新工科项目式课程对学生创新能力培养分析

［摘 要］ 教学作为人才培养的重要渠道，承载着传授知识、启迪思维、引领成长的使命。新工科项目式课程教学旨在培养学生“学懂、会用、敢为”，加强对学生工程能力、创新思维的训练及培养，帮助学生将理论知识转化为实践操作，打通理论到实践的“最后一公里”。通过对我校学生参加全国机械产品数字化设计大赛的产品设计过程进行分析，可以看出新工科项目式课程教学有助于锻炼学生的自主学习能力、表达能力、实战能力以及团队协作能力，对于提高学生的综合创新能力起到了积极的促进作用。

［关键词］ 新工科；项目式课程；创新能力

［作者简介］ 赵 庆（1990—），女，辽宁铁岭人，硕士，天津大学机械工程学院工程师，主要从事数字化设计与制造研究；罗君宇（2002—），男（傈僳族），云南大理人，天津大学机械工程学院2021级机械设计制造及其自动化专业本科生，研究方向为机械设计及制造；秦俊男（1986—），男，江西景德镇人，硕士，天津大学校团委艺术教育中心讲师（通信作者），主要从事数字艺术设计研究。

［中图分类号］ G420 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）21-0021-04 ［收稿日期］ 2023-11-26

高等院校作为创新创业人才培养的主阵地，在创新创业教育领域肩负着重要的使命，然而就目前而言，大学生还存在着专业知识和实践操作的综合运用较弱、创新意识不足、缺乏创新精神等问题［1］。本文以中国大学生机械工程创新创意大赛机械创意赛道——机械产品数字化设计赛为例，探究新工科项目式课程如何以竞赛为导向，通过课程培养学生系统性思维、跨学科整合能力、创新能力、团队合作能力和实践经验，从而加强对大学生创新能力的培养。

一、新工科项目式课程

天津大学自2019年4月向全球发布实施“天大方案”起，推动新工科教育教学设计持续优化，将一体化设计人才培养过程形成教学制度、教学资源、教学平台贯通协同的全新人才培养体系［2-3］。新工科“天大方案”的核心理念，突出“通”“融”和“新”，天大新工科基于OBE的模块化课程体系，以项目为链的模块化课程体系，以项目式教学培养学生运用现代设计技术与方法解决设计问题的能力。以产品设计开发过程引导课程学习，学生通过课程内容学习和项目工作，学习与掌握产品设计和开发过程。项目研究过程紧紧围绕创新竞赛的能力需求，主要锻炼学生的学习能力、表达能力、动手实践能力、团队协作能力［4］。

二、大学生创新竞赛对学生的创新能力要求

机械产品数字化设计赛是中国机械工程学会主办的中国大学生机械工程创新创意大赛创意赛道系列赛项之一，旨在培养学生的创新设计意识、综合设计能力与团队协作精神，加强学生设计能力培养和工程实践训练，提高学生针对实际需求，通过创新思维进行机械设计的工作能力。如2023年大赛本科组比赛主题为“攻坚克难”，要求针对设计主题与设计要求展开调研，设计能满足某种特殊工况需求的产品，对选定的产品进行机构分析，从机构出发，按照自上而下方式建立模型，完成关键部件的结构优化，输出设计表达文件并编写设计说明文档。

三、项目式课程对学生创新能力的培养

（一）项目式课程引导学生向自主学习转变

课程以产品设计开发过程引导课程学习，以学生自主学习和团队合作为主，教师讲授、辅导为辅作为课程的突出特点，充分利用线上教学资源，建立SPOC和MOOC教学资源，形成全方位项目式课程教学体系。以“学懂—会用—敢为”作为主要教学理念，课程创新教学模式和教学手段，以“授课+研讨+实验”作为课程的主要形式，在项目实践过程中应用授课研讨过程中的成果，打破常规的课程教学形式，使学生从被动接受向主动学习转变，能够激发学生兴趣，提高挑战度。

