技能競賽背景下《三維機械創新設計》課程教學改革研究

□郜海超

《三維機械創新設計》課程是高職機械設計與制造專業的專業課程，該課程以三維建模軟件為工具，進行機械零部件創新設計的專業課程，該門課程是在學完工程制圖、機械設計、機械制造課程的基礎上進行的，課程的核心在于培養學生的創新實踐能力，通過設計創新的三維模型，對培養學生的創新思維、動手能力、創作興趣具有重要的意義。隨著技能競賽逐漸成為評價學校教學質量的標準，為提升學生的創新實踐能力，許多高職院校針對《三維機械創新設計》進行了教學改革，同時也不斷進行教學手段、教學實踐策略等方面探討，創建了許多創意館、創新坊、創造塢等實驗室。然而，仍存在比如設備不足、授課質量不高、學生實踐能力不足、學生創新能力不足、現有資源利用率不高等問題。如何響應國家號召，充分發揮高職院?！度S機械創新設計》課程在培養創新型人才主力軍的作用是當前亟待解決的問題。

一、《三維機械創新設計》課程教學存在的問題

(一)課程在人才培養方案中設置不合理。隨著“職教20條”政策的出臺，機械設計與制造專業的人才培養方案逐年進行修訂，在人才培養方案中，《三維機械創新設計》普遍設置在機械設計、機械制造課程前面，這就造成課程只能進行三維建模軟件命令的學習，這就造成學生只會看圖做三維模型，而職業教育的本質是培養學生創新實踐能力，因此《三維機械創新設計》應設置在機械設計、機械制造等專業課程后面，可以作為鍛煉學生綜合實踐能力的平臺。學時不足也是該課程面臨的現狀，目前機械設計與制造專業總學時限制在2,700左右，該課程只安排64學時，甚至有些學校設置了32學時，在學時嚴重不足的情況下，教學內容只是軟件命令的認知，與開設課程的初衷背道而馳。

(二)課程在課程標準中設置不合理。課程標準是保證教學質量的依據，該課程的課程標準多是依據較陳舊的教材章節模式轉化而來，多是大綱形式，過于籠統，缺乏規劃、缺乏整體性，相關的教學內容缺乏創新性和實踐性。課程標準中設置的教學實踐環節不夠具體，對教學過程中實施的教學信息手段、教學模式等細節缺乏相關的規定。

(三)教材選用不合理。職業教育采用的教學應該是新形態立體化教材[1]。新型教材是活頁式的，是項目化的，是工單式的，而目前市場上的教材主要是章節式的，知識點抽象，前后章節按照認知規律進行設置，理論性較強，實踐性不高，模仿性不足，學生學完后，無法進行創新實踐活動。另外《三維機械創新設計》課程應以三維建模軟件為工具，進行機械零部件創新實踐的課程，這方面的教材比較稀少，大部分是對三維軟件基本操作，沒有專門的三維機械創新方面的教材，傳統的《機械創新設計》教材內容無論是案例還是創新設計方法都是較為陳舊的，與現代職業教育教學嚴重脫節。

二、《三維機械創新設計》課程教學改革

根據國務院辦公廳《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》等文件精神，《三維機械創新設計》課程教學改革應從優化課程結構、改革教學方法、改革考核方案等方面進行，應著眼于深化學生創新能力的培養。

(一)深化《三維機械創新設計》課程結構優化。

1.改革課程結構，注重大賽資源轉化。該課程是三維軟件與機械創新設計的融合，借助三維建模軟件實現機械創新設計，課程的改革應從教學目標、教學重難點、課程架構、教學方法、教學信息手段、實驗室建設等方面進行，不斷優化課程教學體系。課程采用項目化、模塊化，將課程教學內容與技能競賽或創新創業大賽相結合，注重技能大賽的競賽資源的轉化，不斷加強競賽資源庫建設、案例庫以及相關試題庫等建設[2]。教學內容應與相關大賽知識相融合，比如全國職業院校技能大賽工業設計技術賽項、全國機械創新設計大賽、“互聯網+”大賽、“挑戰杯”大賽、“振興杯”大賽等，每個大賽的創新側重點基本相同，均是借助實際的工作案例提出相應的問題，通過相關結構和功能方面的改進，借助三維建模軟件，進行創新設計，再通過機床加工和3D打印等技術實現三維模型的加工，最后進行產品成果的分享展示。因此，該課程的課程結構優化設計方案應以依據大賽的競賽規程，制定相關教學案例，通過課程創新實踐活動，培養學生的創新實踐能力。

2.改革課程結構，注重新形態教材建設。在課程結構改革中，教材的改革是關鍵，教材是教學的依據。采用傳統教材進行教學，學生得到的知識相對獨立、碎片、融合度不高，教學案例陳舊，靈活的教學方法無法實施等，這限制了專業人才的培養質量。

