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创新创业背景下高职“机械创新设计”课程教学模式研究

发表时间：2021/7/28 来源：《青少年导刊》2021年第5期作者：刘佳

[导读] “机械创新设计”课程是机械工程类专业的一门专业拓展课。传统教学着重介绍创新设计方法和机械创新设计典型实例，以提高学生机械创新设计实践的兴趣和自信心为目的，然而当面对实际工程时，学生远远达不到解决综合问题的水平。高职院校作为高等教育的重要组成部分，肩负着培养面向生产、建设、服务和管理一线的高素质复合创新应用型人才的任务。

河北能源职业技术学院刘佳 063000

摘要：“机械创新设计”课程是机械工程类专业的一门专业拓展课。传统教学着重介绍创新设计方法和机械创新设计典型实例，以提高学生机械创新设计实践的兴趣和自信心为目的，然而当面对实际工程时，学生远远达不到解决综合问题的水平。高职院校作为高等教育的重要组成部分，肩负着培养面向生产、建设、服务和管理一线的高素质复合创新应用型人才的任务。笔者基于创新创业背景，对高职“机械创新设计”课程教学模式进行研究，响应“新工科”时代号角，探索培养学生创新能力的新途径。
关键词：创新创业；高职；“机械创新设计”
        1“机械创新设计”课程教学存在的问题
        近几年，通过对“机械创新设计”课程的教学实践，笔者总结出课程教学中存在如下3个方面问题。①学生的机械工程实践背景普遍不足，理论基础差，虽具有探求新知识的好奇心，但缺乏解决问题的能力。②传统课堂教学中，注重讲授机械创新设计的基本思维及基本原理技法，课程实验大多数以验证性为主，无法开展自主学习及自主探究的学习模式。③“机械创新设计”课程内容广泛，而课时有限，无法系统地训练学生的创新思维及能力。在当下产业发展的背景下，传统课堂教学已经难以满足创新人才的培养需求，因此，对“机械创新设计”课程进行探索和改革势在必行。
        2创新创业背景下“机械创新设计”课程教学模式研究
        2.1基于Unity3D的机械创新设计实验平台的教学模式探索
        在教育信息化大背景下，虚拟现实技术与教学融合形成了虚拟仿真教学系统。Unity3D是由Unity Technologies 开发的一个综合互动的专业游戏引擎，由于Unity3D已经将功能模块化，同时具备开发周期短、互交性强等优点，因此其成了虚拟现实最理想的开发工具。“机械创新设计”课程内容广泛，课时有限，同时实验及教学过程中设备不足，需要分组分批开展实训。为使学生都参与创新设计，时刻感知创新氛围，笔者所在的课程组开发了基于Unity3D的机械创新设计实验平台，包括如下4个步骤。
        (1)基于PRO/E建立机械设计零件库及机构库。零件库主要包括连杆类零件、平板类零件、框架类零件、辅助类零件、特定用途零件(常规传动零件、偏心轮连杆、电机相关零件、轮胎相关零件、标准五金)等。机构库主要包括驱动轮机构模块、随动轮模块、履带模块、关节模块、机械手模块等。
        (2)模型渲染。将基于PRO/E的机械设计零件库的模型转换成*.obj格式，再导入到3D Studio MAX软件中，进行渲染。
        (3)模型仿真动画设计。将渲染好的零件、机构或者整机转换成*.FBX格式，再导入Unity3D中，形成创新设计案例库。如基于Unity3D的三自由度万向轮排爆机器人机构设计，在交互界面中会看到排爆机器人的各部位零件如何组装成一个创新产品。
        (4)平台发布。将基于Unity3D的机械创新设计实验平台发布成Web文件和可执行文件。
通过以上步骤开发基于Unity3D的机械创新设计实验平台，让学生在沉浸性及交互性中进行机构的创新设计，学生可以直观地观察自己设计的作品，并在三维环境中从多个角度观察组合机构之间的配合情况，多选择地进行创新，并且可以及时调整机构，以此提高学生的创新设计能力。实现人人参与创新，为学生提供良好的创新氛围。

