基于工程實踐和創新能力培養的實踐教學改革

王源紹 張繼元 冒小文 張 蓉 佟贊贊

南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211000

2018 年9 月，教育部發布《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》（以下簡稱《意見》），《意見》要求加強校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺；進一步提高實踐教學的比重，大力推動與行業部門、企業共同建設實踐教育基地，切實加強實習過程管理，健全合作共贏、開放共享的實踐育人機制。在創新創業能力培養方面，要求把深化高校創新創業教育改革作為推進高等教育綜合改革的突破口，面向全體、分類施教、結合專業、強化實踐，促進學生全面發展。高等院校，尤其是定位于應用型本科的高等院校，必須在如何培養學生的工程實踐和創新能力方面進行改革探索。

一、工程實踐和創新能力的培養現狀

2019 年，教育部提出推動本科高校向應用型轉變，要重點加強應用型本科高校實驗實訓實習環境、平臺和基地建設，鼓勵吸引行業企業參與，建設產教融合、校企合作、產學研一體的實驗實訓實習設施。定位為應用型本科的高校，要以政策為導向，充分發揮自身的特點，創新培養模式，加大改革力度，加快自身建設，高質量完成國家在教育領域人才供給側結構性改革，加強大學生工程實踐和創新能力的培養，全面提高我國高校人才的培養能力，為社會、國家培養具有競爭力的技術人才。

在此背景下，我國高校結合各自學校的特點，從課程設計、制度建設、實踐教學、校企融合、技能比賽等不同角度對如何培養大學生的創新能力、工程實踐能力進行了多方面的探索。在專業及課程方面，很多學者以不同教育理念為指導，針對一些專業課程存在的問題，利用競賽等不同模式作為推動手段，從課程教學方法、教學方式、教學管理、工程實踐等不同角度展開了豐富的探討，對如何滿足“新工科”人才培養要求，如何培養創新人才及工程實踐人才等進行了改革實踐。如劉立柱、湯卉、康福偉等闡述了基于OBE 教育理念下，地方工科大學材料專業大學生工程實踐能力的培養創新之舉。黃燕鈞、段家現針對機械專業基礎課存在的問題，對機械專業基礎課程教學改革進行思考，提出以專業競賽為著力點進行改革的方法和步驟。肖細元、劉恢、郭朝暉等針對大氣污染控制工程課程采用教學內容緊跟前沿、創新課堂教學方式手段等來培養學生的創新能力；采用“工程案例法”，培養學生的工程意識和工程素養，建立多層次的實踐教學平臺培養學生的工程能力。韋慧、金嬌、白獻萍等基于研究型大學土木工程類專業特點，進行人才培養目標定位和工程實踐與創新能力培養方式探索。邵偉宏分析了目前高職院校計算機網絡教學中存在的問題，從教育觀念、教學方法、實踐教學管理、評價體系等方面進行了教學改革初探。廖可兵、劉愛群、劉興江等介紹了湖南工學院安全工程專業創新人才培養模式的改革實踐，探討工程實踐能力培養的三個關鍵環節，總結了人才培養模式改革的過程和結果。

很多學者也根據各自學校的特點，從實驗室建設、教師發展、校企融合、比賽等方面，充分利用現有資源，挖掘新的教學體系，改革實踐教學方法，構建多重培養機制，開展工程實踐能力和創新能力的培養探索。如，劉航、馮立強、劉興江等針對地方工科院校應用型人才培養特點，對實驗教學內容、導師制、畢業論文（設計）監控、校內外實踐基地建設等方面的改革進行了探索。岳大力、曾濺輝、柳廣弟等采用校企融合的思路與方法，探索建立了“四級遞進式”實踐教學與“三段式”學習的工程實踐能力培養模式。劉明、熊震、林海燕等從教師工程實踐能力提高、課程建設促進教學相長以及創新創業競賽提高工程實踐與創新能力三個方面，探析了應用型人才的工程實踐與創新能力的培養。李佳洋、范立南提出以突出工程實踐能力為目標的人才培養方案，健全實踐教學體系，構建基于校企深度融合的多維創新實踐教學環境為核心內容的“新工科”驅動下轉型高校創新型人才的工程實踐能力培養機制。李秋明、宋昕、劉志剛等在基于競賽的實驗室開放、實踐教學體系以及基于項目理念的選拔機制三點結合的模式下，探討了智能制造挑戰賽對大學生工程實踐創新能力培養的促進作用。