技能競賽資源的轉化是當前教學改革的重點方向，以全國職業院校技能大賽工業設計技術賽項為例，競賽的內容是工業產品的創新設計，首先利用三維掃描獲取零件的點云數據，然后通過逆向建模技術完成產品的復原，針對當前產品在實際應用中出現的缺陷，利用3D打印、數控加工等制造工藝，進行改進設計，最后通過3D打印和數控加工完成產品的加工，競賽內容就是項目化教學實施的經典案例，《三維機械創新設計》教材素材可以從該賽項的資源中提取，制定可實施的教學項目，制定教學任務，針對任務中出現的問題，如何改進，改進的結果是什么樣的等角度進行，在教材中應提供產品創新設計的步驟，提出發散性的創新設計思路，這樣學生可依據教材的創新設計思路，設計更加優秀的作品，從而提升學生的創新思維能力，實現教學目標達成。

高職院?！度S機械創新設計》的教材應是工單式、項目式的，教材內容的出發點應是工業企業的需求，把教學內容融入到項目的認領、項目的分析、項目的設計、項目的實施、項目的完成分析等教學實踐環節中，形成“學習場-學習情境-學習任務-典型工作環節”，實施工單式項目，讓學習者通過“先思-后行-反思”的項目實施過程，完成典型工作環節的活頁式表單，使學生在工單任務完成的過程中，熟悉項目的設計、實施全過程，促進學生提前進入企業項目的實施，提升學生就業競爭力。

教材應參考專利設計技術思路，專利設計說明書中一般有研究背景、研究現狀、解決方案、實施過程等環節，教材中也應具備相關環節。項目設計過程中用到的相關零件，比如齒輪、軸承、鍵塊、軸的基本原理和設計準則等基本信息，應在教材中體現，這樣學者在創新設計零部件時，可以參考相關標準進行設計，而不是天馬行空。以無動力小型平板車設計為例，已知軸承尺寸，需要根據軸承的尺寸設計軸承座，鍵塊、軸、套筒、車輪、底板、螺釘等零部件，在軸上設計鍵塊時，軸的設計原則，軸上鍵槽設計工藝、鍵塊應用場合、鍵塊設計標準等應在教材中體現，設計軸承座和軸徑時考慮與軸承配合的關系，這樣設計時才能根據國標進行規范化設計。在項目實施中，應考慮項目的完整性，每個項目的實施學時應不低于8學時，這樣每個項目彼此聯系，層層遞進，相對獨立，逐漸深入，不斷提升學生學習的積極性。

教材中應設置創新設計說明環節，通過圖文并茂的創新設計說明，學者可以在團隊協作或獨立完成中，實時保存項目實施中的易錯設計、精彩創意、復合功能、設計加工場景等，培養學生善于保存的習慣，便于循序漸進，順利完成項目。以電話機的設計為例，首先在保證電話機通訊的基礎上，功能設計可以從視頻對話、智能鬧鐘、照明小夜燈、收納盒、工藝品、梳妝盒、變形等角度進行，學生在設計中把電話機的功能設計完畢后，在創新設計說明書中陳述電話機增加功能的優點，缺點，并提出持續改進方向，養成創意無止境的學習氛圍。

因此，課程結構的改革主要從原有的循序漸進的章節教學，轉化為融合大賽資源轉化和企業工單式的新型活頁式教材，內容上體現項目背景、現狀、項目實施過程、項目結果分享展示等，這樣才能方便教學活動中，依據教材實施項目化教學，把握教學重點，堅持創新導向，培養學生創新技能。

(二)改革教學方法，以學生為中心。教學過程中應積極探索學生差異性的教學手段，項目實施中針對學生接受能力的差異性設置個性化的教學內容[3]?！度S機械創新設計》教學內容是開放式的，不同的學生對課程的理解不同，針對這種差異采用分層教學，可激發每位同學創新的積極性。比如設計一個肥皂盒，接受能力高的學生可以根據教師提供的圖紙，完成上蓋三維模型的繪制，然后進行下蓋的創新設計，在下蓋的設計過程中，充分考慮節省耗材、產品制造工藝、工業審美等環節；而對接受能力低的同學可以采用教師提供的三維模型，進行下蓋的設計，下蓋的設計可以只考慮產品結構功能和外觀功能等，通過分層次項目實施，學生均經歷了項目創新實踐過程，從而激發每位學生的創新積極性。

教學過程中，充分發揮學生的主觀能動性，借助翻轉課堂模式，以學生發展為中心，讓學生在現有教學內容的基礎上結合技能競賽和創新創業大賽內容，搜集創新設計案例，組建創新團隊，從項目實施背景、研究現狀、創新設計內容、創新結果展示、專利書寫等環節進行實施，采用每周進行一組學生上臺展示創新項目的教學環節。在創新成果展示過程中，從問題現狀到創新達成的環節陳述，教師作為創新導師身份，為學生創新實踐活動提供必要的技術指導。針對學生課堂參與意愿不足問題，可以從過程性考核加分、提供參加技能競賽和創新創業大賽機會、介紹企業工作崗位等角度，不斷激發創新激情，形成學生愿意參與創新實踐、愿意分享創新成果的學習氛圍。

