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摘 要：为适应飞速发展的高新技术和日益激烈的就业竞争，建立致力于培养和提高高职学生的创新思维、创新意识和创新能力的机械创新设计实验室对于相关专业的人才培养具有重要意义。本文阐述了机械创新设计实验室建设顶层设计，结合实验室硬件建设总结了创新实验的实践教学方法和教学过程组织与实施经验，讨论了如何引入“实验 - 加工”联动模式协同开展创新教育的问题，为高职院校机械类创新实验室建设提供了有意义的参考。
关键词：机械创新设计实验室；实践教学创新；“实验 - 加工”联动模式
本文引用格式：卜新民 , 等 . 高职院校机械设计创新实验室建设的实践与探索 [J]. 教育现代化 ,2020,7(32):31-34.
practice and exploration of the construction of mechanical design Innovation laboratory in Higher Vocational colleges
Bu Xin-min，ZHAO Fang-zhou
（Shaanxi Institute of Technology, Xi'an Shaanxi）
Abstract: In order to adapt to the rapid development of new technology and the increasingly fierce competition for employment, it is of great significance to establish a mechanical innovation design laboratory dedicated to training and improving the innovative thinking, innovative consciousness and innovative ability of higher vocational students. This paper expounds the top-level design of the construction of the mechanical innovation design laboratory, summarizes the practical teaching methods and teaching process organization and implementation experience of the innovation experiment in combination with the hardware construction of the laboratory, discusses how to introduce the “experiment-processing” linkage mode to carry out the innovation education in coordination, and provides a meaningful reference for the construction of the mechanical innovation laboratory in higher vocational colleges.
Key words: Mechanical innovation design laboratory; Practical teaching innovation; “Experiment-processing” linkage mode
一 引言
近年来，智能制造逐步成为未来制造业发展的重大趋势与核心内容，对于我国制造业的发展起到了巨大的推进作用；与此同时，“新工科”背景下各类院校广泛开展的教育改革正日渐深入地引起就业市场竞争日趋激烈。面向智能制造和时代发展的高职院校机械设计与制造专业实践教学设计与过程优化、学生创新实践能力培养等问题，成为当前亟待研究解决的重要课题 [1-3]。
针对上述问题，我校深入探究职业院校人才培养规律，优化学生发展路径，不断推进机械创新实验室建设，致力于改进传统教学方法，创新实验内容并探索新型教学模式，以创新思维为导向，向学生更加高效地传授基本知识和技能，逐步增强其创新意识和创新能力。在贯彻落实我校培养“高素质军工特质技术技能人才”的总体要求的过程中，实验室建设的实践与探索取得了一定成果，相关经验为高职院校机械类创新实验室建设提供了有意义的参考。
二 机械创新设计实验室建设顶层设计