（二）项目式课程提升学生运用多学科交叉知识解决工程问题的能力

项目式课程从客户需求分析与表达出发，经历概念设计、详细设计以及制造加工全过程直至最终产品原型制作完成，涉及手绘原型、3D建模、电路设计、原型制作等多学科交叉课程内容，课程依托课程项目实施教学过程，以工程问题为驱动，将众多分散的知识点串联起来，掌握相关领域的基础知识和专业知识，具有多元知识结构和跨专业认知融合能力，能够运用科学思维方法对复杂问题提出解决方案的能力和创新能力，使学生树立了工程思维和创造思维。

（三）改变课程评价方式，提升学生综合能力

通过实施过程评价改变学生学习态度，采用多维度考核评价方式，通过书面课程报告、口头汇报研讨和作品跑测竞赛，综合考查学生掌握知识的程度，注重全过程分项考核和组内个人贡献差异，激发学生潜质和能力，增强学生的持续学习能力和适应能力，随着项目式课程实施，培养了学生的团队合作精神，提升了学生的实践创新能力，使学生能够在多学科和跨文化背景下，具有国际视野，具备沟通表达、团队协作和组织管理能力。

四、项目式课程思维在竞赛中的应用——以全国机械产品数字化设计大赛为例

运用项目式课程中的“设计与建造”的理念，学生已经掌握产品从概念设计到详细设计再到制造加工的全部过程，了解产品从无到有的设计过程，并掌握合理分析与设计方法，项目课程的实施，让学生掌握产品设计开发的基本知识和技能，秉承工程师的职业态度，培养创新能力。

在机械产品数字化设计赛中，赛项要求设计产品的完整性，笔者长期指导此类赛项，经对比发现学习过项目式课程的学生在产品设计初期进展更为顺利。例如，赛项要求设计采用“自上而下”的项目设计思维，强调从宏观到微观、从整体到局部的逐步设计过程，这需要运用项目式课程中产品设计流程进行项目的整体规划与构想，从整体架构到细节设计，从系统层面到组件层面，确保每个部分都与整体目标相一致，在这一过程中运用项目式课程的整体设计流程，能够使产品设计更为合理，竞赛进展也更为顺利。下文将从产品设计的步骤来详述学生在竞赛中运用项目式课程所掌握的工程设计思维来解决实际问题。

（一）产品规划阶段

在产品规划阶段是产品从无到有的过程，主要考查学生的自我学习能力及多学科知识认知及融合能力，能够运用多种学习途径及学习手段，寻求问题的解决路径，运用科学的方法提出设计方案，通过分析已有研究成果、技术趋势和实际应用情况，评估每个技术难题的重要性和紧迫性，同时考虑可行性、当前的技术水平、可用的资源、可能的合作伙伴等因素，这一过程将有助于确定哪些问题是值得深入研究和解决的，以及哪些方案在技术上和实际操作上更为可行。

1.项目制定。在制定项目时，团队成员需要运用结合项目式课程中所学习的产品构思及产品可行性研究阶段内容进行分析，充分结合竞赛主题，查阅相关资料，选择合适的工况，包括核工业机器人、消防机器人、攀岩机器人、管道焊接机器人等多个方向，并深入研究每个工况下所需关注和解决的技术难题，以及这些技术难题的需求性和可行性。例如，核工业机器人方向，需要应对高辐射环境下的作业、远程操作的准确性、辐射防护等问题。消防机器人则可能面临火场内部环境感知、高温环境下的机械稳定性、紧急救援操作等技术挑战。攀岩机器人则需解决复杂的爬坡和抓握问题，以及对不同地形的适应性。管道焊接机器人需要处理狭小空间内的定位和焊接难题，同时保证焊接质量。

2.项目评估。在选择最终方案时，团队成员需要对每个可选方案进行全面的评估，以确保选择的方案能够充分满足竞赛主题和工程需求。评估的依据可以包括技术可行性、资源投入、解决效果、创新性及风险评估等五个方面，可以采用多种决策方法，如决策矩阵、SWOT分析等，对每个可选方案进行权衡和比较，最终选择出最具有潜力和可行性的方案——即核工业机器人，这个过程需要考查团队成员的协作能力和专业判断，以确保最终选择的方案能够在竞赛中获得成功。

