能力輸出和過程控制的實踐教學改革探索

李翠超， 張培艷， 凌 芳

(上海交通大學 學生創新中心， 上海 200240)

0 引 言

實踐教學是高等工程教育的重要組成部分，是學生通往現場工程師的一座橋梁。工程訓練是覆蓋面最廣的實踐課程，通常包括制造實踐、工程實踐和其他創新課程，是培養學生實踐動手能力、綜合工程能力、創新能力不可缺少的一步[1-2]。隨著第四次工業革命到來，針對工程訓練中目前存在的問題，如何提高工程訓練教學品質，在中國制造從低端向高端轉型過程中，培養適配產業需求人才，已成為亟待解決的問題。

1 工程訓練教學中的問題

目前的工程訓練教學中存在的主要問題可從4個方面來分析：

(1) 教學方法多為驗證性實踐，缺少探索性項目。在傳統金工實習過程中，大多仍是老師演示操作后，學生按步驟重復操作，掌握動手技能，這是一種模仿式的師傅帶徒弟式的學習，缺乏主動性及探究性，所學僅停留在某項工藝操作上，應用能力不足。因此有必要改變以往的模式，通過啟發式的問題導向，讓學生主動學習思考，培養解決實際問題能力。

(2) 單一的終結性評價，缺少過程考核。一些項目主要以實習報告來確定成績，缺少對訓練過程的評價和督促，導致訓練中學習較為松散，不夠扎實；另外也缺少精細化管理，在團隊作業中，部分學生依靠團隊中其他能力強的人完成項目，而導致其自身缺乏鍛煉，能力培養不均衡。所以需增加形成性考核，以學生個體“能解決問題”為標準[3-4]，來評價實踐效果，同時明確分工制度和契約制度，讓每個學生得到鍛煉。

(3) 實踐項目按工藝分割，缺少系統性課程。實踐教學各環節分割，傳統單個零件加工的訓練模式與生產實際脫節，忽視了產品全生命周期的統籌管理和工程意識，這難以讓學生建立以工程項目為核心的系統思維方式。而現在高速發展的船舶、高鐵、航空航天、電子工業等高端制造領域，都是極為復雜的系統，需要對整個過程進行綜合協調控制，因此需要構建更真實完整的工程環境[5]，綜合各個環節，對學生進行系統化全周期的訓練，培養系統工程思維[6]。

(4) 質量意識的培養重視不足。在教學中缺少質量意識的培養，停留在教會怎么做，未明確要做到什么程度，以及怎么控制過程，往往只是了解某項工藝操作，卻并不能做得精細深透，作品質量普遍較差，多數只能稱為半成品。畢業學生在工作中，只是粗略知道大概怎么做，卻不能真正做出好產品來，特別是對高精密零件，成果差強人意。中國制造總是給人成本低質量差的印象，現在我國已經不是能不能造出來的問題，而是造得精不精的問題，制造業正在轉型升級，質量是個大問題，因此，實踐教學應培養質量意識。

2 以工程能力輸出為導向的實踐教學改革

針對工程訓練教學中存在的問題，以工程測量教學模塊為對象，改變以往教學方法，以實際工程能力輸出為導向，緊密銜接工程實際，過程控制，強化質量，創新探索新的教學思路。

2.1 從工程需求出發明確教學目標

教學目標要改變以往模糊不清泛泛而談的情況，應明確規定工程訓練實踐教學的產出效果[7-8]，突出學生實踐后具備什么樣的能力，并從實際工程的需求出發，所設定的教學目標應可考核，具有可操作性。具體來說，以機械類學生為例，對測量實踐教學，以實踐后學生應具有:① 機械制造的精度和質量意識；② 獨立使用一般生產現場常用量具測量零件基礎尺寸(長度、軸徑、孔徑、角度、錐度)及表面粗糙度的能力；③ 對軸、盤、套、箱體類零件質量進行綜合檢測的能力，即：能識讀零件圖，并按圖樣技術要求(尺寸公差和形位公差)，正確選擇量具對實習件或項目制作所加工的零件進行測量，并判斷零件是否合格；④ 交流溝通與團隊協作技能，能在各種測量任務中與他人合作；⑤ 系統思維，能在復雜系統中綜合考慮各因素，進行系統測量與分析；⑥ 不斷了解新測量技術及進行技術革新的意識，在實踐中追求創新的態度等6種能力。

2.2 根據目標合理安排教學內容及項目

為了達到較好的能力目標訓練效果，教學內容及項目作了下列改進：① 測量項目緊密結合工程主流測量技術，具有實際工程項目檢測性質；② 教學案例采用實際工程產品；③ 教學內容從系統思維角度，注重產品全生命周期的質量檢測意識；④ 實踐項目考慮不同學生的專業背景，分類實施；⑤ 考慮工程訓練中各環節之間的聯系，系統整合相關的內容。

