高校虛實結(jié)合的工程認知教育平臺建設(shè)與實踐

馬傲玲 彭曉雷 張猛持 陳云 劉翼民

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著“大工程觀”和“新工科”的提出，高校工程認知平臺的建設(shè)為學(xué)生提供了一個工程文化普及和工程教育的平臺，對培養(yǎng)具有實踐型、創(chuàng)新型、綜合型人才及促進學(xué)科交叉融合教育具有積極的推動作用。以廈門理工學(xué)院的工程認知平臺為例，在建設(shè)內(nèi)容上對實體和虛擬平臺中的工程與工程意識館、機械工程館、光電工程館、材料工程館、車輛工程館等18個模塊進行介紹，從開放實踐、經(jīng)費保障、展品來源、教育模式和管理機制5個方面進行運行模式的介紹和虛實結(jié)合的工程認知教育探索，總結(jié)該教育平臺的建成對工程教學(xué)及對學(xué)校工程文化建設(shè)的成效，最后，對虛實結(jié)合的教育平臺建設(shè)及推廣、加強工程認知教育方面提出建議。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛實結(jié)合;工程文化;工程認知;虛擬仿真;建設(shè);實踐;教育探索

[中圖分類號]? G647? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）44-0098-03

隨著“德國工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的相繼提出，當前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進行，我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，高等工程教育也掀起了新一輪改革[1-2]。大多學(xué)者認為“大工程觀”教育培養(yǎng)的現(xiàn)代工程師應(yīng)該具有工程實踐能力、多學(xué)科綜合知識背景及多方面能力、職業(yè)道德及社會責(zé)任感[3-4]。隨著2017年“新工科”概念的提出，高等工程教育步入新階段，新工科必須以學(xué)生為本，其核心是學(xué)科交叉[5]。新工科人才的培養(yǎng)是“科學(xué)+人文+工程+其他”，依托大類通識教育，培養(yǎng)復(fù)合型、綜合性的人才[6-7]。2018年5月5日在北京召開的“2018全國高校新工科工程認知教育資源建設(shè)與產(chǎn)學(xué)合作論壇”，決定成立“工程與科學(xué)認知教育工作組”和“應(yīng)用型高校工程認知教學(xué)工作組”，推動工程教育的改革與發(fā)展。論壇中專家認為高等工程教育的起點是在大學(xué)一年級，這個階段是啟發(fā)“工程思維”與“創(chuàng)新思維”的重要時期，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和自學(xué)能力，建立終身學(xué)習(xí)和團隊合作的意識，為未來發(fā)展打下更為堅實的基礎(chǔ)[8]。

一、虛實結(jié)合工程認知教學(xué)平臺建設(shè)的意義

工程不等同于技術(shù)（或科技），工程需要將技術(shù)和科技運用到社會實踐中，它是實踐后的產(chǎn)物，不可避免地與人、社會、環(huán)境等產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，是科學(xué)技術(shù)、藝術(shù)、經(jīng)管理論等有機結(jié)合的產(chǎn)物。工程認知不是一門課就可以完成的，應(yīng)該通過動手嘗試，建立起模糊的經(jīng)驗圖景，在未來幾年的大學(xué)生活中逐步建立工程與技術(shù)、工程與社會、工程師的使命與文化等各種各樣的認知，逐步在學(xué)習(xí)實踐中加深認識。廈門理工學(xué)院建立的工程認知教育平臺與這些理念不謀而合。

廈門理工學(xué)院定位為應(yīng)用型本科高校，致力于應(yīng)用型、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。廈門理工學(xué)院自2012年開始實行全員工訓(xùn)，在校理、工、文、藝、經(jīng)管類學(xué)生均需參加工程訓(xùn)練，提高綜合素質(zhì)和實踐動手能力。現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心作為校內(nèi)最大的實踐教育基地，承擔全校的工程訓(xùn)練教學(xué)任務(wù)及部分教師的科研加工任務(wù)。工程知識與文化的學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生對所接受的實操項目及相應(yīng)的學(xué)科及工程有一定的了解，提高認知水平并引導(dǎo)其深入思考。學(xué)校從培養(yǎng)工程科技人才的目標出發(fā)，結(jié)合學(xué)校實際，率先在省內(nèi)高校建成首個工程認知與工程文化館。工程認知與工程文化館是在學(xué)科支撐的基礎(chǔ)上建設(shè)而成的，各展區(qū)是學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)科建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和科研成果的陳列廳，是學(xué)校工程文化的縮影，集中體現(xiàn)出校園文化，師生置身其中會不自覺地被這種濃郁的氛圍所感染，在潛移默化中受到教育。