机械创新设计实验室建设需要全面考虑教学环节涉及的两大主体，也就是主要针对学生和教师两个层面进行充分而全面的顶层设计，在注重提升学生创新素质的同时，强调教师队伍实践教学能力的增强对于教学过程的提升与促进 [4]。
（一） 学生层面：培养创新思维、提高创新能力
高职院校主要培养面向生产制造一线的高素质技术技能人才，在知识够用的基础上，更加注重学生综合素质的提升。换言之，结合行业高新技术发展、适应实际工作环境的技能与素养，在人才培养规格中相较于专业理论知识具有更高的权重。随着机械行业的不断发展、人工智能技术的飞速进步和相关专业知识的爆炸性增长，现有课程体系在紧跟新技术潮流方面出现了一定局限性，因此，学生基于信息搜集和高效自学的自主创新能力日渐成为机械类专业人才培养的重要方面 [5]。
为适应这一现状，我校开设机械类创新实验， 目的在于根据学生掌握的专业理论知识，配置综合性、设计性的实验，根据实践指导教师给出的目标范围，调动学生的学习积极性，使其充分发挥创新思维，树立创新意识。创新实验开展的整个过程建立在学生基本技能锻炼、严谨作风养成和进取精神锤炼的基础之上，通过设计具有一定功能的新机构、新机器，使学生初步建立创新思维方式、具备一定的创新设计能力，使学生的综合素质不断提高。
（二） 教师层面：提高双师素质、优化师资队伍
当前形势下，实验教学当中丰富多样的开放性实验比重应当不断加大，以提升学生的综合创新能力和团队协作能力。但是，具有开放性的创新实验与传统可预知结果的实验存在较大的区别，由于实验方案设计的灵活性、使用材料和工艺的差异性等原因，学生在利用新理论和新知识设计机构运动方案和功能时会有较大的自主性 [6]。
因而，在开放性创新实验当中，学生在解决与传统实验不同的更具深度、更有挑战性的问题时， 需要实践教师具备更加全面的知识与技能体系，这就对实践教师的教学能力提出了更高的要求。换言之，实践教师必须具备与此种情况相适应的基本素质。在当前职业院校体系中，双师素质与上述要求较为契合，因而我校重点培养实践教师的双师素质。在创新实验体系的不断完善和发展当中，我校将优化师资队伍综合能力设定为建设创新实验室的另一个重要目的。
三 机械创新设计实验室硬件建设
（一） 展示室建设
为了在机械专业相关机构、结构等方面强化学生的创新思维，并充分展示相关领域内新技术的发展趋势，机械创新设计实验室建设首先包含媒体与实物结合的展示室部分。展示室主要选用杭州星辰科教设备有限公司相关设备，利用包含机械专业知识、配备装置发展史与说明的展台进行机构、结构展示，图 1 为平面连杆机构及凸轮机构创新试验台； 同时，引入了包含历年国际、国内创新大赛部分获奖作品的演示视频，实物与媒体融合，注重在实验教学环节开始前潜移默化地引导学生萌生创新意识。
图 1 平面连杆机构及凸轮机构创新试验台
（二） 机械传动方案创新设计类实验
机械设计的成功与方案创新关系密切，目前指导机械运动方案选择的理论在导向方面有待进一步完善和优化。针对这一现状，机械传动方案实验以具备多功能零件并可以实现积木式组合调整的“机构运动方案创新实验台”为设计平台，模拟真实工作状况，将机械方案设计与气缸、气动组件等部分的装接有机结合，将机构的运动情况与传动性能以动态演示的形式呈现。实验过程中，设计的验证、改进能够直观地通过调整布局、优化连接方式、修正尺寸、置换电路实现，最终搭建完成机构灵活、运动到位的机械模型。在此类别的创新实验当中， 良好的机械设计方案和参数是由学生结合机构组成理论知识在实验当中反复尝试、不断优化得出的。学生创新的意识与能力、工程实践能力在上述较为开放的实验环境中能够得到较好的锻炼。
实验室配有机构运动方案创新实验台 2 套（如图 2 所示），具体内容包括组成机构的低副杆组、高副杆组及相关构件、机架等；可装接内容包括：拼接连杆机构、曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构、带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动和齿轮齿条传动，组合机构和机械传动系统的平面和空间结构可自由选择。图 2 为智能链、带传动系统试验台。
图 2 智能链、带传动系统试验台
（三） 无人机、机器人开发类实验
无人机和机器人是近年来跨学科特点较强，研究热度较高的机械类相关研究方向，与此相对应的开发类实验综合要求较高，但其中包含的创新思维与新颖设计也是机械创新实验教学的良好素材。目前我校开设该类实验的主要目的是紧密结合新兴技术发展，培养学生的学习兴趣和独立工作中的创造性。具体实验当中，学生主要在教师指导下开展自主性较强的初步探索研究工作。
四 实践教学方法创新
机械设计创新实验是我校新近开展的重要工作， 结合机械设计与制造专业现状，教学过程中的实验环节有待加强，学生的创新意识和能力在丰富的实验环节当中才能得到最有效的提升。我校实践教学方法方面的创新主要包括以下两方面。
