面向工程能力培養的機電交叉創新實踐平臺構建

張育林 栗茂林 崔琦 黃寶娟 王娜

摘? 要? 針對目前工程教育人才綜合實踐能力欠缺的問題，結合實踐教學中心（工程坊）內涵化建設，進一步深化本科生實踐教學改革，建設機電交叉的創新實踐平臺，一方面在基礎層面針對工科本科生開展機電交叉的實踐教學，另一方面面向機電類科技/學科競賽，構建完善的實踐培訓及管理體系，培養具有實踐能力、綜合能力、創新能力的機電類工程人才。

關鍵詞? 工程教育;實踐教學中心;機電交叉;工程能力;科技競賽;創新實踐平臺;創新創業教育

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0001-06

Construction of Electromechanical Comprehensive Innovative Practical Platform for Engineering Ability Training//

ZHANG Yulin， LI Maolin， CUI Qi， HUANG Baojuan， WANG

Na

Abstract? Combined with the connotative construction of

Practical Education Center （Engineering Workshop）， further deepen the reform of undergraduate practice teaching， strive to build a electromechanical comprehensive innovative prac-

tical platform for solve the problems of lack of comprehen-sive practical ability of engineering talents. On the one hand， carry out the basic electromechanical practice teaching acti-vities for engineering undergraduates; on the other hand， con-

struct a system of practice training and management for elec-

tromechanical science and technology competitions or discip-

line competitions. To cultivate mechanical and electrical engi-

neering undergraduates with practical ability， comprehensive ability and innovative ability.

Key words? engineering education; practical education cen-ter; electromechanical; engineering ability; science and tech-

nology competition; innovative practical platform; innova-tion and entrepreneurship education

0? 前言

目前，工程教育存在工科教育理科化、工程人才綜合實踐能力缺乏、工科教育核心能力定位不明確、所學知識技能與社會發展和產業需求不完全契合等問題，基于新工科建設理念，高等學校的實踐育人工作需要深入推進開展[1-3]。結合西安交通大學大類招生的培養計劃，配合實踐教學中心（工程坊）的內涵化建設，進一步深化本科生實踐教學改革，在實踐教學中心（工程坊）建設一個機電交叉的創新實踐平臺，可以更好地利用校內各項資源，營造創意、創新和創業氛圍，培養和提升學生的創新精神、創業意識和創新創業能力，以社會需求為導向，培養適應甚至引領未來工程需求的機電類工程人才。

西安交通大學實踐教學中心（工程坊）近年來指導學生參加全國大學生機械創新設計大賽、ROBOCON機器人大賽、RoboCup機器人大賽、工程訓練綜合競賽等各類科技創新類大賽，取得很好的成績。構建機電交叉創新實踐平臺，可以更好地發揮已有優勢，面向機電類科技/學科競賽，構建完善的實踐培訓及管理體系，指導更多學生積極參與相關競賽，力爭取得更好的競賽成績。機電交叉創新實踐教學平臺是一個滿足學生綜合實踐和參與競賽活動的物理空間，并配備相應設備、工具和材料等，給參與競賽的學生提供一個活動場所，助力他們取得優異的成績。

1? 平臺建設目標

機電交叉創新實踐平臺旨在推動工程教育改革，建立與學校學生大類培養相適應的機電綜合實踐平臺，實現從學科導向轉化為以產業需求、競賽需求、創新創業為導向，從專業分割轉化為跨界交叉融合，打造工程教育開放融合的新動態，培養學生的綜合實踐能力與創新能力，將人才培養與專業優勢相結合，將創新創業與課程改革相結合，致力于培養兼具科學知識、基本技能和創新能力的機電復合人才。

依托機電交叉創新實踐平臺，將充分利用和整合現有各類資源，并添置一些設備和儀器，一是要對現有的機電相關課內外實踐教學進行擴充和改革，進一步加強低年級學生尤其是工科學生的機電相關實踐技能和綜合能力的培訓，為學生后續參與機電相關實踐活動打下堅實基礎;二是要與項目活動隊結合，利用機電平臺資源，組織更多的學生參加機電相關的各類競賽活動，建立可持續發展的學生和師資競賽梯隊，爭取更好的競賽成績;三是要與成果孵化機構聯合，挖掘可孵化的研究成果，鼓勵更多學生實現創新創業。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