二、虛實結(jié)合工程認知平臺建設(shè)的實踐

（一）建設(shè)內(nèi)容

廈門理工學(xué)院綜合考慮工程訓(xùn)練的實際及虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代工程教育教學(xué)中的優(yōu)勢建設(shè)了工程認知平臺，平臺由實體展館和虛擬展館組成，實體展館包含主展館和延伸區(qū)，實體展館自2013年開始籌建，自2017年9月正式對外開放;虛擬展館自2018年開始籌建，2020年實現(xiàn)對外開放。

實體展館分主展館和延伸區(qū)，總面積約1200平方米，主場館主要用于工程文化和工程科技認知，延伸區(qū)則用于實操體驗。實體主展館包含工程與工程意識展區(qū)、機械工程展區(qū)、光電工程展區(qū)、材料工程展區(qū)、車輛工程展區(qū)、軌道交通沙盤共6部分，主要以圖片、文字、視頻資料、模型等進行內(nèi)容展出。延伸區(qū)包含3D打印體驗區(qū)、激光雕刻與切割體驗區(qū)、柔性制造體驗區(qū)、工業(yè)機器人體驗區(qū)、VR體驗區(qū)共5個模塊，主要用于學(xué)習(xí)者進行現(xiàn)場實操體驗。

虛擬平臺在主體展館的基礎(chǔ)上增加了建筑工程館和航天館，共7個模塊。虛擬平臺采用虛擬現(xiàn)實智能動畫技術(shù)，能實現(xiàn)虛擬實驗操作，能夠智能判斷用戶在3D場景中的任何操作，并做出實時的智能反應(yīng)，在實體展館的基礎(chǔ)上有多處創(chuàng)新如下：（1）運用現(xiàn)代科技通過闖關(guān)學(xué)習(xí)方式增加學(xué)習(xí)的趣味性、互動性;（2）對部分展出內(nèi)容進行三維建模，動畫模擬，配以圖文或者音、視頻介紹增加知識點的深度和廣度;（3）學(xué)習(xí)者可打破時間和空間的限制，在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下通過手機、電腦可隨時隨地登錄虛擬平臺進行學(xué)習(xí);（4）系統(tǒng)提供二次編輯功能，教師可以自主更新展品，實現(xiàn)場館的可持續(xù)性發(fā)展;（5）支持AR功能拓展，可通過手機等終端設(shè)備掃描設(shè)備或?qū)嶒灥膱D片，自動呈現(xiàn)出相應(yīng)的三維仿真實驗動畫，進行學(xué)習(xí)。

1.工程與工程意識展區(qū)

實體展館中工程與工程意識館和序廳融為一體，主要介紹工程的概念及各行業(yè)典型工程、創(chuàng)新與工程、工程倫理、7S管理。通過圖片及工程浮雕場景模擬告誡廣大受眾，工程能給人類帶來美好，也會導(dǎo)致巨大的災(zāi)難，工程師需要創(chuàng)新的意識、扎實的理論、工匠的精神、規(guī)范的行為，更需要高尚的職業(yè)道德。通過學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者形成正確和較完整清晰的工程整體意識并與單一的工程科技區(qū)分開來。虛擬展廳在此基礎(chǔ)上增加生動形象的動畫、視頻等進行更多的案例介紹，學(xué)習(xí)過程中會自動彈出對應(yīng)的相關(guān)知識題目來測試學(xué)生的知識掌握程度，如果學(xué)生選擇結(jié)果正確，則繼續(xù)往下觀看學(xué)習(xí);如選擇結(jié)果錯誤，則案例自動關(guān)閉，學(xué)生需再從頭觀看學(xué)習(xí)。此部分展區(qū)包含工程對可持續(xù)發(fā)展和社會環(huán)境的重大影響以及工程倫理與職業(yè)道德。

2.機械工程展區(qū)

實體展館中以時間長廊的形式介紹從石器時代到機電一體化時代的機械發(fā)展史，并展望未來機械，展示常見機械加工方式、機加工工具和機加工作品、學(xué)生工程訓(xùn)練競賽作品以及現(xiàn)代化智能化生產(chǎn)方式。虛擬展館在實體館的基礎(chǔ)上增加了部分機械結(jié)構(gòu)的三維動態(tài)模擬、工具庫、機械加工視頻、部分機械加工模擬操作及機械工程的社會效用補充，對實體展館進行更加深入和專業(yè)的擴展，解決了實體展館的空間不足問題。圍繞某一個工程案例發(fā)展，例如蒸汽機的發(fā)展歷程，把其過程中涉及的“故事”在縱向上進行深入挖掘、在橫向上擴大知識范圍。通過“三維+動畫+圖片+文字”的形式把其過程整體、立體地呈現(xiàn)出來。虛實結(jié)合的機械工程展讓來訪者對機械工程及其包含的科技及社會效應(yīng)形成比較清晰的認知。

