技能竞赛背景下《三维机械创新设计》课程教学改革研究

□郜海超

《三维机械创新设计》课程是高职机械设计与制造专业的专业课程，该课程以三维建模软件为工具，进行机械零部件创新设计的专业课程，该门课程是在学完工程制图、机械设计、机械制造课程的基础上进行的，课程的核心在于培养学生的创新实践能力，通过设计创新的三维模型，对培养学生的创新思维、动手能力、创作兴趣具有重要的意义。随着技能竞赛逐渐成为评价学校教学质量的标准，为提升学生的创新实践能力，许多高职院校针对《三维机械创新设计》进行了教学改革，同时也不断进行教学手段、教学实践策略等方面探讨，创建了许多创意馆、创新坊、创造坞等实验室。然而，仍存在比如设备不足、授课质量不高、学生实践能力不足、学生创新能力不足、现有资源利用率不高等问题。如何响应国家号召，充分发挥高职院校《三维机械创新设计》课程在培养创新型人才主力军的作用是当前亟待解决的问题。

一、《三维机械创新设计》课程教学存在的问题

(一)课程在人才培养方案中设置不合理。随着“职教20条”政策的出台，机械设计与制造专业的人才培养方案逐年进行修订，在人才培养方案中，《三维机械创新设计》普遍设置在机械设计、机械制造课程前面，这就造成课程只能进行三维建模软件命令的学习，这就造成学生只会看图做三维模型，而职业教育的本质是培养学生创新实践能力，因此《三维机械创新设计》应设置在机械设计、机械制造等专业课程后面，可以作为锻炼学生综合实践能力的平台。学时不足也是该课程面临的现状，目前机械设计与制造专业总学时限制在2,700左右，该课程只安排64学时，甚至有些学校设置了32学时，在学时严重不足的情况下，教学内容只是软件命令的认知，与开设课程的初衷背道而驰。

(二)课程在课程标准中设置不合理。课程标准是保证教学质量的依据，该课程的课程标准多是依据较陈旧的教材章节模式转化而来，多是大纲形式，过于笼统，缺乏规划、缺乏整体性，相关的教学内容缺乏创新性和实践性。课程标准中设置的教学实践环节不够具体，对教学过程中实施的教学信息手段、教学模式等细节缺乏相关的规定。

(三)教材选用不合理。职业教育采用的教学应该是新形态立体化教材[1]。新型教材是活页式的，是项目化的，是工单式的，而目前市场上的教材主要是章节式的，知识点抽象，前后章节按照认知规律进行设置，理论性较强，实践性不高，模仿性不足，学生学完后，无法进行创新实践活动。另外《三维机械创新设计》课程应以三维建模软件为工具，进行机械零部件创新实践的课程，这方面的教材比较稀少，大部分是对三维软件基本操作，没有专门的三维机械创新方面的教材，传统的《机械创新设计》教材内容无论是案例还是创新设计方法都是较为陈旧的，与现代职业教育教学严重脱节。

二、《三维机械创新设计》课程教学改革

根据国务院办公厅《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》等文件精神，《三维机械创新设计》课程教学改革应从优化课程结构、改革教学方法、改革考核方案等方面进行，应着眼于深化学生创新能力的培养。

(一)深化《三维机械创新设计》课程结构优化。

1.改革课程结构，注重大赛资源转化。该课程是三维软件与机械创新设计的融合，借助三维建模软件实现机械创新设计，课程的改革应从教学目标、教学重难点、课程架构、教学方法、教学信息手段、实验室建设等方面进行，不断优化课程教学体系。课程采用项目化、模块化，将课程教学内容与技能竞赛或创新创业大赛相结合，注重技能大赛的竞赛资源的转化，不断加强竞赛资源库建设、案例库以及相关试题库等建设[2]。教学内容应与相关大赛知识相融合，比如全国职业院校技能大赛工业设计技术赛项、全国机械创新设计大赛、“互联网+”大赛、“挑战杯”大赛、“振兴杯”大赛等，每个大赛的创新侧重点基本相同，均是借助实际的工作案例提出相应的问题，通过相关结构和功能方面的改进，借助三维建模软件，进行创新设计，再通过机床加工和3D打印等技术实现三维模型的加工，最后进行产品成果的分享展示。因此，该课程的课程结构优化设计方案应以依据大赛的竞赛规程，制定相关教学案例，通过课程创新实践活动，培养学生的创新实践能力。

2.改革课程结构，注重新形态教材建设。在课程结构改革中，教材的改革是关键，教材是教学的依据。采用传统教材进行教学，学生得到的知识相对独立、碎片、融合度不高，教学案例陈旧，灵活的教学方法无法实施等，这限制了专业人才的培养质量。