創新平臺構建四個子平臺：基礎技能培訓平

臺、綜合項目與實踐訓練平臺、競賽項目實踐平臺和產品孵化創業平臺。如圖1所示，各個子平臺分別以大創項目、學生競賽、課程設計、CDIO為目標驅動，開展以項目和競賽驅動的多層次實踐教學活動，相互協調與配合，逐層次培養學生的各項能力：機電類基礎實踐技能→機電綜合實踐技能→機電綜合應用于科技競賽能力→機電創新作品創業能力。

2? 平臺建設方案

平臺定位是通過實踐教育、創新創業教育，項目指導、競賽指導，充分利用校內資源，聯合學院與企業以競賽為目標的工程化創新平臺。依托機電交叉創新平臺，在實踐教育、創新創業教育目標和教學方案的基礎上，面向多學科（機械、電氣、能動等）聯合組織實施實踐教育、創新創業教育過程，包括聯合開展實驗、實習、畢業設計、實訓、競賽等實踐環節的基本技能培養，提高學生的專業技能和科研能力，以及聯合訓練學生綜合技能，培養學生創新意識。

在進行實踐、創新創業教育過程中，力爭圍繞學科（機械、電氣、能動等）的科研優勢，經過實踐、創新創業教育，激發和升華學生在創新創業方面的綜合技能、意識和精神，讓科技競賽成為學生實現創新想法的舞臺。另外，在一些具有產學研結合優勢的方向上發力，鼓勵學生實現創業。

平臺建設包括創新實踐體系構建、軟硬件平臺建設、平臺管理系統建立、實踐教學活動建設和實踐教學團隊建設等內容。軟硬件平臺構建又包括平臺方案確定、資源整合以及新設備采購等。實踐教學活動建設包括實踐教學內容建設和教學模式改革創新等。

2.1? 創新教學實踐體系構建

改革傳統實踐教學環節，建立實踐教育培養的目標，制定與之相符的教學方案。在基本技能、專業技能、綜合技能的培養過程中，充分利用校內資源，聯合學院優勢制定教育目標和教學方案，重點內容如下。

1）圍繞工程教育的基本要求，滿足企業的工程需求，制定相應的基本技能、專業技能、綜合技能的培養目標。

2）合理配置符合工程實踐認知規律的課程體系，深度參與教學方案的制定，兼顧通識實踐與工程實戰、理論研究與工程分析、科學研究與創新創業三方面能力的培養。

3）一方面進一步整合實驗資源，充分利用現有資源建設高校基礎實驗平臺;另一方面還要加強產學研合作，拓展專業實驗實踐平臺。

2.2? 創新平臺軟硬件建設

平臺軟硬件構建內容主要包括現有資源整合、新設備采購、場地規劃布置等工作。整合現有資源，統計現有機床和設備數量。中心現有普通車床32臺，普通銑床八臺、鉗工工作臺10個，數控車床20臺，數控銑床四臺，加工中心六臺，電火花線切割機床九臺，激光切割機四臺，激光標刻機一臺，水切割機床一臺，雕銑機一臺，以及3D打印機50余臺。精密測量儀器有影像測量儀一臺，粗糙度測量儀兩臺，3D掃描儀一臺。中心有專門的計算機機房，配套安裝有常用三維造型軟件SolidWorks、

CAXA和后處理軟件MasterCAM，為數控設備和3D打印設備的運行提供了必要的軟件支持。

另外，中心用于教學的測控類設備主要有示波器、數字信號發生器、直流穩壓電源、力測量系統、溫度測量控制系統、電梯控制系統、開關量/模擬量控制模擬系統等，都可以作為實踐教學資源實現共享。

相應的教材、課件資料、實驗指導書作為實踐教學的一部分共享資源使用，同時在機電平臺運行過程中選取典型實踐項目作為創新實踐的案例進行剖析和總結，為其他項目的開展提供參考。

