiàng)目，這就對團(tuán)隊(duì)合作提出了較高的要求。

天津科技大學(xué)報名參加第五屆工程能力競賽訓(xùn)練的學(xué)生有100 多名，每三人一組，自愿組合建立項(xiàng)目小組。工訓(xùn)中心組織多名具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、精力充沛和樂于奉獻(xiàn)的教師來建立指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)的基本思路是把競賽項(xiàng)目中的“8”字形小車、S型小車和電控小車拆分成若干個功能區(qū)塊的單元子項(xiàng)目，然后把子項(xiàng)目下達(dá)給學(xué)生，為學(xué)生營造出一種真實(shí)的工程氛圍，同時由指導(dǎo)教師開展研究式教學(xué)。學(xué)生們組成一個個小型的“新產(chǎn)品”研發(fā)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部每個成員都要參與“新產(chǎn)品”的構(gòu)思、設(shè)計和加工。同時，每個學(xué)生還各自擔(dān)任設(shè)計、工藝、生產(chǎn)和檢驗(yàn)等不同的角色，在整個研制、生產(chǎn)、調(diào)試過程中，他們在指導(dǎo)教師的監(jiān)督指導(dǎo)下各行其責(zé)，既有分工又有合作。

這樣以項(xiàng)目為背景的工程訓(xùn)練，給團(tuán)隊(duì)成員間的學(xué)習(xí)交流提供了平臺，可以激發(fā)他們互相學(xué)習(xí)的積極性，還能夠培養(yǎng)他們團(tuán)隊(duì)合作的精神與能力，使他們發(fā)現(xiàn)自身的優(yōu)點(diǎn)和不足，從而更主動有目的地學(xué)習(xí)。

二、撰寫產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書，明確工程目標(biāo)與項(xiàng)目方向

產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書又稱產(chǎn)品設(shè)計說明書，是預(yù)先對某一產(chǎn)品設(shè)計項(xiàng)目提出具體任務(wù)、指標(biāo)、原則、要求的任務(wù)性文件[4]。它是設(shè)計人員根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平和需求，對待生產(chǎn)、待開發(fā)的產(chǎn)品或新產(chǎn)品提出的實(shí)用技術(shù)文書，內(nèi)容涵蓋具體設(shè)計任務(wù)、產(chǎn)品原理、結(jié)構(gòu)、性能、技術(shù)指標(biāo)、用途范圍和使用要求、質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等。

在這個環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師依據(jù)命題和賽規(guī)要求，把“8”字形小車、S型小車拆分為動力、傳動、轉(zhuǎn)向、輪行和微調(diào)等模塊。電控小車除了把機(jī)械結(jié)構(gòu)分成若干模塊外，還把電控機(jī)構(gòu)分成程序項(xiàng)目、主電路、電源管理、傳感模塊、電動執(zhí)行等主要模塊。

指導(dǎo)教師幫助學(xué)生建立每一個模塊就是一個項(xiàng)目和一個產(chǎn)品的概念，明確和認(rèn)識每個模塊要實(shí)現(xiàn)的功能和將要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)以及詳細(xì)的質(zhì)量要求。學(xué)生通過查閱機(jī)械和電路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定關(guān)鍵部位質(zhì)量控制指標(biāo)（例如旋轉(zhuǎn)零件的平衡矯正、電路的最高功耗等），撰寫產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書。

各個小組選擇感興趣的模塊，同樣的模塊可能有幾個小組選擇，有的模塊可能沒有小組選。對于沒有人選的模塊，指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)，學(xué)生依照產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書的模式，寫出該模塊項(xiàng)目的產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)書。

這是一個富有工程內(nèi)涵并能夠激發(fā)起學(xué)生興趣的教學(xué)過程，對分析問題、解決問題既起到引領(lǐng)作用，又有助于明確新知識、新技術(shù)的學(xué)習(xí)方向，為引導(dǎo)學(xué)生從事創(chuàng)新開發(fā)項(xiàng)目奠定能力基礎(chǔ)。

三、研究制訂設(shè)計方案，拓展學(xué)生的創(chuàng)新型工程能力

在鼓勵學(xué)生探索、討論、形成研究方案的過程中，指導(dǎo)教師要適當(dāng)介入，就以前的優(yōu)秀“無碳小車”進(jìn)行分析，對國賽方案進(jìn)行解讀，幫助所有的子項(xiàng)目組明辨所承擔(dān)部分的設(shè)計方向，少走彎路，鼓勵開展創(chuàng)新與改進(jìn)方案。