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        2.2构建基于CDIO模式的信息化环境下“机械创新设计”课程混合式教学
        CDIO即Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实现)、Operate(运作)，是着重于工程实践的教育模式。
        笔者基于大众创业万众创新，利用信息化教学环境，结合高职学生特点，通过线上任务布置、线下方案讨论，线上VR虚拟现实、线下实物搭建等环节，实施“机械创新设计”课程的CDIO混合式教学。
        (1)构思：构思一个机械创新机构或者一个机器人机构，写出构思文档，概述其名称、运动功能及用途等。
        (2)设计：利用模块化思维，对所构思的机构进行设计，将其运动功能拆分成多个模块，画出整机及每个模块的草图。可采用VR虚拟现实软件进行仿真验证，若出现问题可回到“构思”环节。
        (3)实现：利用器材将自己的设计组装出来，先分模块组装和验证，然后再进行总装。出现问题可回到“设计”环节，但不得重回到“构思”环节。
        (4)运作：验证整机，让机构运动起来，观察运作效果，出现问题可回到“实现”环节，但不得回到“设计”“构思”环节。反复调试，直到功能符合预期。
        “机械创新设计”课程CDIO模式的具体实施，是基于机器时代(北京)科技有限公司开发的教育机器人平台—“探索者”来实现的。
        2.3基于组合创新技术的研教相依的教学模式探索
        创新在宏观上可分为突破性创新及组合式创新，根据高职学生理论水平弱、实践能力强的特点，“机械创新设计”课程的教学方案着重训练学生的组合式创新能力。
        “机械创新设计”课程面向高职三年级学生开设，学生已经掌握了机械设计、机电控制等基础知识，以及PRO/E三维建模、单片机及传感器等专业知识，但学生的机械工程实践背景普遍不足，缺乏解决创新性问题的能力。基于此，课程教学时结合学生将来的就业方向，依据某一个科技主题进行科技产品研发训练，着重将机械设计、自动化控制及通信技术3个学科领域交叉融合，进行创新构想。基于笔者及所在课程组的科研项目，教学实践中为学生提供创新项目。例如，①物流末端100米智能化系统设计；②基于图像识别的自动灭火装置设计；③环境监控系统研制；④基于多传感器的老年人健康系统设计。每个项目都被分成了多个子项目，学生可通过申请大学生创新创业项目获得资助，来开展创新研究活动。
        3结语
        笔者在创新创业背景下，对高职“机械创新设计”课程的教学模式进行了探究，通过近几年的课堂实践，取得了较大的突破，包括以下3点：①基于网络课程平台，实施以项目为驱动的问题导向式翻转课堂教学，采用CDIO教学模式，构建了自主学习、自主探究、自我展示的教学过程。②VR虚拟现实设计与实物组合设计相融合，解决了目前“机械创新设计”课中以验证性实验为主、理论与实践相脱节等现象。虚实结合，增加了学生的创新设计成就感。③将课堂前的线上教学互动、课堂中项目化讨论及第二课堂拓展相结合，解决“机械创新设计”课程内容广泛与学时不足的矛盾。实现了“理实一体化”“教学做一体化”，提高了学生创新意识和创新思维能力，开拓了创新思路，提高创造力。
参考文献
[1]李瑞丽，南海.高职创新集群思维型实训课程初论[J].中国职业技术教育，2017(35)：76-79.
[2]肖龙，陈鹏.从制作到设计：创新能力培养视域下高职实践教学的逻辑转向[J].中国职业技术教育，2018(29)：21-26.
[3]吴庆云，杜江，乔虎，等.基于Unity3D的机械产品拆装系统在手机终端的实现[J].教育教学论坛，2018(1)：44-47.