學科競賽牽引下的工程素質培養模式探究

何嵐嵐， 張海光， 胡慶夕

(上海大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海 200444)

0 引 言

教育部[2007]1號文件中指出“繼續開展大學生競賽活動，重點資助在全國具有較大影響和廣泛參與面的大學生競賽活動，激發大學生的興趣和潛能，培養大學生的團隊協作意識和創新精神[1]。”近年來，各類競賽層出不窮，通過競賽培養學生的創新思維和創新技能已經獲得了教育行業的共識。但是目前的競賽數量多，水平差距大，很多競賽缺少實踐環節，學生還僅僅獲得的是理論知識的學習或者創新設計的鍛煉[2]。關于學科競賽與學科建設、人才培養、教學改革等的研究也成為了研究熱點[3-7]，也取得了一些研究成果，但多為泛泛而談，結合具體競賽的人才培養模式鮮有研究。

全國大學生工程訓練綜合能力競賽(簡稱“工訓大賽”)是教育部高等教育司發文舉辦的全國性大學生科技創新實踐競賽活動，是一項面向全國在校本科生開展科技創新工程實踐活動的全國性大賽[8]。該賽事主要以國內各高校綜合性工程訓練教學平臺為依托，旨在促進各高校提高工程實踐和工程訓練教學改革和教學水平，培養大學生的機械創新設計、制造工藝、實際動手、工程管理、現場應變和團隊合作能力，是促進創新以及實踐能力培養而開展的一項科技創新實踐活動[9-10]。從2009年第一屆開始至今已經成功舉辦了五屆全國性大賽，每一屆都涉及全國上百所高校參與，采用現場加工制造、裝配調試、競技挑戰的競賽形式，對學生能力的培養和考核較為全面，因此該賽事受到越來越多高校的關注和參與，競賽的含金量也正在逐年提升。

現以全國大學生工程訓練綜合能力競賽為牽引，提煉多年大賽的指導經驗，構建工程實踐課程體系，以培養兼具創新、設計、制造、采購、應變及團隊協作能力的全方位復合型人才為目標，探索大學生工程素養的培養模式。同時為大賽形式和內容提供新的備選方案，助力大賽的發展。

1 工訓大賽與工程素質培養的相關性

2009年出臺的《全國大學生工程訓練綜合能力競賽章程》明確指出：“全國大學生工程訓練綜合能力競賽以“重在實踐，鼓勵創新”為指導思想，旨在加強大學生工程實踐能力、創新意識和合作精神的培養，激發大學生進行科學研究與探索的興趣，挖掘大學生的創新潛能與智慧，為優秀人才脫穎而出創造良好的條件；推動高等教育人才培養模式和實踐教學的改革，不斷提高人才培養的質量。”[11]，即工訓大賽是學生在具備了基本的工程實踐技能的基礎上，通過大賽這種載體來加強實踐能力，并激發學生的創新意識、創新潛能，而要達到這個目的，必須結合大賽探究人才工程素質培養的模式，并進行實踐教學體系的改革。

1.1 工訓大賽的核心價值

工訓大賽一般由三部分組成：① 賽前按照命題設計，包括小車的結構設計、加工工藝制定以及制造成本分析；② 按照設計的圖紙完成小車的制造，采購相關的標準件和配件，并進行小車的裝配和調試；③ 利用指定工藝現場進行部分零件的設計、制造及裝配調試，并根據抽簽確定賽道參數，小車在賽道上進行現場運行競技。

從該競賽的過程中可看出：設計環節主要考查學生創新能力以及設計能力；制造和裝配環節主要考查學生掌握基礎工程實踐知識和技能的程度；現場競技環節考查學生的臨場應變和團隊協作能力。因此，若在工訓大賽中取得好成績，要求參賽選手要具備創新思維、動手實踐、文檔撰寫以及團隊協作等綜合能力，做到了對學生綜合工程素質的全方位考評。

1.2 工訓大賽培養工程素質的途徑

該競賽因其高度綜合性，對學生綜合工程素質提出了很高的要求，學生必須在夯實了理論知識和實踐技能的基礎上，不斷提高自身的創新能力，因此充分體現了工訓大賽的核心思想就是“重在實踐，鼓勵創新”。通過競賽形成了一套完整的創新與實踐綜合能力訓練方案，為培養學生的工程素質提供了一條可行的途徑[12-15]。建立以工訓大賽為牽引的工程素質培養模式，進行一系列的改革，包括課程體系、師資隊伍、校園創新氛圍等，使其成為推動復合型創新人才培養的重要載體。