以上對如何提高工程實踐能力和創新能力進行的研究和探索，多數是結合當前本校已經開展的校企合作與比賽經驗等進行改革探索以及課程融合，在現有基礎上對某一門課程進行改革探索，或對某一項目進行整理重塑，以求達到培養目標。而以某個具體專業的實踐課程體系進行改革，從而提高學生的工程實踐能力和創新能力，最終形成覆蓋某專業相關專業課程實踐環節的綜合、系統的改革方案鮮有提及。此外，對于應用型獨立院校來說，在沒有充分的校企合作為基礎，沒有豐富的比賽經驗積累，沒有充足經費投入的前提下，如何有效地開展工程實踐能力和創新能力的培養，需要進一步探討。

二、工程實踐能力與創新能力的關系

工程實踐能力是指在工程人才利用其工程思維對目標指向的工程實體進行整體籌劃，并在其意識形態中形成工程虛體的基礎上，將意識形態中籌劃的工程虛體轉化為工程實體過程中工程人才表現出的設計、實施、調試、維護工程實體等方面的能力。工程實踐能力不是簡單地通過操作工具而熟能生巧的動手實踐能力，它需要系統的理論知識，并將知識通過思考進行加工組合再創造，最終通過合理的實施路徑，將理論知識通過實踐活動得以展現。在這個過程中，創新能力的高低決定著工程實踐效果的好壞。

創新能力是一種綜合能力，通常是指在技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。創新能力中的“創新”不是無源之水、無本之木，所有創新活動中的新思想、新理論、新方法都不是憑空產生的。所有的創新均來自工程實踐活動的不斷積累，只有在實踐中，才能對理論對方法進行驗證，只有充分的驗證實踐，才能更好地給予創新以基礎和方向。可見，工程實踐能力是創新能力得以不斷提高的基石，是創新能力形成的源泉。

工程實踐能力和創新能力是相輔相成、互相促進、相互融合、缺一不可的，在提高工程實踐能力的同時必須考慮創新能力的鍛煉，在提高創新能力的同時也必須加強工程實踐能力的訓練。工程實踐能力與創新能力是知識經濟社會對優秀工程技術人員素質的要求，是現代企業應對全球經濟一體化、參與國際競爭的需要，也是企業可持續發展的需要，同時也是建設創新型國家與實施科教興國發展戰略的需要。工科專業實踐教學體系的改革必須從簡單的模仿性實踐向綜合性實踐轉變。實踐教學應更加注重知識的綜合運用，并在實踐過程中進行創新。

三、車輛工程專業實踐課程的不足

車輛工程作為一個實踐性強、與生產過程融合度高的專業，主要培養具有機械和車輛產品設計、制造和設備控制、生產組織管理基本能力，以及具有較強實踐能力和創新精神的專門人才。如何提高車輛工程專業學生的工程實踐能力和創新能力尤為重要。為了增強學生的實踐能力和創新能力，目前車輛工程的專業核心課都有一定的實踐（實驗或實訓）學時安排，同時結合金工實習、畢業設計等環節，希望在人才培養方案中，能從多個角度多個維度開展實踐及創新訓練，以期實現提高學生工程實踐能力和創新能力的目的。然而傳統的實踐課程安排受制于傳統課程設計模式，專業課程實驗環節和實訓環節仍拘泥于傳統課程教學，在培養學生創新能力和實踐能力方面，存在一定的不足。

（一）不同專業課程的實踐內容關聯性差

由于不同課程的開設時間、實驗目的不一樣，不同課程之間實踐內容的關聯性較差。以汽車制動系統為例，涉及制動系統實踐環節的課程有：汽車構造、汽車理論、汽車設計以及畢業設計等。汽車構造課程多以某制動系統臺架為教具，讓學生掌握制動系統的基本結構和原理；汽車理論課程是以整車制動系統為對象，開展整車制動性能的測試及實驗；汽車設計要求根據車輛制動性能要求，通過計算匹配，完成制動系統零部件和總成的設計；而畢業設計是從更全面的角度針對具體車型及綜合性能要求，完成某車型制動系統的計算、設計、分析、優化、改進、驗證等工作。這些車輛工程專業的必修課程中，由于不同課程的實驗目的和要求不一樣，所選用的實驗教具也不同，不同的實踐內容孤立實施。且不同實踐環節所選用的車型、數據沒有關聯性，其實踐內容僅僅滿足本課程實驗目的，無法達到通過不同課程的實踐訓練提升學生綜合實踐能力的要求，導致課程實踐對綜合創新能力的培養不足。

（二）不同專業課程的實踐環節系統性、創新性不足

同樣以制動系統為例，由于不同課程實踐內容的關聯性差，對制動系統的結構、原理、設計、優化等不同層面的能力培養，分布于不同的車型，這樣會造成針對某一具體學習目標培養的系統性不足。其專業課程的課內實驗內容更多的是課程理論知識的補充驗證，創新性實驗的設計安排受制于課程課時等因素，無法得到較好開展。而最終畢業設計的優化等工作，無法充分利用前期課程實踐環節的數據、經驗和設計思路，致使課程實踐環節的最終培養效果大打折扣，無法創造較好的創新土壤，創新能力的開發受到限制。

