基于工程訓練的大學生創(chuàng)新教育模式研究

高占鳳，吳文江，李周男，張建超

(石家莊鐵道大學 工程訓練中心， 河北 石家莊 050043)

目前，我國大學生的培養(yǎng)現(xiàn)狀滯后于社會對大學生素質的要求[1]，學校工程教育與社會工業(yè)發(fā)展普遍存在脫節(jié)現(xiàn)象，工程實踐教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)嚴重不足，而社會發(fā)展對人才培養(yǎng)質量提出越來越高的要求，企業(yè)更愿意接收具有較強實踐動手能力和創(chuàng)新能力的大學畢業(yè)生。隨著對高等教育發(fā)展規(guī)律和實質認識的加深，在教育主管部門的引導下，越來越多的高校開始關注社會對畢業(yè)生創(chuàng)新能力的需求，重視培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力。2010年教育部實施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”以及成為近期熱點的“新工科建設”，目的都是培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程技術人才[2,3]。實踐教學是培養(yǎng)學生掌握科學方法、提高動手能力的重要平臺，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的高素質工程技術人才的重要環(huán)節(jié)[4]。石家莊鐵道大學工程訓練中心是以實踐教學為主，融科研和社會服務于一體的河北省示范實驗中心。近年來，“中心”以“大工程教育”思想為指導，以提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為主要教學目標進行了一系列的教學改革。依據(jù)用人單位意見和結合我校人才培養(yǎng)目標，對工程訓練平臺建設、課程體系、創(chuàng)新教育、教學方法等方面進行了深入研究與實踐，取得了一些有益的經(jīng)驗[5-7]。

一、在現(xiàn)有工程訓練平臺基礎上完善創(chuàng)新教學平臺建設

我校學生就業(yè)主要面向鐵路行業(yè)，隨著鐵路建設大發(fā)展和運營水平的提升，用人單位對畢業(yè)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和崗位適應能力提出了更高的要求。因此，中心不斷引進和充實實訓儀器設備，逐步完善工程實訓平臺建設。經(jīng)過持續(xù)5年的建設，購置數(shù)控加工設備(如數(shù)控車、數(shù)控銑、線切割、數(shù)控雕刻)、加工中心、電火花加工、激光雕刻、金屬激光切割、快速成型、等離子切割、柔性制造系統(tǒng)等先進設備，購置了慧魚機電組合設備、探索者機器人等新的機電一體化實訓設備，自主研制了安全用電實訓裝置，進一步完善了制造技術實訓基地和機電基礎實訓基地。將新設備充實到工程訓練教學中，通過這些先進設備的運用帶動實踐教學水平的提升，同時這些先進制造設備和儀器為學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和創(chuàng)新產(chǎn)品制作提供了必要條件。

中心還專門建成了500余平方米的“科創(chuàng)空間”，包括創(chuàng)新設計室、創(chuàng)新產(chǎn)品加工制作室、創(chuàng)新產(chǎn)品展示與演練場，配備了計算機、常用工具(如測量工具和焊接工具)和專業(yè)書籍，小型車床、小型鉆銑床、激光切割機、數(shù)控雕刻機、3D 掃描儀、3D打印機、信號發(fā)生器、示波器、穩(wěn)壓電源等滿足不同需求的學習工具及先進的技術裝備，實行全天候開放式管理。

鋪設了300米的有砟軌道線路，沿著有砟軌道線路架設了接觸網(wǎng)，安裝了信號機等信號設備；采用II型軌道板鋪設了80米的無砟軌道線路，沿線路修建了40米的站臺，線路上布置了機車、棚車和轉向架等實物；修建32米的斜拉橋和24米的拱橋并預埋了20多種傳感器，對橋梁結構進行檢測；建設牽引供電實訓室、區(qū)間與車站控制實訓室、以武廣高鐵為藍本設計建造高速鐵路演練實訓室、鐵道信號實物仿真實訓室以及機車與轉向架展廳，組成了覆蓋鐵路系統(tǒng)各專業(yè)領域的綜合性鐵道實訓基地，極大改善了實踐教學的硬件條件，為我校工程訓練實踐教學和創(chuàng)新訓練的開展提供了強有力的支撐。可以開展包含鐵道線路、鐵道信號、牽引供電、鐵路運營及維護、機車車輛、鐵道橋梁、橋梁健康診斷等實訓項目。