通過運(yùn)用所掌握的機(jī)械類專業(yè)和電類專業(yè)的相關(guān)理論知識，學(xué)生對本小組的項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行具有創(chuàng)新性的概念構(gòu)思、功能定位、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電控設(shè)計等。

每一代作品雖然在原理上大同小異，但是其結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路都有著許多的不同，外觀看似大致相同，但是運(yùn)行起來的效果卻是不同的。通過分析前幾代作品，厘清前幾代作品的設(shè)計思路，從材質(zhì)、加工工藝及路線、熱處理、表面處理、傳感器設(shè)置、信號采樣、芯片選擇、裝配調(diào)試等方面梳理出成功的經(jīng)驗(yàn)與存在的不足。設(shè)計新一代作品時，在進(jìn)行受力分析、結(jié)構(gòu)布局分析和運(yùn)動分析以及電路布局過程中，開拓創(chuàng)新思維，開展迭代創(chuàng)新，嘗試提出改進(jìn)方案。對一些從多角度提出的方案，鼓勵學(xué)生通過實(shí)踐去驗(yàn)證最佳方案。比如在設(shè)計輪行機(jī)構(gòu)時，學(xué)生設(shè)計出以下四種方案：一種是雙輪同步驅(qū)動，一種是差速器雙輪差速驅(qū)動，一種是單向軸承雙輪差速驅(qū)動，還有一種是單輪驅(qū)動。

由于這四個方案都有各自的優(yōu)勢與不足，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生將其分別作為模塊項(xiàng)目，由四個小組進(jìn)行設(shè)計、制造，然后進(jìn)行裝車驗(yàn)證。通過實(shí)踐試驗(yàn)，差速器雙輪差速驅(qū)動和單輪驅(qū)動較另兩種方案優(yōu)勢明顯，綜合分析討論后學(xué)生選擇了單輪驅(qū)動方案參加競賽。

每個項(xiàng)目模塊雖然小，但這個面向全體培養(yǎng)的過程，可讓參加訓(xùn)練的學(xué)生都有機(jī)會得到工程能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。最終指導(dǎo)教師會在完成模塊項(xiàng)目的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)中通過考核和答辯選拔組建數(shù)個競賽團(tuán)隊(duì)，并以整車為項(xiàng)目，按照工程規(guī)范進(jìn)行培養(yǎng)訓(xùn)練，參加校內(nèi)運(yùn)行比賽，從而使這些學(xué)生的工程能力得到進(jìn)一步提升。

四、制訂項(xiàng)目實(shí)施計劃，培養(yǎng)學(xué)生的工程管理素養(yǎng)

制訂項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計劃，屬于工程管理的范疇，學(xué)生按照指導(dǎo)教師確定的各項(xiàng)目模塊完工時間，各小組細(xì)化分解任務(wù)，制定分解任務(wù)完成時間表，也稱為“項(xiàng)目進(jìn)度計劃”。它包括模塊項(xiàng)目中每項(xiàng)具體工作的計劃開始日期和預(yù)計完成日期。

在工程領(lǐng)域，進(jìn)度控制是工程項(xiàng)目實(shí)施階段的重要內(nèi)容，項(xiàng)目進(jìn)度計劃是項(xiàng)目施工組織設(shè)計的中心內(nèi)容，它要保證項(xiàng)目工程按合同規(guī)定的期限交付使用。

按進(jìn)度計劃有效控制項(xiàng)目的工期節(jié)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理目標(biāo)的主要途徑。在整個項(xiàng)目實(shí)施過程中，任何一個團(tuán)隊(duì)和團(tuán)隊(duì)中的任何一名成員，都要按計劃的時間節(jié)點(diǎn)完成各自的任務(wù)，否則整個項(xiàng)目無法按期完成。學(xué)生的班級不同，課余時間也不同，為了能夠在有限的時間內(nèi)平衡項(xiàng)目的多種矛盾要求，實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)，需要學(xué)生對時間進(jìn)行規(guī)劃。能否按照時間節(jié)點(diǎn)保質(zhì)保量完成任務(wù)，將作為競賽團(tuán)隊(duì)選拔考核的條件之一。

