新工科背景下提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的探究

高 波， 霍 凱， 陳 羽， 陳亞瓊， 陳宇飛， 張少康

（北京交通大學(xué)機械工程國家級實驗教學(xué)示范中心，北京 100044）

0 引 言

為深入貫徹習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想和黨的十九大精神，積極應(yīng)對新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，教育部積極推進“新工科”建設(shè)［1］，引領(lǐng)國內(nèi)高校分層面分階段探索中國特色工程教育的發(fā)展模式。在“新工科”理念指引下，高等工程教育通過重構(gòu)人才知識體系、強化實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)、改革創(chuàng)新評價體系等途徑，積極探索新時代工程教育強國建設(shè)新體系。

高校實驗中心作為人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實踐平臺，尤其在高素質(zhì)人才的綜合培養(yǎng)中起到舉足輕重的作用［2］。但是，目前各高校實驗教學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生創(chuàng)新實踐能力和分析解決實際問題的能力還有待進一步提高，部分畢業(yè)生未得到用人單位的普遍認可。為此，有必要開展新工科背景下高校實驗中心提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力方法的研究，以適應(yīng)新工科背景下對工程專業(yè)學(xué)生的要求。

1 新工科背景下學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

1.1 創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系欠佳，考核方法缺乏標準

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和知識的更新不斷加速，對工科類專業(yè)人才培養(yǎng)提出更高的目標和要求，目前的創(chuàng)新實踐教學(xué)體系并不完善、創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容之間缺乏持續(xù)性和系統(tǒng)性，只側(cè)重鍛煉學(xué)生的某一方面的知識或能力，缺乏足夠的工程應(yīng)用背景做支撐［3］。當前創(chuàng)新實踐教學(xué)的考核方式，絕大部分以實驗考試成績或?qū)嶒瀳蟾娉煽優(yōu)橹黧w，及實踐課出勤和平時表現(xiàn)為參考，考試手段單一，不注重過程考核，忽視了學(xué)生在實驗過程中參與及動手過程中的知識內(nèi)化過程，不利于對學(xué)生進行全面評價和創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，必須積極對創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系和實踐課考核方法進行必要的改革。

1.2 創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容更新不夠，教學(xué)方式單一

當前“新工科”背景下，高校創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式主要存在以下問題：①部分高校專業(yè)實踐課程內(nèi)容過于陳舊，沒有做到與時俱進，未結(jié)合最新的科學(xué)技術(shù)前沿等；各專業(yè)課程的實驗內(nèi)容之間缺乏統(tǒng)籌布局、不成體系，致使部分課程出現(xiàn)內(nèi)容重復(fù)、前后脫節(jié)等問題。②創(chuàng)新實踐教學(xué)手段仍舊傳統(tǒng)單一，主要采用教師講授原理結(jié)合現(xiàn)場演示，學(xué)生處于被動操作重復(fù)實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)狀態(tài)，忽視了學(xué)生的主動探究、動手實踐過程。

1.3 創(chuàng)新實踐平臺開放力度和信息化建設(shè)需改進

創(chuàng)新實踐平臺主要依托高校實驗中心教學(xué)實驗室，各高校教學(xué)實驗室仍然存在實驗面積小、實驗室開放力度不夠、缺乏科學(xué)的管理機制等問題，還需挖掘潛能，進一步提高實驗室使用效率，實現(xiàn)有條件的實驗室對本校師生開放服務(wù)，為學(xué)生提供課前實驗準備和課后實驗復(fù)習(xí)機會和保障，從而充分調(diào)動學(xué)生參加創(chuàng)新實踐和創(chuàng)新設(shè)計的積極性［4］。同時，高校創(chuàng)新實踐平臺信息化建設(shè)仍存在基礎(chǔ)薄弱，不夠規(guī)范化等問題［5］，相關(guān)專業(yè)軟件、實驗室優(yōu)質(zhì)資源共享存在局限性，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，高校實驗室信息化建設(shè)還需進一步加強。