在充分利用和整合現有各類資源基礎上，考慮到各類比賽加工制作時間緊，與現有資源所承擔的課程相沖突的情況，構建一個滿足學生綜合實踐和參與競賽活動的專門的物理空間，并配備相應設備、工具和材料等，給參與競賽的學生提供一個作品制作的場所。場地方面，規劃一個200 m2的物理空間，用于機電交叉創新實踐平臺建設。設備方面，根據需求，購入專門服務于活動隊學生加工使用的數控機床（數控車床、數控銑床、雕銑機、鉆床）和通用儀器設備（示波器、電源、萬用表）等，還需為三維設計配置相應的工作站。材料方面，針對機電平臺綜合項目中的運動平臺搭建與控制項目選取應用廣泛的機械結構和傳動系統，購置運動平臺組件，包含機械構件、單片機、Arduino等控制器，還有直流電機、步進電機以及驅動器等。針對全國大學生機械創新設計大賽以及學生創新能力的培養，購置慧魚零件，改善硬件條件，主要購置多自由度機械手、多傳感器避障小車等功能組合系統，齒輪、凸輪、連桿、齒條以及傳感器等近百種基礎零件。另外，為學生培訓和比賽用準備一定的加工材料，配置一定數量的裝配工具及測量工具。

2.3? 創新平臺管理系統構建

如圖2所示，針對創新教學平臺，建立相應的創新平臺管理系統與網頁系統，設置實踐課程培訓管理、實踐課程考核評價、共享資源管理、競賽管理以及通知發布等功能，方便學生了解實踐教學活動最新動態、評價考核結果、資源情況、實踐課程報名學習、競賽相關信息公布等信息，也能進一步實現教學多媒體化、資源共享化、信息公開化、管理自動化。

2.3.1? 建立實踐教學信息化管理系統? 為提高教學信息化管理水平，充分發揮實驗教學資源的共享作用和實驗教學成果的輻射推廣作用，構建實踐教學網絡平臺，用于發布實踐教學內容、報名及具體安排，方便學生選擇適合自己的實踐培訓內容。

圍繞基礎技能培訓、綜合技能培訓以及項目和競賽實戰指導三個層次的教學實踐體系，結合工程教育培養標準，還需要建立實踐教學質量保障體系。實踐教學的質量與實踐教學的各個環節緊密相關，需要從教學理念、教學體系、教學內容、教學方法和教學手段等方面形成質量保證體系，建立“制度建設為前提，領導重視為保障，內容改革為核心，學生評教為基礎，競賽成績為主導”的實踐教學質量保證體系。制定《實踐教學管理辦法》《實踐教師工作職責》以及《學生實踐考核辦法》等一系列制度辦法。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

成立由中心領導、校內外資深的實踐教學與科研突出的教授和專家組成的指導委員會，負責實驗課程教學大綱、實驗課程內容和實驗項目審定等工作，充分發揮其對實驗教學的決策和對示范中心的引導作用。制定一定的競爭、激勵和約束機制，表彰、獎勵認真工作的好教師，鼓勵科研經驗豐富的教師從事實驗教學研究工作，投身實驗教學改革，創造教學成果。

2.3.2? 建立資源共享管理系統? 針對中心現有的資源，進行管理和調配使用，最大限度發揮設備和儀器的作用。制定《實踐中心機房管理條例》《實踐中心設備使用條例》等規章制度，建立資源共享管理網站，把整合好的資源包括實踐教學資源、儀器設備、實驗室等加以有機組合和信息化管理，實現實踐教學工作的現代化、開放化、高效化和資源共享。通過網站構建、管理制度逐步完善、實驗教學資源逐步充實、儀器設備逐步更新等，更好地保障實踐教學資源的共享管理。

2.3.3? 建立競賽管理系統? 競賽管理系統包括競賽相關信息發布、競賽報名、競賽結果及競賽獎勵等信息，鼓勵學生積極參與實踐培訓活動，積極參加科技競賽，并對獲得競賽獎勵的學生給予一定的獎勵，吸引更多的學生參與其中。

2.4? 創新平臺實踐教學活動建設

國外大學基于工程項目的成功工程教育典范，啟示人們在工程人才培養中通過項目建立起工程教育與實際工程之間的緊密聯系，在實踐教學平臺上開展四層次的實踐教學活動。

第一層次是針對零基礎、實踐活動經歷很少的低年級學生在較大面積范圍內進行機電相關基本技能的實踐培訓，使學生熟練掌握基礎技能，起到引導學生入門、激發學生興趣的作用，為學生后續的實踐活動打基礎。

