現(xiàn)代工程訓練與創(chuàng)新能力漸進式培養(yǎng)

宋鳳蓮， 盛宗建

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

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·實習與實訓·

現(xiàn)代工程訓練與創(chuàng)新能力漸進式培養(yǎng)

宋鳳蓮， 盛宗建

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

以實現(xiàn)完整的育人功能為目標，以綜合性及創(chuàng)新性為特征的現(xiàn)代工程訓練，設置階梯型多學科交叉融合的訓練項目，遨游思維殿堂，使學生的創(chuàng)新能力得到漸進式提升。論文以“光機電一體化技術實訓”課程為例推行多學科交叉融合的工程訓練。對認知型訓練，運用發(fā)散性思維+極限思維訓練方法；對綜合創(chuàng)新型訓練，采用項目式的科學素養(yǎng)訓練；對科技創(chuàng)新型訓練，引入“大成智慧”教育思想，注重工程綜合性與系統(tǒng)性，促進科學技術與藝術的結合。培養(yǎng)了具有社會責任的創(chuàng)新人才，可為其他高校的工程訓練教學改革提供有益借鑒和參考。

現(xiàn)代工程訓練; 學科交叉融合; 漸進式創(chuàng)新; 大成智慧

0 引 言

工程訓練是近10年在我國迅速發(fā)展起來的獨特的工程教育方式[1]，在高等院校質量工程的推動下，由單一技能訓練即早期的金工實習演變成內涵豐富、內容綜合、集知識、素質、能力融于一體的工程訓練。因各校人才培養(yǎng)目標不同，工程訓練模式及內容有較大差異，但其核心訓練思想是一致的，工程訓練旨在培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力。隨著國家對學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的高度重視及工程教育質量提高，逐漸顯露出一些深層次的問題，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

1 工程訓練存在的問題

(1) 訓練內容與工程實際脫節(jié)。工程訓練指導教師長期脫離生產(chǎn)實際，難以發(fā)現(xiàn)工程實際問題，對學生疏于引導，或有引導難以向縱深方向，使得學生提不出問題，滿足于照葫蘆畫瓢的技能訓練。

(2) 學科交叉融合訓練推行困難。由于認識上的誤區(qū)及教育思想的束縛，實訓模式單一，實訓案例單一，忽略軟環(huán)境開發(fā)，實訓深度和廣度十年如一日，停留在機械制造領域居多。

(3) 科學素養(yǎng)及人文精神訓練被忽略。學生評價機制不夠健全，忽略創(chuàng)新特點，對學生做簡單統(tǒng)一的要求，個性化自由追求的環(huán)境缺失，學生獨立思考、批判性思維及創(chuàng)新激情被抑制，團隊協(xié)作、語言表達等綜合素養(yǎng)訓練缺失[2-4]。

2 “光機電一體化技術實訓”教學改革

設置階梯型多學科融合的課程實現(xiàn)漸進式創(chuàng)新，以面向全校開設的“光機電一體化技術實訓”課程為例，見表1。

表1 “光機電一體化技術實訓”課程改革教學方案

3 發(fā)散性思維+極限思維開展認知型工程訓練

(1) 提出問題—運用發(fā)散性思維，學生自由思考討論，教師不急于評判，充分營造百家爭鳴的學術氛圍。

(2) 分析問題—采用極限思維，由已知的感性知識，將問題和條件進行理想化假設，當假設被一步步推到極端時，問題便水落石出。學生的求知欲望被點燃，呈現(xiàn)出老師提問向學生踴躍提問反轉的熱烈氣氛。

例如物流運輸及自動裝配系統(tǒng)，涉及知識點眾多，而學生又無相關背景理論知識，且學時有限，如何在最短時間內讓學生掌握相關元件、機構功能原理及各要素間的控制關系，筆者做了一些嘗試。