1.3 工訓大賽推動復合人才培養

工訓大賽對于學生的工程素質培養作用毋庸置疑，但是大賽舉辦至今盡管一直在不斷提升競賽難度，完善競賽規則，但是尚不能完全跟上制造業對技術和人才的新需求，比如信息技術、智能技術及互聯網技術等在該大賽中尚未體現，同時還要進一步加強成本意識。因此，如果能夠形成一套完整的培養模式，并在人才培養過程中，為工訓大賽培養和選拔兼具多種能力于一身的掌握先進技術的復合型人才，同時為大賽的形式和內容提供緊跟行業需求的新方案，必將對大賽的發展將起到積極的推動作用。

2 大賽牽引下的工程素質培養模式

2.1 工程素質培養模式

工程技術訓練中心作為國家級實踐教學示范中心，一直在努力探索工程素質人才培養的培養模式。通過總結工程訓練綜合能力大賽的指導經驗，并將其與中心開設的課程進行緊密結合，構建了“以賽帶課”、“以課帶學”“以學助賽”的三位一體人才培養模式(見圖1)，即以競賽項目作為課程學習的載體，以課程教學為基礎，實現學生有目標學習的過程，最后通過學習過程的知識和經驗積累優選出競賽選手。

圖1 “三位一體”工程素質培養模式

(1) 以競賽項目為載體。工訓大賽是學生對知識的深度理解、消化吸收并再創造的實踐過程，需要通過長期的教學工作來實現。而現有的課堂教學課程之間缺少關聯性，采用的案例不具有代表性，大多數課程缺少創新能力和實踐能力的培養。因此，以大賽項目為載體，將競賽用小車引入課程，結合中心的軟硬件資源、師資情況和學生專業特點，逐步構建一個系統的競賽項目體系。

(2) 以課程教學為基礎。工訓大賽是對學生創新能力和實踐技能的綜合考查，但是這些能力的培養離不開學科基本理論、知識和技能的學習，而這些知識必然要通過課堂教學來獲取。因此，必須抓住課堂教學這個關鍵環節，設計與競賽相關的課程體系，改革現有的教學內容和教學方式，根據不同年級學生的知識層次和實踐能力，開設相應的課程，做到循序漸進有的放矢地培養學生的工程素質。

(3) 以學習成果助競賽。學生在以競賽項目為載體的課程學習過程中，會有新的創意方案，包括賽車的機械結構設計與優化、功能升級與擴展、競賽規則改進與完善等。例如，結構向更小更輕更易于調節方向發展，從無碳小車到機電小車到3D打印小車發展到智能小車。通過系列課程的有序開展，積累大量的學生創新作品，同時學生的工程素質也得到了系統培養和提升，從學生的設計中可以選出更具時代性更典型的作品作為競賽的候選賽題，也有利于優選出綜合能力強的學生參加大賽，避免短期集中培訓式的選拔，從而可以大大提高競賽的獲獎率。

總之，課程教學、競賽項目和學生培養這三者是相輔相成的關系，缺一不可，環環相扣，在規劃得當和實施到位的前提下，將形成良性循環，是一個完整的“三位一體”式的工程素質培養體系，對其他學科競賽的人才培養均具有一定的借鑒意義。

2.2 構建工程素質課程體系

要真正落實工程素質人才培養模式，課程是核心，將大賽項目引入以及對于學生的培養都必須通過課程教學實現。那么隨著學生知識面和知識層次的變化，設計并開設相關的課程是需要解決的最關鍵問題。結合工訓大賽項目及中心多年的課程建設經驗，構建了由基礎性工程實訓、專業基礎及選修課程和創新類課程構成的工程素質培養的課程體系(見圖2)。

本環節的教學，教師順應學生的思維傾向，鼓勵學生小組內動手操作，把重點放在從條件入手分析上。再通過畫示意圖、列表等方法分析數據和數量的關系，初步掌握運用數形結合分析數量關系的方法。教師針對學生的薄弱點，強調要抓“相關聯”的兩個條件。也正是通過教師的點撥，學生的智慧火花閃現：“老師，我發現‘單價’是關鍵。”“我也有新發現……”相信學生從分析數量關系開始，就建立匹配的“模型”，這對于他們“解決問題”，無疑是一筆長期受用的財富！