（三）實踐環節的培養目標離散、層次單一

由于不同專業課的實踐環節是獨立開展的，課程之間的實踐環節缺少系統性，不同實踐環節所設定的課程目標互相獨立，成離散化狀態。這些實踐環節多是服務于本課程，沒有多層次、多系統的實踐課程培養目標，無法支撐工程實踐能力和創新能力的培養目標。

（四）學生學習的主觀能動性不足

由于目前專業教學大多是以單個部件或整車教具為主，學生通過理論課程的學習之后，開始接觸教具，學習相關知識。單一的教學模式會降低學生對實踐內容的新鮮感、成就感，單一的實踐內容及操作無法激發學生主動學習的熱情。

（五）實驗設備投資性價比低

由于不同課程的需求不一樣，需要分別購置不同的教具及實驗設備，且它們往往只適用于某一門課程，致使教具及實驗設備投資分散、利用率低。

四、車輛工程專業實踐課程改革

要真正實現車輛工程專業的人才培養目標，必須對實踐教學體系進行系統優化，加強實踐教學環節不同課程之間的內在關聯與統一融合，同時改革實踐環節設計，激發學生的學習興趣，提高學生參加課程實踐活動的主觀能動性，構建系統性、關聯性、興趣性強的實踐教學體系。

（一）課程實踐環節的目標分解與優化

以專業課程的實踐內容為對象，以提高學生工程實踐能力和創新能力為總目標，將總目標分解至不同課程的實踐環節。通過分解目標的逐一達成，最終實現總目標。將工程實踐能力與創新能力分解為：結構認知、綜合實操、實驗設計、結構設計、優化仿真、創新設計等基本能力要求。通過優化不同課程的實踐內容，使不同課程分別達成不同目標。

（二）課程實踐內容的關聯性、系統性優化

從課程實踐內容的關聯性、系統性角度開展改革。不同課程的實踐內容按照結構—原理—實操—設計—優化—驗證的順序進行分工，保證不同課程實踐內容的關聯性、邏輯性。同時，按照整車—總成—零部件的層次設計不同課程的實驗內容，最終通過不同的實踐分層、分級、分段完成各自設定的目標，并形成知識互補、內容互促、邏輯互助的課程實踐安排，在鍛煉學生工程實踐能力的同時，最大限度培養和發掘學生的創新能力。

（三）統一實踐課程實施載體

為達到以上關聯性、系統性目標，應盡量選取同一對象開展實踐課程，即通過對同一款車或同一個系統部件開展系統化的實踐設計，使學生在不同學習階段面對不同課程都可以圍繞同一對象進行學習實踐，并在此基礎上拓展金工實習及畢業設計等綜合實踐課程。通過對同一對象不同課程多角度多目標的綜合訓練，使學生充分了解所學知識的實踐應用，并通過畢業設計形成實踐與創新訓練閉環，最終達成提升實踐能力和創新能力的培養目標。

（四）激發學生的學習興趣

在所有相關的課程中可將學生分組，在組員固定、實踐對象固定的情況下開展不同層次、階段、目的的實踐課程，引導學生對實驗對象進行實驗設計、優化、改進、驗證，并形成新產品，增強學生的成就感，激發其學習興趣，充分發揮學生學習的主觀能動性。

學生通過以上一系列的邏輯性、關聯性、系統性的課程實踐訓練，能夠達到車輛工程專業課程所要求的實踐目標，掌握車輛相關的結構、原理，擁有實操技能，設計、優化等工作能充分鍛煉學生主動思考、創造創新的能力。

五、以卡丁車為載體的車輛工程專業課改革實踐

根據以上改革思路，需要設計一套能滿足不同課程實踐要求的、充分培養學生創新能力的實踐課程改革方案。課題組綜合考慮成本、結構特點、可操作性等，創新性地提出以娛樂用卡丁車為載體開展實踐教學改革，充分利用其結構簡單、直觀易懂、改裝方便、成本低廉、容易激發學生興趣等特點，對卡丁車結構進行分解，使學生能夠串聯不同課程的實踐內容，滿足不同課程實踐目標要求，并最終實現所有實驗內容的關聯性、系統性、統一性，最終達到培養學生工程實踐能力和創新能力的目的。