(3) 過去：采用直接演示講解，學生操作后完成實習報告。效果：課程結束后學生一片迷茫目光呆滯，提不起興趣。

(4) 現(xiàn)在：指導教師演示時拋出若干問題讓學生以小組為單位自主探索，一邊查看相關資料一邊展開自由思考討論：

①氣缸兩端設置的電磁傳感器檢測什么信號？為什么要檢測？

②每個單元設置兩位三通控制閥在每個狀態(tài)下通氣口的導通關系？各控制閥作用？

③結合各單元運動現(xiàn)象，說說控制器的工作原理。

學生對以上問題有形形色色的回答，指導教師不過早評判，希望聽到更多的聲音，當達到一定的數(shù)量時，運用極限思維訓練。

例如氣缸兩端設置的電磁傳感器，不少學生說是檢測氣缸內壓力的，分析時假設是檢測氣缸內壓力的，然后讓學生關閉閥門將缸內壓縮空氣卸掉(缸內處常壓狀態(tài))，撥動活塞桿觀察傳感器的指示燈變化，發(fā)現(xiàn)傳感器的信號輸出與氣缸內壓力沒有關系，與活塞桿的運動狀態(tài)密切相關，由于傳感器是裝在缸套上，只能與活塞桿相連的缸套里的物體即活塞位置有關。此時假定條件已被推倒極致，答案就出來了，事實真相就還原了。

例如兩位三通的通氣口的關閉狀態(tài)導通關系分析，先假設學生的猜想：在關閉時進氣口與消音器相連，在此條件下會是什么結果呢？空壓機一邊工作一邊排氣，節(jié)能嗎？合理嗎？關閉時氣缸里壓縮空氣要排掉，消音器必然打開，由于只有三個通氣口，別無選擇，排除進氣口的另一個通氣口與消音器勢必形成一個通道。此時假定條件又被推倒極致，答案出來了，事實真相就還原了，問題便迎刃而解。

(5) 效果：采用發(fā)散性思維+極限思維訓練學生分析問題能力，課堂上氣氛異常熱烈，問題開始反轉，由學生被動接受老師提問變?yōu)閷W生主動提問，課堂下意猶未盡，點燃了學生對知識進一步探索的激情。氣缸兩端的傳感器為什么能檢測活塞位置？機電一體化技術各要素之間信號如何傳遞？學生探索激情被點燃，創(chuàng)新意識被喚醒，實現(xiàn)了下一步多學科融合的項目式訓練的無縫對接[5-8]。

4 創(chuàng)設階梯型項目個性化訓練，學做研一體化

4.1 編寫教材

編寫的階梯型項目式訓練教材《光機電一體化技術實訓》，普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材，中國電力出版社出版。亞馬遜網(wǎng)上書店(http://www.amazon.cn)客戶評分“5星”。客戶這樣評價道：“這本書很好，把我們的思維從死板中拉出來啦”！

教材教材操作性強及拓展性廣，有利于學生個性化學習。學生課前自主學習，課上實踐與探究，課下與機電材料市場、網(wǎng)絡媒體深度參透。教師在課堂上以答疑解惑為主，講授原理概念為輔[9]。

開設了校公選課“光機電一體化技術實訓”，設置不同梯度機器人項目，可根據(jù)學生專業(yè)結構不同及個性化需求不一，自主選擇，實行課內與課外結合，校內與校外結合的開放教學模式[10-12]。學生一般通過教材課前預習及自主學習，可完成基礎項目，對于綜合性及探究型項目，學生可根據(jù)自身興趣及未來職業(yè)發(fā)展規(guī)劃進行選做，教師在課堂上不需費大量時間講解，主要集中時間對學生答疑解惑。學生不局限于教材中制訂的設計方案，可自主設計方案、拓展功能，并且教材中對功能拓展有知識引導，利于學生自主研究探求。同時學生可多渠道采購元器件，如校外電子市場、淘寶網(wǎng)等，在市場及網(wǎng)絡中豐富知識，學生的知識結構及知識綜合運用能力在項目訓練中潛移默化地提升。階梯型訓練項目如圖1所示：

圖1 階梯型項目個性化訓練項目

在項目訓練中常有學生思考問題不夠全面，思維欠慎密，教師進行引導，對問題逐層提出，培養(yǎng)學生精益求精。例如避障機器人：①如果機器人進入了死胡同，即三面同時有障礙物，采取什么策略讓機器人能順利逃出？②機器人探測到了障礙物，出現(xiàn)避讓動作響應緩慢現(xiàn)象是什么原因？在硬件和軟件上如何優(yōu)化使得機器人快速響應？