1.4 創(chuàng)新實踐教師隊伍建設(shè)有待加強

“新工科”建設(shè)要求產(chǎn)教融合、校企合作，但高校實驗中心的專業(yè)教學(xué)教師絕大多數(shù)是從高校畢業(yè)后直接走上實驗教學(xué)工作崗位，缺乏企業(yè)實踐經(jīng)驗，加上高校對專業(yè)教師進行企業(yè)培訓(xùn)缺乏激勵和獎勵制度，導(dǎo)致教師提高工程操作能力缺乏動力和條件。另外，校企雙向師資交流機制和工學(xué)結(jié)合機制不夠完善，未能形成一支既有豐富扎實的理論知識又有嫻熟生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的專業(yè)師資隊伍。

2 新工科背景下提升學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力

新工科背景下，創(chuàng)新實踐能力的人才培養(yǎng)需根據(jù)用人單位實際需求和專業(yè)課程體系架構(gòu)等問題，將理論教學(xué)、工程實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)交互融合構(gòu)成一個有機整體，進而形成相應(yīng)的創(chuàng)新實踐能力人才培養(yǎng)機制。

為此，機械工程實驗中心在新工科背景下提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方法探究過程中，就如何提升學(xué)生工程實踐能力，進行深入思考并開展具體工作。

2.1 構(gòu)建“智能設(shè)計、智能制造、智能感知、機器人技術(shù)”四位一體整體布局

作為國家級實驗教學(xué)示范中心，機械工程實驗中心主要承擔機電學(xué)院6個專業(yè)的實驗教學(xué)與面向全校的機械工程基礎(chǔ)實驗工作，一直秉承“集中建設(shè)、共享資源、提高質(zhì)量”的建設(shè)理念，逐步完善管理制度，對實驗室不斷進行優(yōu)化整合，集中資源優(yōu)勢。從規(guī)劃建設(shè)、教學(xué)質(zhì)量及對外輻射作用。基于新工科背景下的目標要求，機械工程實驗中心依據(jù)2020培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱建設(shè)規(guī)劃提出以“智能設(shè)計、智能制造、智能感知、機器人”等方向進行實驗中心重新布局并組織實施（見圖1）規(guī)劃待開發(fā)的虛擬仿真實驗項目；這對于提高學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)以及實踐能力有著事半功倍的效果。

圖1 機械工程實驗中心四位一體建設(shè)方案

機械工程實驗中心通過分析“圍繞智能制造國家戰(zhàn)略”“滿足智能制造產(chǎn)業(yè)需求”“面向科技前沿社會發(fā)展”的新工科需求，以機械工程和人工智能為智能裝備的載體，構(gòu)建智能感知、智能設(shè)計、智能制造、機器人技術(shù)實踐體系，通過打造“機械創(chuàng)新設(shè)計”“現(xiàn)代制造技術(shù)基礎(chǔ)”等設(shè)計制造綜合實踐課程和“Python編程基礎(chǔ)”“人工智能基礎(chǔ)及應(yīng)用”等信息控制實踐課程，分階段設(shè)置設(shè)計模塊、制造模塊和機電系統(tǒng)集成設(shè)計綜合實踐環(huán)節(jié)，實現(xiàn)智能裝備設(shè)計、制造和運維的核心任務(wù)。

機械工程實驗中心通過系統(tǒng)仿真工具如Matlab、Protus，硬件設(shè)計工具如AD、FPGA，軟件設(shè)計工具如C、Python、PLC和NI等現(xiàn)代工具構(gòu)建集信息獲取、信息處理、信息傳輸、先進控制和智能決策于一體的智能感知實踐體系，有效滿足本學(xué)院測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的分類培養(yǎng)個性化方案要求。

2.2 組織實踐技能競賽促進學(xué)生創(chuàng)新實踐能力

實踐技能競賽是實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標的重要手段，已成為高校專業(yè)認證、教學(xué)質(zhì)量考核的重要內(nèi)容［6］，學(xué)生在參加實踐技能競賽過程中可以提高創(chuàng)新熱情、團隊協(xié)作、各學(xué)科交叉運用等方面的能力，對突破學(xué)科專業(yè)壁壘，培養(yǎng)工程領(lǐng)軍人才，服務(wù)國家戰(zhàn)略新發(fā)展、構(gòu)筑國際競爭新優(yōu)勢具有重要的意義［7］。