3.光電工程展區(qū)

實體展館中以照明燈具演化史為依托展示光電文化及歷史，以光信息的存儲和光纖通訊為主介紹光科技的應(yīng)用，以LED和現(xiàn)代照明技術(shù)介紹現(xiàn)代光電產(chǎn)業(yè)，以激光加工介紹光在現(xiàn)代加工技術(shù)中的應(yīng)用。虛擬光電館中將光的工作原理進行了更加細致和立體的動態(tài)模擬，可以讓我們更加準確地認知光及其使用原理，增加電氣器件展柜、激光雕刻機三維模型，展示電氣器件和激光雕刻機的三維結(jié)構(gòu)。

4.材料工程館

介紹從石器時代到現(xiàn)代材料的發(fā)展歷史;對常見材料如有機高分子材料、金屬材料、非金屬材料進行大量的標本展出;材料制備展區(qū)主要以圖片形式展示從沙子到CPU的制作過程和粉末冶金材料的制備;用圖片和實體標本展出新型材料如超導(dǎo)材料、納米材料及記憶合金材料的使用范圍及適用行業(yè)。虛擬展館中用大量三維動畫展示不同時期的材料制作過程，三維模型展示新材料如納米材料、超導(dǎo)材料、智能材料、復(fù)合材料，讓學(xué)習(xí)者更輕松地了解材料的發(fā)展歷史及材料發(fā)展新趨勢。

5.車輛工程館

實體展館展出世界汽車發(fā)展史、中國汽車發(fā)展史及汽車品牌，以“別克”普通家用汽車的半解剖結(jié)構(gòu)及汽車主要零部件的半解剖對汽車結(jié)構(gòu)進行細致分析。廈門理工學(xué)院的Amoy賽車俱樂部是學(xué)校的一張名片，這里展示了賽車俱樂部的發(fā)展歷史、競賽成果、學(xué)生制作賽車的過程以及學(xué)生賽車實體展示。

6.實景體驗區(qū)（VR、3D打印、激光雕刻與切割、柔性生產(chǎn)線、工業(yè)機器人體驗區(qū)）

實景體驗區(qū)為學(xué)習(xí)者親自動手操作體驗場所，柔性生產(chǎn)線和工業(yè)機器人為校企合作項目，均可同時容納15人進行操作體驗，3D打印體驗區(qū)可同時容納30人建模打印，激光雕刻與切割體驗區(qū)可同時容納10人上機操作，VR體驗區(qū)可進行整個工程訓(xùn)練中心所有加工場所的場景漫游和模擬操作，可同時容納3人同時進行操作體驗。

7.新增虛擬展館（建筑工程館、航天館）

虛擬的建筑工程館中展示各種有名的公共建筑和民用建筑的三維結(jié)構(gòu)，如金字塔、孔廟、王家大院等，學(xué)習(xí)者可通過點擊（選擇）圖片或名稱的方式進行切換觀看。虛擬航天館以虛擬三維宇宙星空為背景展示各類航天設(shè)備三維模型，如神舟飛船系列、航天飛機、火箭等。

（二）虛實結(jié)合工程認知平臺的運營

廈門理工學(xué)院的工程認知平臺由廈門理工學(xué)院教務(wù)處負責(zé)指導(dǎo)和監(jiān)督，現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心負責(zé)日常管理和運營工作，專業(yè)的設(shè)計施工單位負責(zé)建設(shè)，現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心和學(xué)校信息中心協(xié)作進行虛擬展館的系統(tǒng)維護及軟件安全工作。

1.平臺建設(shè)

實體展館的展出內(nèi)容是結(jié)合學(xué)校學(xué)科建設(shè)、校園文化建設(shè)，由現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心全體教師編寫，各學(xué)科專業(yè)負責(zé)人從旁協(xié)助指導(dǎo)完成，展示方式的設(shè)計和施工分別招標并由不同的中標單位完成;虛擬平臺的建設(shè)是在實體展館的基礎(chǔ)上結(jié)合學(xué)科特色經(jīng)專家論證后由專業(yè)的虛擬仿真教育軟件制作公司中標完成。