在項(xiàng)目推進(jìn)過程中，項(xiàng)目例會是一種非常重要的管理工具，也是一種非常高效的溝通形式。學(xué)生可以了解整個訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)的工作情況，可以反映問題尋求支持，可以溝通進(jìn)展?fàn)顟B(tài)、協(xié)調(diào)進(jìn)度、分析質(zhì)量問題等等，促進(jìn)各項(xiàng)目組提高執(zhí)行效率，追蹤各項(xiàng)目組的工作進(jìn)度，推動項(xiàng)目按計劃進(jìn)度順利進(jìn)行。在這個過程中，對于如何控制好例會的議題或議程，學(xué)生可以找指導(dǎo)教師進(jìn)行指導(dǎo)和示范，避免有可能造成溝通效果不理想及人員與時間浪費(fèi)等問題。

通過指導(dǎo)學(xué)生制定項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計劃和建立項(xiàng)目例會制度，要求學(xué)生必須圍繞項(xiàng)目進(jìn)度計劃要求，對各項(xiàng)工作進(jìn)行時間和邏輯上的合理安排，建立和強(qiáng)化工程工期和節(jié)點(diǎn)意識，學(xué)會分析質(zhì)量問題和采取有效的質(zhì)量控制措施，培養(yǎng)其統(tǒng)籌安排時間和掌控進(jìn)度等的基本工程素養(yǎng)。

五、運(yùn)用軟件模擬仿真，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計工具的工程能力

具有仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維仿真軟件在現(xiàn)代工程運(yùn)用中越來越廣泛，利用這個技術(shù)可以清楚三維物體中各點(diǎn)受力的大小，也可以任意變換角度去觀察，這樣就使設(shè)計者的思維更加直觀形象化，概念也更易于理解。三維仿真軟件的應(yīng)用，不僅可以減少工程設(shè)計過程中的重復(fù)工作，還可以提高工程設(shè)計、生產(chǎn)等過程的可視化程度，極大縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

學(xué)生按照項(xiàng)目實(shí)施方案，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行仿真分析技術(shù)設(shè)計。先對承擔(dān)的項(xiàng)目模塊進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得出具體參數(shù)，并構(gòu)思和設(shè)計草圖，接著按照草圖在軟件中完成零件的實(shí)體建模，最后各組對所承擔(dān)項(xiàng)目的零件進(jìn)行裝配。

經(jīng)過選拔后的競賽團(tuán)隊(duì)，還會進(jìn)一步用三維軟件將零件組裝成機(jī)構(gòu)，整合成無碳小車模型，并通過分析小車的運(yùn)動規(guī)律建立運(yùn)動學(xué)模型，確定小車整體結(jié)構(gòu)和各零部件及機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動仿真。

通過仿真運(yùn)動的試驗(yàn)，很容易找出設(shè)計缺陷，還可以很方便地修改設(shè)計參數(shù)。例如，觀察轉(zhuǎn)向傳動裝置中曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)的滑塊，在方向控制盤曲線凹槽中滑動，控制小車導(dǎo)向輪進(jìn)行周期性擺動，走出S型理論軌跡的模擬仿真，就可以通過不斷修改方向控制盤凹槽的曲線參數(shù)，減小小車走出的軌跡與設(shè)計軌跡的差異，使其趨近最佳軌跡。

完成模擬仿真以后進(jìn)入出圖環(huán)節(jié)。在教師的引導(dǎo)下，各項(xiàng)目組的學(xué)生按照圖紙規(guī)范，對零件圖進(jìn)行尺寸和公差、技術(shù)要求等標(biāo)注，將三維圖、裝配圖、爆炸圖、零件圖打印匯總，裝訂成卷圖，用于后續(xù)的生產(chǎn)制造和裝配調(diào)試。本環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計工具的工程能力和按照規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計以及整理工程資料的工程素養(yǎng)。

六、加強(qiáng)生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量意識，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力

在這個生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，要求各項(xiàng)目組運(yùn)用掌握的機(jī)械加工知識，對要加工的零件圖紙進(jìn)行工藝分析，編制零件加工工藝過程卡片。工藝卡片中，學(xué)生要按照工藝卡片標(biāo)準(zhǔn)編寫工藝過程，詳細(xì)具體地寫出從下料開始到加工結(jié)束去毛刺的各個工藝環(huán)節(jié)，明確每道工序需使用的設(shè)備、刀具和工具，寫清每道工序要加工到的尺寸及公差帶，以及合理編排工序之間的質(zhì)量控制過程，標(biāo)出必須要設(shè)置質(zhì)量檢驗(yàn)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