第二層次是針對已掌握一定基本技能的中低年級學生進行綜合應用能力培養，使學生通過綜合項目實踐活動掌握綜合實踐技能和一定的開發能力。

第三層次是對參加競賽的學生進行一定的培訓和指導，積極組織學生參加各類相關科技競賽，培養學生的創新精神和創新能力。

第四層次是對競賽或項目的作品進行進一步開發孵化，鼓勵學生實現創新和創業。

2.5? 創新平臺實踐教學團隊建設

開設的實踐培訓課程主要由中心現有的教師、工程技術人員承擔，還要邀請學院的教師和企業技術人員進行相應指導，形成一定規模的指導團隊。為了加強實踐教學隊伍建設，需要強化與行業企業的合作交流，不斷提高教師隊伍的工程化水平，定期組織教師進行研討和交流學習，組織相關教師去其他高校或者單位學習調研，定期組織開會研討;還要圍繞課程團隊建設引入競爭機制，形成結構科學和可持續發展的實踐教學隊伍體系。

3? 基于創新平臺的實踐教學活動建設

3.1? 四層次實踐教學體系建設

貫徹“交叉、融合、開放”的教學理念，重組基礎、綜合交叉，系統構建如圖3所示的由基礎實踐、綜合實踐到科技競賽相結合的實踐教學體系，突出課內和課外相結合，培養理論基礎寬厚、學科知識先進、具有國際視野、能實現工程應用和解決實際問題的學生。

第一層次：基礎技能培訓? 第一層次以機電控制類基礎技能培訓為主，針對零基礎、實踐活動經歷很少的低年級學生在較大范圍內進行機電相關基本技能的實踐培訓，使學生掌握機械設計基礎知識、加工工藝與制造技術、測控基本方法，培養工程素養，夯實基礎，引導和吸納更多具備一定能力和創新愿望的學生進入更高層次項目及競賽中。基礎技能培訓分為三個平臺模塊，分別是機械制作基礎模塊、機械設計與加工制造工藝模塊、測控技術基礎模塊，如圖4所示。

基礎層次的培訓主要利用課內的金工實習和測控實習課程以及開放實驗課程進行，由課程負責人牽頭完成。課程設計上向競賽傾斜，著重于機械創新大賽與綜合能力大賽相關的實踐指導。

第二層次：綜合項目實踐? 第二層次以第一層次為基礎，針對已掌握一定基本技能的中低年級學生進行綜合應用能力的培養，構建面向競賽和綜合項目需求的訓練內容，使學生通過較為綜合的機械、機電項目培養機電設計與實踐能力，引導學生參加學科、科技競賽，目標是為工程坊機電類項目活動隊輸送優秀隊員。綜合項目實踐平臺包含三個平臺模塊，分別是設計與仿真模塊、機電結構搭建實踐模塊、機電系統綜合實踐模塊，如圖5所示。

第二層次的綜合項目實踐主要以開放實驗課程、選修課等形式開展。綜合培訓層的實踐教學內容應符合競賽方向，服務競賽;同時具有一定的學生受益面，一定程度上能支持各個活動隊建設。開放實驗課程、選修課以教師為主體，實行任課教師負責制。基于機電交叉創新平臺開設的開放實驗課程、選修課程主題應圍繞機械設計競賽方向開設。

構建面向部分綜合項目與競賽的可以復用實踐區，將三維設計與有限元、設計與表達、機器人搭建與控制、通用運動平臺搭建與控制等綜合實踐項目規劃在此區域，區域內設置實踐區、貨架、調試區。

第三層次：競賽項目實踐? 大學生學科、科技競賽已經成為深化高校創新創業教育改革的重要載體，是促進大學生全面發展的重要平臺，是推動產學研用結合的關鍵紐帶，是高素質人才培養的一條有效途徑。科技競賽是整合課內外實踐教育教學的重要環節，是培養學生創新精神的重要抓手。

第三層次依托于學科，并以科技競賽和大創項目為驅動，培養學生機電綜合設計與實踐創新能力，通過項目指導和項目篩選，鼓勵更多的學生參與科技競賽，培養機電綜合能力、創新能力、人文精神、項目管理能力、團隊協作能力等綜合素養，最終形成“堅持學科競賽為牽引、創新平臺為支撐，實現以賽促學、以賽促研、以賽促建、以賽促新”的創新型人才培養新模式。