二、加強創(chuàng)新訓練內(nèi)容，完善工程訓練教學體系

針對我校的專業(yè)特點和學科優(yōu)勢，以面向鐵道建設與運營行業(yè)、機電行業(yè)等創(chuàng)新型工程技術人才為培養(yǎng)目標，在實踐教學體系的構建上充分考慮學生的知識結構特點和認知特點，建立分階段、多層次、模塊化、開放式、綜合性的工程訓練教學體系。在不同的學習階段，面對不同的學生，在實踐平臺的搭建方面充分考慮創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將創(chuàng)新訓練融入工程訓練教學過程中，循序漸進培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，使得創(chuàng)新在整個大學階段都能得到良好的訓練。中心工程訓練實踐教學課程體系包含4個層面的教學內(nèi)容，如圖1所示，由低到高依次為“工程認知訓練”、“工程技術基礎訓練”、“工程技術訓練”和“工程創(chuàng)新訓練”。工程訓練的內(nèi)容由低級到高級，由單一到綜合，每一層面的訓練內(nèi)容都和學生的學習階段、知識水平和專業(yè)特點相適應，以達到逐步提高學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，增強學生就業(yè)競爭能力的目的。

(一)在工程認知訓練中初步培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識

“工程實踐能力訓練”課程面向全校一年級開設，教學時間為1周，根據(jù)各專業(yè)特點設計了由不同實訓模塊組成的教學內(nèi)容。教學目的是通過該課程使學生通過現(xiàn)場觀摩和實際動手操作等方式接觸各種工業(yè)相關的應用技術，從培養(yǎng)學生的觀察能力人手，增強學生對工程的感性認識，初步培養(yǎng)學生的基本操作技能和創(chuàng)新意識。除了基本工具使用、動手操作能力訓練外，還開設了鈑金創(chuàng)意制作、慧魚機電創(chuàng)意制作、機器人認知等培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的實訓內(nèi)容。

(二)在工程技術基礎訓練中培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計能力

工程基礎訓練主要以工藝知識、操作技能訓練為主，面向機械類和近機械類專業(yè)二年級大學生開設“金工實習”必修課和面向全校各專業(yè)開設“工程實踐能力強化與提高”通識教育課程。

在傳統(tǒng)的金工實習中，基本是單一工種的實訓，各工種的實習相互分割，缺少連續(xù)性，導致學生缺乏對工程項目生產(chǎn)流程、工藝技術等內(nèi)容的整體認識，限制了對學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力的培養(yǎng)。而現(xiàn)代機械設計制造技術的發(fā)展，要求金工實習教學不能只停留在傳統(tǒng)意義的冷熱加工基本技能訓練上，要讓實訓學生更多地接觸和使用新技術、新工藝和新材料，提高學生的創(chuàng)新實踐能力和適應社會發(fā)展的能力。為此，中心在原有實訓內(nèi)容的基礎上增加了加工中心、激光加工、快速成型、柔性制造等新的教學內(nèi)容，并要求學生把一些聯(lián)系比較緊密的實訓內(nèi)容作相應的鏈接，同時最終形成一個完整的產(chǎn)品。同時，在每一工種實訓中都增加自主設計環(huán)節(jié)，并占一定比例的實訓成績。上述做法不僅改變傳統(tǒng)金工實習重加工輕設計的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學生系統(tǒng)完整的機械制造加工工藝意識以及學生的創(chuàng)新設計能力。

同時為了滿足部分學生的興趣愛好，開設了“工程實踐能力強化與提高”通識教育課程，包括鐵道信號、牽引供電、特種加工、機電一體化技術、數(shù)控技術加工、柔性制造系統(tǒng)等10余個項目供學生選擇，教學目標是讓學生在喜歡的領域得到訓練和強化，拓寬學生的工程視野。學生可以自主進行創(chuàng)意設計訓練，自己編程、建模、加工，最后完成作品，主動提高學生的實踐技能和加工制作能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

(三)在工程技術訓練中培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力

隨著科學技術的快速發(fā)展，各種新興的工程技術不斷涌現(xiàn)，熟練掌握這些新興的工程技術，有利于提升學生適應未來工作崗位的能力，有利于提高學生的就業(yè)競爭能力。為了培養(yǎng)學生的專業(yè)技能和實踐創(chuàng)新能力，針對三、四年級學生開設了“工程創(chuàng)新訓練”、“數(shù)字化設計與制造實訓”、“先進制造技術實訓”、“機器人技術實訓”、“鐵道信號實訓”等選修課程，這些課程與學院系開設的理論課不同，主要依據(jù)中心現(xiàn)有的與工程實際相吻合的實訓教學平臺，重點強調(diào)設計與實踐。主要采用“項目驅動”訓練模式和“集中+開放”教學方式開展教學，通過強化訓練，使學生掌握一門專業(yè)技能，增強就業(yè)能力，使其能夠與未來的工作崗位順利接軌，同時也為學生開展創(chuàng)新訓練打下專業(yè)技能基礎。例如，在“工程創(chuàng)新訓練”課程中，創(chuàng)新項目分為指定項目和學生自選項目兩類，學生組成3～5人的創(chuàng)新小組自主選題，在教師指導下開展訓練。要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成項目論證、方案設計、可行性分析、產(chǎn)品設計、零部件加工和裝配、產(chǎn)品性能測試等全過程，鍛煉學生利用所學知識分析問題和解決問題的能力，最終達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新素質和實踐創(chuàng)新能力的目的。