同樣以制動系統為例說明。卡丁車的制動系統結構簡單，但是功能完整，因此無須單獨制作教具，在整車上即可完成（汽車構造）制動系統結構認知講解；同時可以利用卡丁車易于駕駛操縱的特點，讓學生自主設計并完成（汽車理論）制動性能試驗；針對已有卡丁車制動系統進行（汽車設計）重新設計計算；針對目前卡丁車制動性能特點，根據改裝要求，對制動系統零部件進行重新設計，并進行制作、裝車驗證，這樣可滿足畢業設計要求。

通過對卡丁車進行更多系統功能的挖掘，開發出滿足諸多專業課程實踐要求的實踐操作方案，具體如下：A.車輛動力性試驗，B.車輛制動性試驗，C.車輛轉向性能試驗，D.卡丁車車架設計，E.卡丁車車架加工，F.車架性能分析，G.車架結構優化，H.車輛制動系統結構認知，I.車輛轉向系統結構認知，J.車輛動力系統結構認知，K.發動機潤滑油更換，L.制動液更換，M.ABS設計，N.制動片更換，O.制動系統設計，P.轉向系統設計，Q.零部件CAD 逆向建模，R.焊接工藝實訓，S.鈑噴工藝實訓……以上內容可以滿足車輛工程專業6 門專業課程、1 門實訓課程以及畢業設計的實踐課程要求。不同層級的實踐訓練能力目標與操作方案矩陣關系如表1 所示，不同課程與卡丁車操作方案關系如表2所示。

結合卡丁車結構特點及優勢，通過以上表格可以得出，以卡丁車為載體，開展車輛工程專業的實踐課程改革具有以下優勢。

實踐課程之間的邏輯性、系統性得到實現。以一輛卡丁車為基礎的實踐方案，涵蓋汽車專業核心課程主要的實驗內容，并匹配不同課程實驗要求。在滿足目前車輛工程專業主要專業課程實踐要求的基礎上，能夠合理地滿足不同層級、不同目標的要求，通過分層級、分目標、分系統的課程安排，能夠較好地達到工程實踐和創新能力培養的目標。

學生學習興趣得到激發。按學生4～6 人為一組，每組對應一輛卡丁車，在專業課程的學習過程中，所有涉及的實驗課程均以這輛卡丁車為基礎，在滿足基本課程學習認知實踐的基礎上，通過金工實習和畢業設計，讓學生對所分配的卡丁車進行真正的改裝、設計、優化。此外，由于卡丁車具有易于駕駛等特點，可以讓更多的學生通過實際駕駛體驗來直觀感受自己的實踐成果，這能極大地增強了學生學習主動性以及工程實踐和創新能力。

性價比高。大約7臺卡丁車即可充分滿足一個教學班大部分課程的實驗要求和畢業設計，卡丁車成本價格只需幾千元，相比于購買滿足以上實驗要求的教學設備而言，其成本大大降低。此外，這能夠低成本、系列化、長效化地解決一些高校實踐環節設備投入不足、課程動手實踐不足和實驗內容較淺的問題。

目前，我院已經在畢業年級開始相關改革試驗。首批共有6 名學生針對一輛卡丁車開展畢業設計工作，分別完成整車結構布置、轉向系統、制動系統的設計改進，車架輕量化設計、車架設計制作、車架性能分析優化等工作。通過觀察本組學生畢業設計完成進度及效果，筆者發現在學習熱情、主觀能動性、動手實踐能力與優化設計相結合的創新實踐綜合能力等方面，本組學生均遠高于其他類型畢設題目小組，整體效果超過改革預期效果。

六、總結

實驗教學可以使學生獲得感性知識、增強實踐能力、養成創新精神、提高創新能力。與理論教學相比,實驗教學更具直觀性、實踐性、綜合性等特點，它在培養學生的創新意識、實踐能力和創業精神等方面具有特別重要的作用。本研究以工程實踐和創新能力培養為目標，針對目前車輛工程專業實踐環節中存在的不足，選擇卡丁車作為實踐改革載體，對培養目標進行分解，對實踐內容分層、分級、分目標、分階段實施，利用卡丁車開展課程實踐環節，并通過畢業設計、金工實習等環節對卡丁車進行改進設計與制作改裝，激發了學生的學習興趣，最終讓學生綜合利用所學專業課程知識，主動思考、解決問題，充分利用軟硬件工具完成工程設計、動手制造等實踐內容，達到系統培養其工程實踐能力和創新能力的目標。

目前，我院已經開展以卡丁車為改革載體的小范圍改革實踐，隨著經驗積累、方案的不斷優化，下一步可以考慮以廢舊二手汽車為載體，充分利用學生的實踐動手和創新能力，形成可以囊括新能源汽車、汽車電子電氣、汽車試驗學等更多車輛工程專業課的實踐改革方案和對象，從而形成適合車輛工程專業的大系統的實踐課程優化方案，在培養學生工程實踐和創新能力的同時，更好地與生產實際相融合。