2.3 以問題導引過程，采取多樣化的教學方法

一個工程師的價值在于能不斷解決工程遇到的問題，因此通過問題導引式教學可以提高學生適應社會的能力[9-11]。以實際問題解決為牽引，不以講授理論和演示操作為主線，讓學生發現問題、分析原因、找出解決措施、并進行實施驗證。教師只是引導和服務，讓學生成為面對問題的主體，主動學習所需，綜合應用各類知識來解決問題，可以按小組進行，開展團隊合作。當然問題的選擇要適當，太難會挫折積極性，太簡單起不到鍛煉效果，按照“最近發展區”理論，在新舊知識的結合點上提出問題，激發學生的認識沖突，不斷突破自我。

2.4 以學生能力具備評價教學效果

在教學評價上，改革以往只是交一份實習報告的單一形式，變為形成性考核和終結性評價相結合的形式。通過形成性考核，在教學過程中及時地對學生的能力發展做出評價，它包括每一單元教學對學生的口頭提問、小組學習、專題討論、小作業、教學實踐活動等，營造一種全程緊張的教學氛圍，及時發現學生的薄弱點，提前采取有針對性的措施來彌補，同時指導學生調整學習方法，開展強化訓練。另外也能及時發現教師授課中的欠妥之處，及時調整教學大綱、進度或方法，以適應不同專業和類別的學生群體，進一步針對不同個性發展的學生分類教學[12]，適當傾斜，因材施教。

在終結性評價中，堅持成果評價，即對學生在學習每個項目后的練習結果進行評價，考評要求明確、直觀、實用、可操作性強，邀請產業界專家參與評價，以學生“會做什么、做得如何”為標準，以項目完成和作品質量進行客觀的打分評價。

3 教學改革實施過程

3.1 面向實際工程需求，進行真實工業環境下的測量

在教學實施上，應緊密結合工程實際，創造真實的工業環境，測量項目來源于企業生產的基礎零件，測量工具和方法都是工廠中使用的，使學生站在工業生產背景角度來開展“情景式”實踐。讓學生掌握工業常用量具的使用，并進行尺寸公差、形位公差等的檢測。

(1) 選擇Z4006高速臺鉆主軸(見圖1)作為測量對象。

圖1 Z4006高速鉆床主軸

(2)以問題導引開展測量，以兩個無法裝配的零件來確定測量方法，判斷是哪一個零件的原因，確定改進措施。為判斷零件是否合格，自己選擇量具，甚至自行設計定位工裝，確保測量精度。

3.2 過程精細管理，開展自評互評評教

注意增加教學過程中的觀察，積極參與課堂者適當予以加分，分組訓練中，由教師編號隨機組隊，避免學生熟人組團，部分學生依賴其他學生完成任務。

開展自評互評評教。學生自我評價，分工協作，組員互相評價督促，通過控制過程，督促學生點滴進步，避免學生平時懶散、交報告前抄襲的問題。同時開展評教，反向推動教學改革和質量提高。

3.3 綜合應用各種測量手段，進行零件質量的綜合檢測

綜合應用各種測量手段，對各種測量設備及測量技術的特點及測量范圍有全面的展示[13-15]，既有橫向的比較又有縱向的深入；建立具有豐富資源的測量教學平臺，形成常規測量、精密測量、先進手段測量相結合的完整體系(見表1)，拓展高效率、高精度、數字化的現代精密測量設備，如三坐標測量、萬能工具顯微鏡測量，實現多種復雜幾何形狀的測量。同時對測量件進行全生命周期的測量檢定，從毛坯到各加工環節的過程測量、零件成品測量及最終裝配后的系統檢測。案例中Z4006主軸，非常適合進行零件的綜合檢測。該零件經過落料、車、熱處理、銑、磨等工序得到成品，在各個加工階段進行檢測，包括各軸段的尺寸檢測及形狀和位置誤差檢測、表面質量檢測。

表1 多手段結合的測量體系

3.4 增加系統思維和質量意識的教學

制造是一個系統工程，需要學生系統思維和質量意識[16]，針對生產過程的現場質量控制，可以用某個典型的檢測質量問題，來導引學生開展測量方法的研究，通過一個測量的失敗案例反過來，系統地分析整個工程各環節出現的問題。通過測量統計，可以確定制造工藝的穩定性，如果不穩定，則可反向查找出那個環節出了問題，進行持續改進。

鼓勵學生把產品做得跟藝術品一樣精美，多快好省可能會造成粗制濫造，物美價廉多半只能是個營銷口號，低廉的成本通常不能維持產品長期的高質量，項目制作中，要求學生付出足夠的時間和成本，精工細作，嚴格管控，保證持續獲得優質產品，只要做到物有所值，必然會獲得長久效益。

4 實施效果及分析

通過每個項目的完成情況以及過程考核來了解學生測量能力達到的水平，分析目標達成情況；通過學生評教、學生課程前后調研，了解學生的需求和學習效果，并將改革前后的教學情況進行研究和對比，總結實踐經驗。通過工程訓練中心信息化教學平臺網上評教數據統計分析，教學改革后2016～2017學年授課人數將近600位同學，其中近150人做了教學評價打分，平均97.3，教學效果良好。