首先，应当明确实践教学的目的，将学生实践技能的提高和综合素质的提升作为核心指标。实践指导教师采用启发式、研讨式的教学方法将训练实验技能、培养分析解决实际问题的能力作为实践教学的核心。实验过程中，确保学生在教师提出的问题框架下有序组织，科学分组，将技术和技能训练作为实践教学的主要目的。
其次，实践教学应当强调教师指导的辅助性， 进一步突出学生的主体地位。实验过程中，教师主要提供实验题目、目的、要求和必要参考资料等客观内容。实验方案主要由学生自主设计，在经教师审核无安全隐患并具备可行性后方可开展实施。在此基础之上的实验注重拓展学生的实验自由度，将学生进行的思考、分析和独立操作进行不同程度的量化并纳入结果评量当中。教师在实践教学中主要负责保障学生和设备的安全，做好服务并给出改进意见和及时、客观、公正的考核结果。
五 教学过程组织与实施
创新实验具有较大的灵活性和较强的自主性， 因而实验时间相比传统教学过程也同样更加自由， 因而实验室的开放时间也有必要根据学生的实验选择情况进行机动调整，相应的教学模式和方法如下。
（一） 教学模式
1.自由组合，分组讨论，动口动脑，开拓思路。行动前的讨论和规划对于实验结果有着重要的影响，为增强学生对此的体会与认识，实验过程中， 鼓励学生按照科学合理的组队原则，自由划分为多个工作小组，以此为基础开展围绕实验内容的讨论， 主要包括实验方案制定、实验分工、实验预期目的和安全注意事项等方面。学生在集思广益和分析讨论的过程中，会对创新实验产生更为深入的理解并带来良好的实验效果。
2.组长带头，激励发现，创造机会，引发诱导。学生分组后，在教师参与下，各个小组选出一名组长，主要负责实验过程的总体调度。同时以责任感为契机，实验指导教师注意推动组长在实验过程中个人主观能动性的发挥，以点带面，带动整个小组成员的实验积极性和研究热情，以取得良好的实验效果。
3.全员动手，人人操作，人人实践，人人创新。实验过程中，指导教师和组长督促小组成员按照分工保质保量完成实验内容，重点强调每一位学生的参与程度，鼓励学生积极实践、尝试创新，并根据学生在实验过程中体现出的职业精神和创新能力进行结果评定。
4.小小发明，小小创造，小小改进，积极评价。如何定义创新实验过程中的“创新”二字，对于实验结果评价意义重大。实验过程中，并不要求学生做出重大的发明或创新，对于现有技术和工艺的有益改进、细节改良和思维方式的突破创新都应当作为创新实验的重要成果。另外，要鼓励学生勇于探索尝试，积极“试错”，从积极的角度评价学生在实验当中的各类行为。
（二） 教学方法
一是情境引入法，教师将与教材和实验要求相关的情境引入实验环节，根据实验内容引入各类多媒体素材和实物展示，必要时可结合网络优质课程资源进行讲解，增强学生对于实验内容的认知和学习过程中的代入感，引导学生在充分理解情境的前提下结合典型案例和产品进行大胆创新，不断优化实验设计。
二是问题发现法，教师通过适当的指示和诱导， 培养学生发现顺利完成实验环节需要解决的核心问题，增强每位同学对于“提出问题 - 分析问题 - 解决问题”流程的深刻体会。另外，适当引入拓展教学内容，重点讲解典型案例和产品中体现出的发现问题的思路，以此开阔学生眼界，培养学生举一反三和独立设计创新的能力。
六 “实验 - 加工”联动模式
机械创新设计实验室与数控加工中心之间既有联系也有区别，在建设过程当中，我校注重二者之间的深度联合，形成“实验 - 加工”联动模式。一方面能够将学生自行创新设计的产品送往数控加工中心制作，以此增强数控加工中心制作产品的多样性和创造性；另一方面在设备购置和维护上提升了投资效率，简化了机械设计创新实验室的加工设备。具体来说，学生的创新概念主要在机械创新实验室中形成，后续通过自行设计、编程和加工，在数控加工中心将丰富多彩的创新思路切实制造成为各具特色的零件与产品，能够十分有效地提升学生的学习兴趣与成就感，不断激发学生的创新欲望，给传统工艺的基础训练注入了新的生机和活力。因此，机械创新设计实验室与数控加工中心采用“实验 - 加工”联动的模式，通过合作优化传统数控实习内容，挖掘教学潜力，提高教学效益，丰富了机械创新实验室和数控加工中心的教学内容，使教学过程更富有知识性、趣味性，进一步激发了学生的灵感及创造力 [7,8]。
七 结语
机械创新设计实验室针对学生和教师层面的提升，通过展示室建设和各类创新设计实验，着力创新实践教学方法，在教学过程组织与实施当中提高灵活性，引入“实验 - 加工”联动模式，有利于激发学生学习兴趣、增强创新实践能力，在实践教学过程中取得了良好效果，对同类院校相关专业实验室建设具有一定的参考意义。
参考文献
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