第三層次的競賽項目實踐中，有的項目是以活動隊團隊的形式參加省級和全國競賽，如ROBOCON機器人大賽、節能車競賽、RoboCup機器人大賽等，以指導教師和隊長作為負責人，負責項目日常管理、方案把關、進度掌控等，同時對參賽隊員的人身安全負責;對于其他競賽和大創項目，通常3～5人一組自由報名，各參賽組指導教師和組長履行相應職責。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

第四層次：創業能力的培養與創新作品孵化? 引導和激勵高校學生弘揚時代精神，將所學知識與經濟社會發展緊密結合，加強校企合作。并以第三層次的一些優秀作品為基礎，以“互聯網+”、挑戰杯為切入點，鼓勵學生參加各類創業類競賽，以培養和提高創新、創意、創造、創業的意識和能力，促進高校學生就業創業教育、創業實踐活動的蓬勃開展，發現和培養一批具有創新思維和創業潛力的優秀人才，推動大眾創業、萬眾創新。進行校企合作，與相關機電類公司共建聯合培養實驗室，探索校企合作方案，不斷細化與完善聯合培養模式與方案。

3.2? 實踐內容與教學方式改革

四層次實踐內容并不是一成不變的，是需要不斷更新升級的。組織中心教師、實驗技術人員與學院科研經驗豐富的教師聯合，不斷將教師的優秀科研成果、合作單位真實項目、學生競賽獲獎作品加以轉化，形成特色實驗項目，從而為學生實訓、科技競賽、創業實踐源源不斷地注入更新優質的實踐教學資源。例如：將大學生工程訓練綜合能力大賽的賽題“無碳小車”轉化為實踐教學項目，將機械創新大賽的賽題“果蔬采摘機”轉化為實踐教學綜合項目，開設相應的綜合項目培訓課程，極大地豐富和充實實踐教學資源，也體現實踐資源的實時性。

同時，實踐內容培訓的模式也需要不斷更新改革，不斷挖掘適合學生進行科研實踐的方法，更有利于學生參與科技競賽。

4? 創新實踐平臺的成果

創新實踐平臺構建以來，學生的工程實踐能力和創新能力得以有效提升。以平臺為載體，共支撐大學生創新訓練項目25項;在第九屆全國大學生機械創新設計大賽中榮獲全國一等獎七項、二等獎兩項，在第三屆中國高校智能機器人大賽中榮獲全國二等獎兩項，在2020年中國機器人大賽中榮獲全國一等獎兩項、二等獎四項;工程訓練綜合能力競賽、研究生機器人大賽等各類競賽獲獎30余項;優秀的創新作品授權發明專利五項，申請發明專利六項。在各類實踐活動和比賽中，學生創新創業能力得到有效提高，指導教師在實踐教學過程中也不斷提高了教學能力和業務水平。

5? 結束語

針對新時代背景下國家、行業、產業及社會對高素質人才的發展需求，構建面向工程能力培養和科技競賽的分層次、漸進式機電交叉創新實踐教學平臺，推動工程教育改革，實現從學科導向轉化為以產業需求、競賽需求、創新創業為導向，培養學生的綜合實踐能力與創新能力。在實踐教學平臺上規劃四層次人才實踐培養方案，從專業分割轉化為跨界交叉融合，將人才培養與專業優勢相結合，將創新創業與課程改革相結合，改革實踐教學模式，培養兼具科學知識、基本技能和創新能力的機電復合人才。■

參考文獻

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[2] 孫康寧，傅水根，梁延德，等.淺論工程實踐教育中的問題、對策及通識教育屬性[J].中國大學教學，2011（9）：17-20.

[3] 林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，38（2）：26-35.

*基金項目：西安交通大學本科實踐教學改革研究專項項目“工程訓練測控實訓綜合實驗教學平臺建設”（項目編號：19SJZX37）。

作者：張育林，西安交通大學實踐教學中心（工程坊），高級工程師，研究方向為機器人、機械電子工程;栗茂林，西安交通大學實踐教學中心（工程坊），高級工程師，研究方向為機械設計與制造;崔琦，西安交通大學實踐教學中心

（工程坊），工程師，研究方向為工程實踐教學及工程實踐中人文素質的培養;黃寶娟，西安交通大學實踐教學中心（工程坊），高級工程師，研究方向為測控技術;王娜，西安交通大學實踐教學中心（工程坊），高級工程師，研究方向為儀器及測控技術（710049）。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97