圖2 面向工訓大賽的工程素質培養課程體系

(1) 基礎性工程實訓。該層次包括工程通識類和基礎實踐類兩個課程模塊。其中，工程通識類課程面向大一所有新生，從多方面讓學生對工程領域有較為全面的初步認知，激發其學習機械工程和電氣工程領域知識的興趣。基礎實踐類課程又分為機械基礎實踐和電子基礎實踐，是面向全校理工大類學生開展的以實踐動手為主的實習課程，并運用“案例教學法”和“項目教學法”將大賽作品中的典型案例引入課程，讓學生系統地掌握機械制造和電子與自動化兩個方面的基礎知識，并具備一定的實踐技能。

(2) 專業基礎及選修課程。該課程是在基礎實踐課程的基礎上開設的專業必修和選修課程。其中“三維設計與工程制圖”課程是為解決目前學生繪制的工程圖與實際工業需求嚴重脫節的窘境，對原有的機械制圖課程進行改革，在課程中以工訓大賽的無碳小車作為教學案例(見圖3)，利用業界公認的高端設計軟件CATIA作為工具，培養學生讀圖和機械設計能力，強化培養學生的工程實踐能力。“CATIA實踐”課程具有很強的實踐性，在課程中以工訓大賽的無碳小車為例學習零件三維實體建模、機構及整車裝配、工程圖繪制等，是競賽項目設計必不可少的技能之一。

(a) 小車底板零件工程圖

(b) 小車整體裝配圖

教材使用中心教師主編的機械工業出版社教材《三維建模與工程制圖》。

(3) 創新類課程。該層次課程在一、二層次的基礎上開設，針對學有余力、專業基礎扎實、實踐能力強，且具備較強創新能力的學生開發，屬于具有研究性質的實踐課程。該類課程包括“機械基礎創新與實踐(1)、(2)”和“電子基礎創新與實踐(1)、(2)”，配備具有大賽指導經驗的教師，學生以小組團隊形式參與，利用任務驅動教學方法，形成以自主式、合作式、研究式為主的學習方式。根據競賽要求以及對競賽未來趨勢預測確定項目任務，學生通過查閱資料、設計方案、編制工藝、加工制造、檢驗修改、采購零配件、組裝調試、設計報告、現場答辯等全過程，將前期所學到的知識融會貫通并熟練運用，有助于學生創新能力、實踐能力及團隊合作能力等綜合工程素質培養。課程學習過程中有助于選拔優秀學生作為競賽選手，同時也通過學生的不斷創新提取新的競賽形式和內容(見圖4)。

該課程體系有明顯的層次性，專業性逐漸增強，創新能力和實踐能力的要求逐漸增加，各門課程之間的相關性強，并且都有很明顯的實踐動手能力的需求和培養環節，符合大賽對創新型復合型人才培養的需求。

(a) 項目設計

(b) 無碳小車

(c) 3D打印小車

(d) 電控小車

3 工程素質培養模式實施及成效

3.1 實施措施

(1) 加強指導教師隊伍建設。競賽中學生是主體，教師是保障，學生的能力培養以及競賽結果與指導教師的經驗和能力息息相關。根據課程體系的構建以及競賽對教師梯隊的需求，建立一支指導經驗豐富、知識及技能水平高、且能夠實現傳承幫帶的師資隊伍尤為重要。

(2) 營造及優化競賽氛圍。利用各種宣傳機會，如舉辦與大賽相關的講座、論壇、研討會，讓學生了解大賽的要求，清楚知道可以對自己的能力提高的作用，營造一種創新和實踐的氛圍，利用往屆同學的切身體驗做到口碑相傳，從而實現整個模式的良性開展。

(3) 建立激勵及約束機制。既然是競賽，必然存在失利的風險，制定全面考評獎勵制度有利于教師和學生能夠全身心地投入該項工作。對于學生可以采取對等課程的學分減免、推免研究生時優先考慮、畢業優先推薦就業等措施；對于教師將競賽成績與職稱評定、年終考核、單項獎、年度評優及績效工資掛鉤。

3.2 實施成效

至今，中心在國家和省級各屆工訓學科大賽上一共獲獎32項，其中獲得省級競賽一等獎以上占89%和國家級競賽一等獎以上占62%，多年競賽成果驗證了該人才培養模式的可行性。

4 結 語

通過分析工程訓練綜合能力競賽與工程素質培養的相互關系，將工訓大賽引入工程素質培養過程中，構建了課程教學、競賽項目和學生培養“三位一體”式的工程素質人才培養體系，尤其詳細論述了課程教學體系建設思路，并對該模式實施的保障措施進行了總結，該培養模式已經在工程技術訓練中心得到了實施，效果顯著，無論對學校學科發展、中心教學改革、教師教學能力和經驗提升以及學生工程素質培養都起到了積極的作用。同時該模式對于其他學科的人才培養可供參考。