技能竞赛资源的转化是当前教学改革的重点方向，以全国职业院校技能大赛工业设计技术赛项为例，竞赛的内容是工业产品的创新设计，首先利用三维扫描获取零件的点云数据，然后通过逆向建模技术完成产品的复原，针对当前产品在实际应用中出现的缺陷，利用3D打印、数控加工等制造工艺，进行改进设计，最后通过3D打印和数控加工完成产品的加工，竞赛内容就是项目化教学实施的经典案例，《三维机械创新设计》教材素材可以从该赛项的资源中提取，制定可实施的教学项目，制定教学任务，针对任务中出现的问题，如何改进，改进的结果是什么样的等角度进行，在教材中应提供产品创新设计的步骤，提出发散性的创新设计思路，这样学生可依据教材的创新设计思路，设计更加优秀的作品，从而提升学生的创新思维能力，实现教学目标达成。

高职院校《三维机械创新设计》的教材应是工单式、项目式的，教材内容的出发点应是工业企业的需求，把教学内容融入到项目的认领、项目的分析、项目的设计、项目的实施、项目的完成分析等教学实践环节中，形成“学习场-学习情境-学习任务-典型工作环节”，实施工单式项目，让学习者通过“先思-后行-反思”的项目实施过程，完成典型工作环节的活页式表单，使学生在工单任务完成的过程中，熟悉项目的设计、实施全过程，促进学生提前进入企业项目的实施，提升学生就业竞争力。

教材应参考专利设计技术思路，专利设计说明书中一般有研究背景、研究现状、解决方案、实施过程等环节，教材中也应具备相关环节。项目设计过程中用到的相关零件，比如齿轮、轴承、键块、轴的基本原理和设计准则等基本信息，应在教材中体现，这样学者在创新设计零部件时，可以参考相关标准进行设计，而不是天马行空。以无动力小型平板车设计为例，已知轴承尺寸，需要根据轴承的尺寸设计轴承座，键块、轴、套筒、车轮、底板、螺钉等零部件，在轴上设计键块时，轴的设计原则，轴上键槽设计工艺、键块应用场合、键块设计标准等应在教材中体现，设计轴承座和轴径时考虑与轴承配合的关系，这样设计时才能根据国标进行规范化设计。在项目实施中，应考虑项目的完整性，每个项目的实施学时应不低于8学时，这样每个项目彼此联系，层层递进，相对独立，逐渐深入，不断提升学生学习的积极性。

教材中应设置创新设计说明环节，通过图文并茂的创新设计说明，学者可以在团队协作或独立完成中，实时保存项目实施中的易错设计、精彩创意、复合功能、设计加工场景等，培养学生善于保存的习惯，便于循序渐进，顺利完成项目。以电话机的设计为例，首先在保证电话机通讯的基础上，功能设计可以从视频对话、智能闹钟、照明小夜灯、收纳盒、工艺品、梳妆盒、变形等角度进行，学生在设计中把电话机的功能设计完毕后，在创新设计说明书中陈述电话机增加功能的优点，缺点，并提出持续改进方向，养成创意无止境的学习氛围。

因此，课程结构的改革主要从原有的循序渐进的章节教学，转化为融合大赛资源转化和企业工单式的新型活页式教材，内容上体现项目背景、现状、项目实施过程、项目结果分享展示等，这样才能方便教学活动中，依据教材实施项目化教学，把握教学重点，坚持创新导向，培养学生创新技能。

(二)改革教学方法，以学生为中心。教学过程中应积极探索学生差异性的教学手段，项目实施中针对学生接受能力的差异性设置个性化的教学内容[3]。《三维机械创新设计》教学内容是开放式的，不同的学生对课程的理解不同，针对这种差异采用分层教学，可激发每位同学创新的积极性。比如设计一个肥皂盒，接受能力高的学生可以根据教师提供的图纸，完成上盖三维模型的绘制，然后进行下盖的创新设计，在下盖的设计过程中，充分考虑节省耗材、产品制造工艺、工业审美等环节；而对接受能力低的同学可以采用教师提供的三维模型，进行下盖的设计，下盖的设计可以只考虑产品结构功能和外观功能等，通过分层次项目实施，学生均经历了项目创新实践过程，从而激发每位学生的创新积极性。

教学过程中，充分发挥学生的主观能动性，借助翻转课堂模式，以学生发展为中心，让学生在现有教学内容的基础上结合技能竞赛和创新创业大赛内容，搜集创新设计案例，组建创新团队，从项目实施背景、研究现状、创新设计内容、创新结果展示、专利书写等环节进行实施，采用每周进行一组学生上台展示创新项目的教学环节。在创新成果展示过程中，从问题现状到创新达成的环节陈述，教师作为创新导师身份，为学生创新实践活动提供必要的技术指导。针对学生课堂参与意愿不足问题，可以从过程性考核加分、提供参加技能竞赛和创新创业大赛机会、介绍企业工作岗位等角度，不断激发创新激情，形成学生愿意参与创新实践、愿意分享创新成果的学习氛围。