通過以上問題的探究，引導學生多角度全方位考慮問題，對待問題一絲不茍。學生不僅綜合運用并系統(tǒng)鞏固和提高了單片機及C語言編程方面知識，而且提高了分析問題解決問題能力。

4.2 建立科學的學生評價體系

全程考核，拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出。學生通過機器人組裝、編程、調試分析、PPT講解、視頻制作等綜合訓練，無論是廣度還是深度都得到了全方位的鍛煉，學生的分析解決問題能力、邏輯推理能力、交流溝通能力、組織能力得到全面提升。學生的評分因素為：分析解決問題能力30%+實物演示效果30%+ 語言表達能力20%+團隊協(xié)作精神20%，為拔尖創(chuàng)新人才的脫穎而出創(chuàng)造。

4.3 教學效果

2009級國際軟件專業(yè)學生夏平在課程交流中說“這門課給了我自由探索的天地，我的成就感是前所未有的”。做機器人循跡(黑膠帶)時發(fā)現(xiàn)按常規(guī)的編程策略機器人運行時探測器指示燈常有誤動作。他用了全新的編程思想，給每個探測器(共5個)指示燈設置一個權值(從左至右依次為100,10,0-10，-100)，程序中設一個變量SUM(初始為零),如探測到黑膠帶就將相應的權值加到變量SUM中，然后依據(jù)SUM值做出行走方向判斷。結果運行精準.

2010級測控技術與儀器專業(yè)程文強寫道：在這個課上你真的可以按自己的想法去做自己想做的事，這里沒有那么多的條條框框，你不必顧慮那么多，不必跟著老師的步子一步一步完成老師給定的實驗。光機電一體化技術實訓讓我真正找到了實驗課的感覺，找到了真正打開我們思維的一門課程。

2011級自動化專業(yè)學生寫道：上這門課真是一件值得興奮的事，對機器人產(chǎn)生了濃厚興趣，激起了對本專業(yè)的熱愛。與其說這一門課教會了我們一些知識，倒不如說教會了我們學習知識的方法、自己解決問題的能力。

2012級法學專業(yè)學生寫道：同理科同學合作做機器人，感受到了合作的快樂。我們讓機器人前進、拐彎、碰上障礙物會掉頭……以前在電視上看到的那些機器人展示雖然復雜,可細細分析起來原理也就是這些.作為一個學法學的學生,了解光機電一體化技術很有必要,而這門課不僅打破了我在理科知識方面的空白,更是給我打開了一扇門,讓我有興趣進行更深的了解; 這門課帶給我的不僅是知識和興趣,更是給我將來的發(fā)展帶來了指導。

5 踐行“大成智慧“教育思想

多學科協(xié)同創(chuàng)新，理、工、人文、藝術各學科深度融合，注重工程的綜合性與系統(tǒng)性、促進科學技術與藝術的結合，培養(yǎng)人文情懷及科學精神，培養(yǎng)社會責任感。

大成智慧”教育思想由錢學森院士提出，其顯著特點是學科交叉和大跨度綜合的現(xiàn)代科學技術體系相匹配，注重科學技術與藝術相結合，以此來教育培養(yǎng)學生具有大德、大智的思想。在各類學科競賽中踐行“大成智慧“教育思想，創(chuàng)新成果突出。

5.1 培養(yǎng)學生人文情懷

為展現(xiàn)機械學科魅力，激發(fā)新生認識 、熱愛、獻身“機械”。

科技創(chuàng)新作品“機械發(fā)展vista”——第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽慧魚組(2014)一等獎。針對當前機械類學生對專業(yè)迷茫、轉專業(yè)日益突出的現(xiàn)象，創(chuàng)作了尤如微型博物館、寓教于樂的作品“機械發(fā)展vista”。該作品在2014年新生入學專業(yè)教育中達到了良好的專業(yè)教育效果。