4.1 按“最近發展區”理論進行有效教學

課前調研學生的已有基礎，已具備的實踐能力，以及掌握相關知識的程度，學習的期望和學習方法，通過課前的調研，發現不同專業學生有明顯的差異，根據其已有基礎，因材施教，按 “最近發展區”理論進行周邊知識刺激學習。

總體來說，對于醫學等非工科專業，由于缺少基本的工程知識，在教學時不能直接進行過深的教學，需要先鋪墊一些基本的知識點，擴展其知識面，不能直接進行過于專業復雜的項目。但針對船建等工科專業，已經接觸過不少基本測量工具，不需要浪費時間介紹基本內容，從專業深度進行學習，拓展一些專業化測量工具，進行探索挑戰性學習。

4.2 真實零件測量讓教學更有意義和挑戰性

本課程原來有基本件測量，本次選擇了臺鉆Z4006主軸，在教學過程中調研學生對教學項目和內容的意見，調研結果如下。

在測量項目的調研中，醫學學生75%希望選用典型簡單件測量，而船建學院則更多的約35%～38%的學生希望能夠進行單獨復雜件的測量，更具挑戰性，以便提高自己的能力水平。對于測量件選擇上(見圖2)，多數學生選擇真實部件作為測量對象。由于缺乏技能儲備，醫學院25%學生希望從標準教具開始，學習好后，再進行高階學習。而船建的學生62%以上學生希望采用真實工廠件，19%～35%的學生希望采用自制件學習，通過自制自測量，綜合工程能力得到有效鍛煉，鼓勵學生按自己興趣設計作品，并進行質量判斷。

(a) 船建1班

(b) 船建2班

(c) 醫學班

圖2 測量件來源比較

對于企業角色體驗(見圖3)，讓學生提前了解企業角色分配，70%以上學生認為應當以質檢員的角色開展測量，其次是設計員，然后是工藝員。通過站在工業生產背景角度開展測量訓練，建立起以工程項目為核心的系統思維方式，能夠對產品全周期全系統進行綜合檢測控制，在面對復雜系統問題時，能將各方要素綜合考慮，使學生更能適應以后進入工作崗位遇到的實際工程問題。

圖3 企業測量角色

對于制造質量不佳的原因，調研結果顯示部分學生仍對質量重視不足，理解不夠準確。基本上判斷加工質量、設計不合理、測量監控不足是質量問題的主要原因，而設備條件差不是主因，經過這些年的發展，目前的設備水平已經比較領先，只要培養學生的質量意識，精湛設計，精細制造，有效保障產品的質量，就能逐步走出低成本、低質量、低效益的制造怪圈。

4.3 自評、互評、評教三角循環，動態推進學習效果

(1) 自評學習所得。自我總結是否學到相關知識，從調研的結果看，多數學生的測量能力得到了提高，質量意識得到了加強，但一部分學生在判斷產品是否合格上沒有把握，不能直接判斷工業產品合格與否，還需要更多的現場實踐。

(2) 互評項目表現。組員進行互相評價(見表2)，組員間督促通過網上課堂、預習，避免課前無準備、課上聽天書、作業靠抄襲、結課全忘記的不良情況發生。促進學生在整個項目過程中積極表現。為避免打分流于形式，要求學生打分時必須根據實情有所差別，完全一摸一樣的分數則視為無效。

表2 測量項目小組成員參與度及工作質量評估表

(3) 評教提出建議。課后組織學生對課程進行評價，反向推動教學改革，對課程的建議，對于本課程沒涉及的項目，希望增加相應項目的學習，包括增加激光測量、旋轉機械振動測量、水準測量、萬能工具顯微鏡、螺紋測量等。

5 結 語

在測量為例的教學嘗試中，以能力輸出為導向，模擬真實企業環境，開展探索性學習，使得實踐教學具備磁性和實際價值。通過增加過程性考核，激勵學生積極性，形成一個全員參與、全程緊張的教學氛圍，最終改善學習效果，使得學生實踐能力水平得到明顯提高。為使實踐教學改革行穩致遠,還有以下一些建議：

(1) 以工業品為牽引，重視系統綜合性。采用復雜綜合的工業品為教具，用一個工業項目牽引整個教學過程，讓教學具備系統性和一貫性，學生充分了解產品背景、工藝過程，熟悉企業角色定位情況，為就業做準備。

(2) 減少按部就班，問題試錯強化記憶。除了教會必要安全規程，不按部就班講授操作步驟，而是告訴學生一個目的，讓學生自學基本步驟，自行探索工具的使用，組織資源完成任務，課堂中，對學生操作的部分關鍵環節進行監控指導，學生犯錯再去糾正，錯誤更能加深他們對正確流程的理解和掌握。

(3) 精工細作保質量，鼓勵學生做工匠。“工于末有高求，求精與極，求美與華”。在實習中，光搭建出作品并不足夠，應要求學生重視細節，精雕細琢，提高作品質量，鼓勵在專業領域中一以貫之地專注，一絲不茍地標準，追求設計精巧，技藝精熟，產品精美，潛移默化地培養工匠精神。