课程教学改革中，以学生发展为中心，教师应发挥主导作用[4]。教师应博学强记，职业教育教师应从理论性的学术性思维转为职业教育“双师型”教师，注重实践技能、注重理论联系实际、注重技术实践教学，因此《三维机械创新设计》课程教师，应具备参与企业创新实践经历，熟悉企业工单式项目运作模式，熟练创新设计的各种经验和技巧，熟练信息化教学方式，熟练掌握创新实践的设备等，教师在教学实践中，不应拘泥于教材的现有结构，根据学生接受能力的差异性和实训室现有设备情况，借助信息化教学手段，开展有效的创新设计实践活动。对项目化教学过程中，充分发挥学生主观能动性，提倡学生独立或团队协作完成，教师提供必要的技术指导，对学生创新实践过程和实践结果进行评价，同时吸纳企业工程师进课堂，引导学生养成工匠情怀，培养精益求精的习惯。

课程教学改革中，以学生发展为中心，还应注重学生创新实践场合的配套[5]。在《三维机械创新设计》课程实践中，创新设计是必要的一个环节，但是创新设计的优劣还需通过实际加工来进行体现，针对该课程应配备相应的实验室。学生在实验室创新实践中，会注重设计效果的好坏，学生在实验室里把已经创新设计的产品，通过加工设备进行加工、装配、优化设计环节，使创新设计更加贴合实际。比如，在设计一款水陆两栖特技玩具车时，设计的下壳、齿轮、电池壳、支撑结构等通过数控机床和3D打印机完成制作，针对组装时出现的问题，比如轴向定位不足、支撑结构强度不足、电池盒设计不合理等，进行二次设计优化设计方案，直到装配成功。因此，《三维机械创新设计》课程改革应与实验室建设配套，实验室应具备项目创新实践活动必需的创新机房、小型车床、微型转床、塑料3D打印机、金属3D打印机、五轴数控机床、三维扫描仪、电气测试平台等，保证课程项目实施的实效性。

(三)改革考评方式，激发学习热情。改革考评方式对《三维机械创新设计》课程改革具有积极的作用，因此应制定一套专门的《三维机械创新设计》课程考评方式，从过程性考核、创新素质评价、创新实践能力评价、技能竞赛成果评价、科研论文和专利成果评价等多维度进行，不断激发学生参与创新实践活动的热情。《三维机械创新设计》课程便于进行项目化教学，因此可以从项目的实施过程和实施效果评价，让学生注重实践过程，重视实践结果，做到有始有终，不断强化学生实施项目的责任心。《三维机械创新设计》课程是全国职业院校技能大赛工业设计技术等赛项核心基础课，把学生备赛、参赛以及获得相关奖项作为学生成绩的过程性评价和结果评价，充分调动学生参与技能大赛的积极性。在《三维机械创新设计》课程考核中，也应考虑学生协助教师完成论文和专利中设计的原型，把论文和专利设计原型的创新型作为学生创新能力的评价，鼓励职业教育学生协作教师完成相关论文和专利创新原型的设计，提升学生科研创新能力，对今后的学历深造打下基础。

(四)教学改革与实践成效。

1.教学效果提升。从近三年《三维机械创新设计》课程的考评结果看，学生参与课堂创新实践活动的积极性显著提升，学生参与技能竞赛和创新创业大赛的成果喜人，学生的创新实践能力明显增强，课程教学效果良好。

2.教学评价提升。从学生对《三维机械创新设计》课程的评价结果看，学生对教学改革效果认同度高，协同教师参与专利和论文创新模型设计案例明显增多，设计的案例具有构思新颖、设计巧妙、能解决实际问题等特点，受到同行教师的高度评价；学生多数具有参与技能竞赛和创新创业经历，并获得省级国家级多项奖项，受到同行职业院校的认可；通过对毕业生的调研结果上看，学生在工作岗位独立创新和团队协作创新能力强，创新意识提升较大，受到企业的普遍认可。

三、结语

在技能竞赛背景下，《三维机械创新设计》课程教学改革任重道远，应从优化课程结构、改革教学方法、改革考核方案等方面进行；从教学目标、教学重难点、课程架构、教学方法、教学信息手段、教学实践环境等方面进行。注重教材建设，注重实验室建设，不断优化课程教学体系，以学生发展为中心，充分发挥教师的主导作用，着眼于深化学生创新能力的培养。