2.開放情況

廈門理工學(xué)院工程認知教育平臺實行免費開放。實體展館開放時間為周一至周日上午8：20-11：40，下午2：20-5：00，上課期間校內(nèi)學(xué)生按照班級課表進入學(xué)習(xí)，其他時間對校內(nèi)外人員的開放采取預(yù)約開放，一般通過電話或者QQ等方式提前3天預(yù)約即可。虛擬展館為24小時線上開放。

3.經(jīng)費保障

工程認知平臺屬于學(xué)校全額出資的公益性教育平臺，實體展館和虛擬展館是由國家財政專項經(jīng)費投資建設(shè)。持續(xù)建設(shè)和后期運營經(jīng)費由廈門市財政和教育部出資，廈門市科普基地會按照對外接待情況給予一定的資金補助。

4.展品來源

展館內(nèi)的展品基本來源于五種渠道：對外采購、教師制作、學(xué)生課內(nèi)作品、學(xué)生學(xué)科競賽作品、合作企業(yè)捐贈。

5.教育方式

工程認知平臺的參觀學(xué)習(xí)交流對象有大中小學(xué)生、教師、企業(yè)人員、社區(qū)群眾，全部免費對外開放。有三種教育模式：（1）校內(nèi)外人員登錄虛擬展館進行線上參觀學(xué)習(xí)和交流;（2）教師按照課程安排根據(jù)學(xué)生們的專業(yè)需求及學(xué)習(xí)情況開展實地教學(xué);（3）由講解員結(jié)合各個展廳的特點和展品內(nèi)容等對參觀者進行工程文化介紹和工程知識的普及。

6.管理機制

工程認知平臺由現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心安排專職教師進行日常管理、運營維護。現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心組建30人的教師團隊作為該平臺的指導(dǎo)教師對參觀者進行專業(yè)知識的指導(dǎo)。同時，組建一支大約15人的大學(xué)志愿者團隊經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)和考核后在實體展館中開展義務(wù)講解和志愿服務(wù)。專業(yè)教師負責(zé)虛擬平臺運行，完成系統(tǒng)維護、學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計、線上答疑、各方反饋信息收集等工作。

（三）工作成效

通過工程教育文化建設(shè)激發(fā)教育者與未來工程師群體的質(zhì)量意識與職業(yè)責(zé)任，從而將工程文化內(nèi)涵內(nèi)化為自身的價值追求與職業(yè)準則，以有效推進工程教育內(nèi)涵式高質(zhì)量發(fā)展。

該教育平臺充分發(fā)揮學(xué)校服務(wù)社會的職能，讓來自校外的參觀者接受工程文化和工程認知教育。工程認知與工程文化實體館開放2年多來，累計接待校內(nèi)外參觀者超過20000人次，接待校外師生參觀交流團體70多批次。2018年10月，“工程認知與工程文化館”成為廈門市科普教育基地，免費接待中小學(xué)生學(xué)習(xí)體驗超500人次。虛擬展館自建成以來，接待校內(nèi)外訪客1500余人次。

三、結(jié)語

虛擬展館和實體展館的建設(shè)實現(xiàn)了優(yōu)勢互補：實體展館提供現(xiàn)實接觸，直觀認知，實操體驗;虛擬展館不僅解決了時間和空間的限制問題，達到與時俱進、降低建設(shè)成本、擴大教育對象的目的。虛實結(jié)合的工程認知平臺建設(shè)應(yīng)該緊跟學(xué)校人才培養(yǎng)目標，與時俱進;虛實結(jié)合的工程認知的教育方式需要進一步探索，以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，充分利用平臺資源，做好課內(nèi)外結(jié)合，切實提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]張安富，劉超.“中國制造2025”背景下的新工科構(gòu)建[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017（9）：21-23，33.

[2]《中國制造2025》與工程技術(shù)人才培養(yǎng)研究課題組.《中國制造2025》與工程技術(shù)人才培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2015（6）：6-10.

[3]居里鍇，徐建成.“大工程觀”下工程實踐教學(xué)改革的探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013（10）：68-70.

[4]王雪峰，曹榮.大工程觀與高等工程教育改革[J].高等工程教育研究，2006（4）：19-23.

[5]王慶環(huán).“新工科”新在哪兒[N].光明日報，2017-04-03.

[6]徐曉飛，沈毅.新工科模式與創(chuàng)新人才培養(yǎng)探索與實踐[J].高等工程教育研究，2020（2）：19-26.

[7]費翔.新工科建設(shè)背景下高校工程人才培養(yǎng)芻論[J].教育評論，2017（12）：17-22.

[8]鄧博文.高校新工科工程認知教育論壇召開[N].中國教育報，2018-05-19.

◎編輯 趙瑞峰