課程教學改革中，以學生發展為中心，教師應發揮主導作用[4]。教師應博學強記，職業教育教師應從理論性的學術性思維轉為職業教育“雙師型”教師，注重實踐技能、注重理論聯系實際、注重技術實踐教學，因此《三維機械創新設計》課程教師，應具備參與企業創新實踐經歷，熟悉企業工單式項目運作模式，熟練創新設計的各種經驗和技巧，熟練信息化教學方式，熟練掌握創新實踐的設備等，教師在教學實踐中，不應拘泥于教材的現有結構，根據學生接受能力的差異性和實訓室現有設備情況，借助信息化教學手段，開展有效的創新設計實踐活動。對項目化教學過程中，充分發揮學生主觀能動性，提倡學生獨立或團隊協作完成，教師提供必要的技術指導，對學生創新實踐過程和實踐結果進行評價，同時吸納企業工程師進課堂，引導學生養成工匠情懷，培養精益求精的習慣。

課程教學改革中，以學生發展為中心，還應注重學生創新實踐場合的配套[5]。在《三維機械創新設計》課程實踐中，創新設計是必要的一個環節，但是創新設計的優劣還需通過實際加工來進行體現，針對該課程應配備相應的實驗室。學生在實驗室創新實踐中，會注重設計效果的好壞，學生在實驗室里把已經創新設計的產品，通過加工設備進行加工、裝配、優化設計環節，使創新設計更加貼合實際。比如，在設計一款水陸兩棲特技玩具車時，設計的下殼、齒輪、電池殼、支撐結構等通過數控機床和3D打印機完成制作，針對組裝時出現的問題，比如軸向定位不足、支撐結構強度不足、電池盒設計不合理等，進行二次設計優化設計方案，直到裝配成功。因此，《三維機械創新設計》課程改革應與實驗室建設配套，實驗室應具備項目創新實踐活動必需的創新機房、小型車床、微型轉床、塑料3D打印機、金屬3D打印機、五軸數控機床、三維掃描儀、電氣測試平臺等，保證課程項目實施的實效性。

(三)改革考評方式，激發學習熱情。改革考評方式對《三維機械創新設計》課程改革具有積極的作用，因此應制定一套專門的《三維機械創新設計》課程考評方式，從過程性考核、創新素質評價、創新實踐能力評價、技能競賽成果評價、科研論文和專利成果評價等多維度進行，不斷激發學生參與創新實踐活動的熱情?！度S機械創新設計》課程便于進行項目化教學，因此可以從項目的實施過程和實施效果評價，讓學生注重實踐過程，重視實踐結果，做到有始有終，不斷強化學生實施項目的責任心?！度S機械創新設計》課程是全國職業院校技能大賽工業設計技術等賽項核心基礎課，把學生備賽、參賽以及獲得相關獎項作為學生成績的過程性評價和結果評價，充分調動學生參與技能大賽的積極性。在《三維機械創新設計》課程考核中，也應考慮學生協助教師完成論文和專利中設計的原型，把論文和專利設計原型的創新型作為學生創新能力的評價，鼓勵職業教育學生協作教師完成相關論文和專利創新原型的設計，提升學生科研創新能力，對今后的學歷深造打下基礎。

(四)教學改革與實踐成效。

1.教學效果提升。從近三年《三維機械創新設計》課程的考評結果看，學生參與課堂創新實踐活動的積極性顯著提升，學生參與技能競賽和創新創業大賽的成果喜人，學生的創新實踐能力明顯增強，課程教學效果良好。

2.教學評價提升。從學生對《三維機械創新設計》課程的評價結果看，學生對教學改革效果認同度高，協同教師參與專利和論文創新模型設計案例明顯增多，設計的案例具有構思新穎、設計巧妙、能解決實際問題等特點，受到同行教師的高度評價；學生多數具有參與技能競賽和創新創業經歷，并獲得省級國家級多項獎項，受到同行職業院校的認可；通過對畢業生的調研結果上看，學生在工作崗位獨立創新和團隊協作創新能力強，創新意識提升較大，受到企業的普遍認可。

三、結語

在技能競賽背景下，《三維機械創新設計》課程教學改革任重道遠，應從優化課程結構、改革教學方法、改革考核方案等方面進行；從教學目標、教學重難點、課程架構、教學方法、教學信息手段、教學實踐環境等方面進行。注重教材建設，注重實驗室建設，不斷優化課程教學體系，以學生發展為中心，充分發揮教師的主導作用，著眼于深化學生創新能力的培養。