(四)在工程創(chuàng)新實訓中培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新能力

工程創(chuàng)新實訓重在培養(yǎng)學生的綜合設計和創(chuàng)新能力。利用中心創(chuàng)建開放式的工程訓練平臺和各種專用的創(chuàng)新實訓室組織學生開展豐富多彩的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)訓練活動。積極引導和鼓勵學生參與基于工程實際的科研項目，進而參加國家級、省級、校級的科技創(chuàng)新競賽與創(chuàng)業(yè)項目，例如各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、工程訓練綜合能力競賽、機械創(chuàng)新設計大賽、挑戰(zhàn)杯大賽、機器人大賽以及課外科技作品競賽等。通過工程創(chuàng)新實訓和競賽培養(yǎng)鍛煉學生的綜合工程實踐能力，提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

針對大學生創(chuàng)新訓練存在的脫離工程實際的問題，中心開展了面向工程實際的創(chuàng)新訓練模式探索[6]。近年來，中心先后與多家企業(yè)合作、協(xié)同創(chuàng)新，開展了實質性的科研合作，與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃相結合，將從企業(yè)工程實際問題中遴選的項目作為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。通過查閱文獻、制定方案、工程設計、校核計算、編制工藝、加工制作、試驗調(diào)試、撰寫報告等環(huán)節(jié)的訓練，提高學生的綜合創(chuàng)新能力。近年來與協(xié)作企業(yè)緊密合作，逐步形成了以鐵路養(yǎng)護設備研發(fā)為主的研究方向。例如：“鐵路軌道除雪車的設計及模型制作”、“鐵路軌道除沙車的設計與制作”、“公鐵兩用多功能底盤模型的設計與制作”、“絕緣子清掃機”、“貨車與巡道工間距自動監(jiān)測與報警系統(tǒng)研究”等列為國家級和省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目。“鐵路軌道除沙車”和“絕緣子清掃機”樣機如圖2所示。參訓學生獲得國家專利5項，獲得省級以上獎勵3項，其中“鐵路軌道除沙車的設計與制作”項目獲得河北省第一屆大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會特等獎，并受到多家新聞媒體的追蹤報道。該面向工程實際的創(chuàng)新訓練模式也受到“就業(yè)50強”實地考察專家的稱贊。

(a)絕緣子清掃機

(b)鐵路軌道除沙車

圖2 學生創(chuàng)新作品示例

三、科學組建創(chuàng)新教學指導團隊

要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的大學生，就需要建立一支具有較深理論功底、較強實踐能力和具有創(chuàng)新能力的高素質教師隊伍，這是順利開展創(chuàng)新訓練和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要保障。我校工程訓練中心作為學校直屬部門，自身擁有一支專職教師隊伍，這些專職教師大部分是從事過工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)管理的高級工或技師，他們對生產(chǎn)設備與制造工藝非常熟悉，掌握著豐富的實踐操作技能。另外，中心積極吸引實踐創(chuàng)新經(jīng)驗豐富的高水平教師和技術人員以兼職身份加入到創(chuàng)新教學隊伍中。一是從校內(nèi)其他教學單位聘請工程實踐能力和創(chuàng)新能力較強的教師擔任兼職教師；二是從協(xié)作企業(yè)聘請工程師擔任兼職教師，尤其是聘請工作在一線的專業(yè)技術人員，參與相關基于實際工程項目的創(chuàng)新指導工作，使創(chuàng)新訓練具有實際意義；三是聘請本校優(yōu)秀在讀研究生擔任兼職助教，主要負責激光切割、3D打印等較先進加工設備的操作指導，上崗前對他們進行嚴格的理論知識、操作技能、教學方法和安全常識培訓，并建立相應的激勵與淘汰機制。

中心經(jīng)過不斷探索和實踐，成立由專兼職專業(yè)指導教師、工程技術人員(含企業(yè)外聘工程師)、優(yōu)秀研究生和工勤技能人員組成的跨學科跨專業(yè)的創(chuàng)新教學指導團隊。根據(jù)每個項目特點不同團隊中不同層次人員隨著調(diào)整，團隊成員分工協(xié)作，發(fā)揮各自優(yōu)勢指導學生的整個研發(fā)過程。以機械類創(chuàng)新項目為例，機電類專業(yè)教師主要負責指導整體方案的制定、工程設計及研究報告的撰寫，工程技術人員主要負責指導詳細的工程設計和加工工藝編制，工勤技能人員和研究生助教主要負責指導加工制作。