（二）概念设计阶段

概念设计阶段以项目式课程中的产品功能设计中产品概念设计过程为指导，考查学生的综合设计能力。产品概念设计过程需要，包括概念生成、概念选择、概念测试阶段。在查阅大量有关核电站的工作环境的资料后，确定核工业机器人的工作重心在三个方向上，即核电站日常清理、核设施退役清洁以及部分核事故急救。运用新工科项目课程中学习的手绘知识绘制设计概念草图，进而得到核工业机器人的整体概念设计主要包括以下四个方面：（1）能装载高效、智能、多功能的去污装置；（2）一套兼顾越障能力和运动速度的行进系统；（3）精准、实用的视觉系统和辐射感应系统；（4）兼具美感和创意、承载创作理念的外形设计。

车体上方安装两个机械臂，可转动圆盘实现协同工作；车体中央有一套能使机械臂实现多功能工作的“可换头刀库”；行进系统由四个行星轮及其电机组成，兼顾灵活性和运动速度的同时，还保证了强大的越障能力；从机器人的上方看，相互嵌套、黑白分明的圆盘，象征着承载对立统一理念的太极图案，寄托了对核工业与人类、自然和谐发展的理想。

（三）详细设计阶段

在确定整体概念设计后，需要对机器人整体进行模块化和分层设计，保证机器人各个模块同时开发，有效提高工作效率，在此阶段需要考查学生的团队协作能力。团队成员分工合作，分别负责不同模块建模。经过项目式课程训练的学生能够更为科学地运用产品设计思维进行机器人的总体设计，在设计过程中将机器人主要分为以下几个模块：识别系统、运动系统、激光去污系统、多功能刀库系统、转盘传动系统。

1.识别系统。此系统的功能主要是拍摄工作现场的图像和视频、检测现场辐射并传输给车载终端进行判断是否需要清理。工业相机的搭载可随时将清理画面传回，实现对清理过程的全监控。其特点是，传输速度快、成像清晰、惰性小、灵敏度高、抗强光照射、图像几何失真小且均匀性好。

2.运动系统。运动系统负责带动车辆运动，能在工作场景中迅速、高效移动，具备越障能力，三角履带是一种在机械设备和交通工具中使用的特殊类型履带系统，并具有以下优点：（1）优秀的通过性能。核工业环境通常具有复杂的地形和障碍物，如不平坦的地面、坑洼、碎石、管道等。三角履带能够适应这些复杂环境，并提供稳定的牵引力和牢固的支撑，使机器人能够在各种条件下安全行驶，使设备能够适应核工厂内检修、退役或是事故环境。（2）较小的地面压力。核工业设施需要对地面造成的损害降到最低，并避免因地面压力过大而导致地基不稳定。三角履带能够在相同载重条件下分散更大的地面接触面积，从而减小单位面积上的地面压力，这对于减少对地面及核电站内部设施的损坏具有重要意义。（3）高度稳定性。三角履带具有较多的悬挂点，这使得机器人在不平坦的地面上具有较好的稳定性。在核工业环境中，地面可能存在倾斜、坡度变化等情况，采用三角履带能够保持机器人的稳定性，确保其能够安全行驶和操作。（4）自清洁性能。在核工业环境中，可能存在较多的污垢、粉尘和放射性物质等。三角履带的弯曲运动有助于自动清除履带上的杂物，减少对履带和运动部件的干扰，提高机器人的可靠性和使用寿命。

3.激光去污系统。激光去污系统通过一只固定有激光器的机械臂与另一只装载吸尘头的机械臂协同工作实现。在检测到需要激光去污的物体时，机器人会移动到合适的位置，转动转盘使两机械臂相互靠近，通过机械臂运动使激光枪和吸尘头靠近物体表面合适位置，进行去污工作。对于核设施而言，除堆芯部位的材料可能受中子活化造成污染外，绝大部分的污染物均属于松散或固定污染，污染物深度有限，因此利用激光去污手段可以将污染物高效清除。

4.多功能刀库系统。为实现多种去污方式的集成，我们设计了刀库系统来完成刀头以及去污方式的更换。刀库位于两环形转盘之间固定不动，可放入多种去污装置，比如机械去污所用的盘状刷和轴状刷，化学去污所用的液体喷洒头以及吸尘头等，都具有可换性，可根据实际情况的不同更换刀库中的种类。各种去污方法均有优缺点，单一的去污方式很难有效去除污染，应合理将机械剥离、激光、微波以及压制去污等多种工艺结合起来。