冉家琪，龚 峰

（深圳大学机电与控制工程学院 广东 深圳 518060）

《新工科建设指南》提出：“强化工程人才的创新创业能力培养，完善工科人才创意—创新—创业的教育体系”。2020年广东省经济规模突破10万亿，其中作为广东经济中坚力量的制造业对综合设计类人才的需求日益增大[1]，而综合设计类人才除了要求机械类毕业生拥有建模及数值仿真的能力之外，还必须拥有“从无到有”的创新思维[2]，掌握基本的创新设计方法。因此，机械专业教育需要对现有专业课程进行内容解析，在教育理念、内容、方法、考核评价方式等方面作出相应改革[3]。

1 目前有限元分析方法教学中的典型问题

机械制造及自动化专业的培养目标是培养拥有工程背景的全方位人才和面向制造业并拥有创新能力的设计型人才[4]。然而，现有的各课程教学模式容易走入两个误区，第一个误区是缺乏产品综合设计及创新思维实践。学生修读上述课程后在毕业设计中不知如何统合各课程知识点并加以应用[5，6]，缺乏创新设计实践；第二个误区是缺乏产品设计在文化层面及经济层面的思考。这两种误区具体表现为以下三个方面：

第一，课程内容与企业期望人才所拥有的能力脱节。工程实践是检验工科学生学习效果的重要标准，企业作为高校毕业的最终接收者，往往很难找到“即插即用”型的人才。

第二，材料力学、机械设计课程设计与有限元分析方法等专业课程缺乏创新设计联动及知识统合训练。

第三，现有课程考核方式导致学生缺乏创新思维训练及创新设计的机会。创新思维的训练是一个长期的过程，而现有大部分机械类课程仍以考试为主。

综上所述，为使得机械专业毕业生得到长期连续的创新思维训练并拥有基本的创新设计能力，高校教育工作者需要改变思想，对机械类专业课需要进行必要的教学改革，以学生为中心，培养其统合过往所学基础知识并加以综合应用的能力，锻炼其创新思维以适应制造类企业创新型设计类人才的需求。

2 以竞赛为导向的产品设计联动教学模式

以竞赛为导向的教学模式强调对过往知识的综合应用及创新思维训练，结合竞赛需求进行跨学科联动教学。以全国大学生机械创新设计大赛为例，其主要目的是通过给定大赛主题，让已经完成大部分机械类基础课程的学生按照前期调研、概念设计、结构设计、力学分析四大产品设计基本步骤体验创新思维的全过程。

以竞赛为导向的创新思维培养及创新设计，意味着需要挑选一门专业必修课，对过往机械基础知识进行回顾及拓展的同时，引入创新设计的基本步骤，以产品设计为最终目标讲授该课程。有限元分析方法作为承接理论力学、材料力学等力学类课程与机械原理、机械设计等设计相关类课程的专业课枢纽，比较适合开展此类产品的创新设计教学联动。教师需要对过往力学课程进行回顾的同时，介绍有限元分析方法的相关理论、相关软件的操作，并指定某个大作业主题，给予学生8―10周的时间进行组队分工，进行市场调研后列出设计目标人群，按照设计基本流程完成相应设计任务，将“设计黑箱”逐渐转化为“白箱”，从而达到培养学生创新思维能力的目标。

从结果上看，联动教学对各年级学生创新思维的培养具有重要价值：低年级学生在机械创新设计大赛、挑战杯、robomaster大赛中可以首先使用联动教学中涉及的有限元及机械设计的初步知识，从而更快融入设计团队，对产品进行设计或对参赛无人机等进行拓扑优化，减少老队员带新队员的磨合时间；高年级学生通过联动教学可以在毕业设计或进入工作岗位前，最大限度地对实际设计过程中可能遇到的问题进行预演，提高解决实际工程问题的能力。对比发现，接受过联动教学的学生在创新思维、建模仿真、设计加工、表达的能力明显高于未接受过联动教学的学生。图1为本单位某2020届毕业生依靠产品设计创新思维进行产品设计的基本流程。由此可知，以竞赛为导向的创新思维训练对培养出企业急需的新工科人才帮助巨大。

基于以竞赛为导向的创新思维训练的上述显著优点，本教研组在机械专业课程体系中选取了“有限元分析方法”作为联动教学的教学改革试点。2017年至今，多位参与过有限元分析方法创新思维教学的本科生获得全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛等机械类比赛省级以上奖励，多位同学获得国家发明专利授权。可以合理推断，以竞赛为导向的创新思维训练与联动教学不仅可以梳理学生在毕业设计及日后工作中解决问题的逻辑思维，更有希望增强学生对这几门课程的理解并反哺其产品设计所需的相关工程素养。

3 “有限元分析方法”教学引入现代设计理论的基本知识

创新思维的培养离不开科学的理论指导，而现代设计理论的核心是“最优化设计”与“创新思维设计（黑箱法）”。为将现代设计理论中的创新思维培养方法介绍给学生，教研组在有限元分析方法课程中将单独使用1学时简要介绍黑箱法与最优化设计建模，帮助学生发散思维；而后给定某个课题，要求学生使用黑箱法进行头脑风暴并提出概念设计图，根据概念设计图绘制相应的CAD模型并使用最优化设计进行拓扑优化，在完成CAD建模后使用有限元软件分析该模型危险节点最终提交作业。应用此方法，学生可以按部就班完成有限元分析方法大作业并结合自身能力提炼科学问题，培养创新思维。

从上述前期试点所反映的教学效果看，创新思维培养与联动教学对参与联动教学的课程平均成绩具有提升作用，培训后的学生进行相关设计时，对设计流程十分明确，设计成本减少，设计合理度增大，符合企业对创新设计类人才的相关需求。

4 课程考核方法改革

基于上述教学改革理论，创新思维培养与联动教学要求教师打破原有的教学思路，减少或取消出勤分数，在总评中添加自选项目成绩，并在期末教学时段外完成答辩。答辩分数分为教师评分与学生评分两部分，合理考虑学生所选项目的难易度、完成度、创新性以及学生在答辩中的表现，按学生与教师6:4权重给出答辩分数。具体采用如下研究方案：

教学内容的选择。结合与该课程相关的内容对学生后续课程所需知识点做简要的介绍，使得学生明确课程授课目的及作用；调整部分章节的授课顺序及授课内容，使其更容易为学生接受。

实际案例的相关教学研究。改变传统的授课方式，采用启发式的教学，调动学生的积极性，重点强调实际应用，丰富授课内容，扩充学生的知识面。

基于学科竞赛及大学生双创项目的创新思维激励机制与课程评价考核方式改革。对参与竞赛、大学生创业创新项目的学生，允许学生以竞赛作品作为期末大作业进行答辩，增强学生对创新思维训练的积极性。

企业参与反馈创新思维培养成果。鼓励高年级本科生积极参与企业相关横向课题，积极获取企业对参与创新思维培养学生的用人反馈，及时修正优化教学内容及考核方式。

5 结论

随着中国制造业逐渐向智能化推进，企业所需的人才水平也在不断提升，与之相对应的机械类人才教育模式也必须从企业生产实际出发，以企业所需的高素质人才为落脚点，抹平高校教育教学与企业生产实际之间的鸿沟，培养学生的创新思维，引导学生统合过往所学知识及学习方法，启发学生系统性看待工业生产的实际问题，培养具有创新思维的机械类技术人才。基于这种理念，本教研组提出了基于创新思维培养、以学科竞赛为导向的有限元分析方法教学改革，建立培养机械专业设计类人才的教学模式。