四、實訓室開放性運行管理模式

開展創(chuàng)新訓練，學生不僅需要固定的研究場所，而且還需要加工制作設備，而且大部分學生只能利用業(yè)余時間完成創(chuàng)新訓練項目的設計、加工與制作，因此工程訓練中心各實驗室均面向全校師生全天候開放。中心開發(fā)了實訓室開放管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實訓場地管理、實訓室資源查詢、實訓室預約、實訓室使用統(tǒng)計以及實訓項目檢驗測評等功能。學生可以通過中心實訓室開放管理系統(tǒng)查詢實驗室開放時間、空閑實驗設備，結合自身情況提交預約申請，經(jīng)工程訓練中心批準，學生可以無償使用工程訓練中心擁有的各種儀器設備。開放性實訓平臺和開放管理模式為學生提供自主實踐鍛煉的空間和環(huán)境，充分調(diào)動了學生參加工程實踐和創(chuàng)新活動的積極性和主動性，激發(fā)學生的創(chuàng)新觀念和意識，有利于提高學生的實踐動手能力、自我管理能力和創(chuàng)新能力，提升學生綜合素質。

五、結語

經(jīng)過近5年的研究、探索和實踐，我校工程訓練中心隨著創(chuàng)新實踐教學平臺和教學體系的不斷完善、創(chuàng)新指導教師團隊的科學組建、實訓室開放式管理系統(tǒng)的投入使用，在基于工程訓練的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式、教學內(nèi)容、教學管理等方面進行了改革與創(chuàng)新，逐步形成從創(chuàng)新意識培養(yǎng)、創(chuàng)新基本能力訓練到基于工程項目的創(chuàng)新實踐的循序漸進的創(chuàng)新教育模式。創(chuàng)新訓練模式探索取得突破，全面開展分層次、基于工程實踐項目的創(chuàng)新訓練活動，把創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入工程訓練全過程，有效激發(fā)了學生創(chuàng)新興趣和培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力，開創(chuàng)出一條創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑。通過中心在不同層次實踐教學中融入創(chuàng)新教育和創(chuàng)新訓練，學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力均得到較大提高，在創(chuàng)新產(chǎn)品制作過程中學生可以獨立使用中心擁有的各種加工設備。從校教學督導組和用人單位反饋的意見來看，參訓學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果顯著。2016年秋季我校審核評估中評估專家對中心實踐教學及創(chuàng)新教育模式給予了很高的評價，評估結束后，大連交大、蘭州交大等多家單位專門派人到我校工程訓練中心考察學習。近年來由中心組織的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和各類競賽均取得了較好的成績，獲得省級以上獎勵40余項。今年參加工程訓練綜合能力競賽國賽的2014級兩名學生分別被保送到浙江大學和湖南大學讀研究生，畢業(yè)生由于具備較強的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，而受到用人單位的青睞。

[1] 楊軍玉,董建臻,王亞南.大學生實踐能力、主體意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)——以農(nóng)業(yè)院校為例[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報(農(nóng)林教育版),2016,18(3):99-103.

[2] 胡育佳.“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”建設創(chuàng)新的探討[J].教育教學論壇，2016(7)：173-174．

[3] 張建超,吳文江,高占鳳,等.基于“卓越工程師”培養(yǎng)理念下的工程訓練與創(chuàng)新平臺建設[J].教育教學論壇，2015(48)：115-116．

[4] 王旺田,吳兵,權麗娟,等.高校實踐教學改革與應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].河北農(nóng)業(yè)大學學報(農(nóng)林教育版), 2014,16(8):94-97.

[5] 高占鳳,張建超,吳文江,等.依托工程訓練中心的創(chuàng)新型工程訓練體系構建[J].教育教學論壇，2013(50)：26-28．

[6] 吳文江,張建超,高占鳳,等.基于工程實際項目的大學生工程實踐能力培養(yǎng)[A].International Conference on Education and Management Science[C].439 DUKE STREE,LANCASTER,PA 17602-4967 USA:DESTECH PUBLICATONS,lNC,2016.309-312.

[7] GAO Z F,WU W J,ZHANG J C,etal.Exploratton and Practte ofthe Engineettng Pracuce Abilty Training Teaching Reform[A].2016 International Conference on Education Science and Education Management[C]. 439 DUKE STREE,LANCASTER,PA 17602-4967 USA: DESTECH PUBLICATONS,lNC,2016.291-295.