學(xué)生設(shè)計的圖紙往往沒有工藝性，也就是常說的畫得出來做不出來的情況。指導(dǎo)教師針對設(shè)計和圖紙問題進(jìn)行講解，比如典型結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計、公差配合的選取和形位公差標(biāo)注的依據(jù)等，引導(dǎo)學(xué)生思考感悟其中的工程內(nèi)涵，體會零件加工的系統(tǒng)過程和具體方法[8]。學(xué)生為了減小在加工過程發(fā)生明顯錯誤的可能性，可以請教指導(dǎo)教師對圖紙和工藝卡片進(jìn)行審核和指導(dǎo)。這樣既可以培養(yǎng)學(xué)生編寫工藝過程卡片的工程能力，解決設(shè)計加工中存在的問題，又可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

在學(xué)生自己動手操作加工過程中，指導(dǎo)教師還需要在完善和調(diào)整零件加工工藝、加工技術(shù)、安全監(jiān)督等方面加強(qiáng)指導(dǎo)，不僅要讓學(xué)生“學(xué)得會 ”，還要讓學(xué)生懂得學(xué)習(xí)和思考的方法。

裝配是小車制造的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生根據(jù)設(shè)計文件的裝配圖進(jìn)行組裝，多數(shù)情況下是不能一次裝配成功的，甚至有的零件要修改尺寸重新加工。學(xué)生通過多次拆裝切實(shí)體會到“公差配合”“形位公差”的真正含義，以及零部件的精密型對產(chǎn)品的重要意義。裝配結(jié)果的好壞直接關(guān)系到小車的整體運(yùn)行性能。

小車在調(diào)試運(yùn)行初期，往往是走不出理想的設(shè)計軌跡的，學(xué)生很容易喪失信心，教師要及時對學(xué)生予以鼓勵，以維持學(xué)生持續(xù)的研究熱情。也需要指導(dǎo)教師結(jié)合設(shè)計任務(wù)書中的目標(biāo)參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生潛下心來耐心調(diào)整。比如，電車就需要調(diào)整傳感器位置和布局，修改程序等等，機(jī)械小車需要調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，微調(diào)零點(diǎn)幾毫米小車運(yùn)行軌跡就會有很大變化。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到理想的設(shè)計目標(biāo)。

綜合能力競賽項(xiàng)目的創(chuàng)新過程是一項(xiàng)高度復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程，往往需要通過對多種不同的方案進(jìn)行比較和實(shí)驗(yàn)，才能達(dá)到最優(yōu)效果。通過引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，在理論學(xué)習(xí)中找到解決問題的方法，再回到實(shí)踐中去解決問題的工程訓(xùn)練過程[9]，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性工程能力。通過按照標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)制造過程進(jìn)行規(guī)范的加工生產(chǎn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、精益求精、追求卓越的“工匠精神”。

七、通過競賽和競爭性選拔，培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識

競爭意識是工程意識中的一個非常重要的部分，它有助于學(xué)生奮發(fā)圖強(qiáng)，不甘平庸，追求卓越。

組織各種級別的競賽，在競爭意識的培養(yǎng)等方面的確發(fā)揮著獨(dú)特的作用。培養(yǎng)競爭意識而不是好勝心，可以激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性。無論成績?nèi)绾?，所有參與者都收獲很大，不僅在工程能力方面受益良多，而且培養(yǎng)了不怕失敗、屢敗屢戰(zhàn)的心理素質(zhì)，進(jìn)一步提高了工程素養(yǎng)。綜合能力競賽是提高學(xué)生工程創(chuàng)新能力[10]和工程素養(yǎng)的有效途徑。

八、結(jié)束語

工程意識是工程師最重要、最基本的素質(zhì)之一[11]。高校的工程訓(xùn)練是幫助學(xué)生樹立現(xiàn)代工程意識的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[12]。充分利用具有鮮明工程背景的工程訓(xùn)練競賽作為工程訓(xùn)練實(shí)踐平臺，結(jié)合工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)，把傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)向更高的層次推進(jìn)，推動工程訓(xùn)練的教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)模式的進(jìn)一步改革，培養(yǎng)學(xué)生包括創(chuàng)新精神、規(guī)劃能力、應(yīng)用能力、實(shí)踐能力、管理能力、合作能力在內(nèi)的一系列工程能力和工程素養(yǎng)，遵循 “新工科”人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具備解決復(fù)雜工程問題能力的卓越工程技術(shù)人才。

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