5.2 注重工程的綜合系統(tǒng)訓練

推動創(chuàng)新訓練的“工程化”。以科技創(chuàng)新大賽為契機，實現(xiàn)服務社會的“工程化”[13]。面向電力行業(yè)的節(jié)能減排，培養(yǎng)學生社會責任感。科技創(chuàng)新作品“火電廠輸煤機械系統(tǒng)仿真模型”——第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽慧魚組(2014)一等獎。大氣污染的防治是一項系統(tǒng)工程，是社會高度關注的熱點問題，火電廠燃煤被認為是PM2.5的罪魁禍首。而輸煤機械系統(tǒng)又是火電廠粉塵污染的重災區(qū)。“火電廠輸煤機械系統(tǒng)仿真模型”展現(xiàn)了卸煤、運煤、篩碎煤、貯煤等環(huán)節(jié)煤塵產(chǎn)生的機理，激發(fā)學生研究煤塵防治的興趣及肩負的社會責任。科技創(chuàng)新作品“火電廠去塵除氣智能小車”——第四屆全國大學生節(jié)能減排大賽(2011)二等獎。“去塵除氣智能小車”涉及知識點多，如燃煤電廠運行、流體動力學、機械、材料、自動控制等，其主要功能是干式收集燃煤電廠的粉塵，去除SO2等廢氣，并能實現(xiàn)按預定規(guī)劃路線除塵，同時避障。它改變了燃煤電廠現(xiàn)有高能耗重污染的水力除塵方式。

5.3 注重科學技術與藝術相結合

將機器人技術與民間藝術深度融合，科技創(chuàng)新作品“湖北大鼓表演機器人”——第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽(2012)二等獎。“湖北大鼓表演機器人”的創(chuàng)造成功，將光機電一體化技術應用得淋漓盡致，作品不僅涉及機械、微電子、控制、材料工程等學科知識，而且將機器人技術與面臨失傳的湖北大鼓民間藝術有機融合，使機電產(chǎn)品不再是冰冷的東西，生動展現(xiàn)了古老的湖北人文環(huán)境。創(chuàng)新團隊領軍人物是機械專業(yè)且有藝術特長的學生，其他成員是機械工程、電子信息、自動控制專業(yè)學生。該作品在2014和2012年的全國機械創(chuàng)新設計大賽中好評如潮。

6 結 語

尊重個性是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎，實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、改革教學方法及內容和營造良好創(chuàng)新氛圍十分重要。通過光機電一體化技術實訓教學中的大膽探索與實踐，由問題式的認知型訓練、設疑布障，再通過交叉學科的項目式個性化訓練、學做研一體化達到科學素養(yǎng)的培養(yǎng)，加強工程系統(tǒng)性與綜合性、促進科學技術與藝術的結合，漸進式提升了學生創(chuàng)新能力。在后期教學改革活動中，如何為學生個性化培養(yǎng)、自主學習創(chuàng)造條件，為培養(yǎng)具有社會責任的創(chuàng)新人才提供肥沃土壤，將多維度謀求新突破。

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Modern Engineering Training and Innovation Ability Gradual Training of College Students

SONGFeng-lian，SHENGZong-jian

(Power and Mechanical College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to achieve the goal of the full function of educating people, the modern engineering training has the characteristics of comprehension and innovation. We set the ladder type interdisciplinary integration of modern engineering training, and note to promote gradual innovation ability of students. This paper takes course of “Light Mechanical and Electrical Integration Technology Training” as an example to use divergent thinking + limit thinking training method to train the cognitive innovation of students; to adopt scientific research project to train their comprehensive innovation; to introduce education thought of “great wisdom” to train the scientific and technological innovation. These methods promote the value of engineering system, students can understand the integration of science and technology and art. This paper can provide a useful reference for other universities in teaching reform of engineering training and the cultivation of innovative talents with social responsibility.

modern engineering training ;interdisciplinary fusion; gradual innovation; great wisdom incremental innovation

2015-10-22

2012年湖北省教育廳實驗教學改革項目 (JG201223)

宋鳳蓮(1966-)，女，湖北新洲人，碩士，教授級高級實驗師，主要研究方向：光機電一體化技術。

Tel.:13607192621；E-mail：FLS755@126.com

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1006-7167(2016)09-0227-04