機械工程實驗中心積極研究分析新工科人才培養(yǎng)目標與各類實踐技能競賽之間的關(guān)系，結(jié)合各專業(yè)最新培養(yǎng)方案實施情況，組織制定適合不同學(xué)科、不同年級學(xué)生參與的實踐技能競賽以及相應(yīng)學(xué)分管理政策，鼓勵學(xué)生積極參與實踐技能競賽并精心組織專業(yè)實踐教師進行全程指導(dǎo)，切實培養(yǎng)提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力。機械工程實驗中心2020年承辦參加實踐技能競賽情況如表1所示。同時，通過調(diào)研不同學(xué)科實踐技能競賽對創(chuàng)新能力提高的實際作用進而形成反饋來調(diào)節(jié)指導(dǎo)后續(xù)競賽形式，最終建立賽后評價機制（見圖2），可以看出，機械工程實驗中心賽后評價機制的建立不僅有利于指導(dǎo)教師在賽前明確參賽目標、賽后總結(jié)參賽經(jīng)驗，而且通過反饋調(diào)節(jié)在提高實踐技能競賽成績、分析評價創(chuàng)新實踐能力提高水平等方面具有實際意義。

表1 北京交通大學(xué)機械工程實驗中心2020年承辦／參加競賽情況

圖2 北京交通大學(xué)機械工程實驗中心學(xué)科競賽賽后評價機制流程圖

研究總結(jié)機械與電子控制工程學(xué)院參賽學(xué)生近3年參與全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON賽事及成績數(shù)據(jù)情況，2018年至2020年參賽學(xué)生平均成績在畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)方面相較于班均分提高率分別為21.7%、28.9%、29.4%，可以發(fā)現(xiàn)參賽學(xué)生在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的成績普遍高于所在班級平均分數(shù)，尤其在生產(chǎn)實習(xí)期間參賽學(xué)生成績相對更高，可見通過實踐技能競賽鍛煉后的學(xué)生掌握技能和解決實際工程問題的能力大有提高，已得到實習(xí)公司負責人的高度評價和普遍認可。

2.3 加強實驗室開放促進學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提高

實驗中心實驗教學(xué)對于“新工科”建設(shè)培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才和提高工程教育質(zhì)量具有不可替代的作用［8］。積極探索可行的實驗室開放管理模式、建立健全實驗室開放規(guī)章制度能夠有效促進學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)［9-12］。機械工程實驗中心根據(jù)學(xué)生實際需求、實踐教學(xué)內(nèi)容和多年實驗室開放模式的探索經(jīng)驗，形成一套適合自身實際情況的實驗室開放管理模式和運行機制。①實驗內(nèi)容引導(dǎo)型。校內(nèi)學(xué)生可根據(jù)自身需求在課余時間申請進入實驗室進行實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)、實驗設(shè)備調(diào)試和實驗項目補做等工作，極大地提高了實踐興趣和自由度；②實驗項目引導(dǎo)型。實驗中心在實驗室開設(shè)了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、綜合性實驗研究項目、學(xué)科競賽類項目等設(shè)計類專題研究活動，根據(jù)實驗室條件，在實踐專業(yè)教師指導(dǎo)下或自行開展發(fā)明制作、專利論文等科研活動［13］；③實驗自習(xí)引導(dǎo)型。實驗室除了利用現(xiàn)有條件開展創(chuàng)新實踐活動之外，還專門設(shè)立學(xué)生自習(xí)區(qū)供學(xué)生自習(xí)學(xué)習(xí)使用，不僅提高了實驗室使用效率而且緩解了學(xué)期末自習(xí)室學(xué)生扎堆復(fù)習(xí)的壓力，可謂一舉兩得；④實驗設(shè)備引導(dǎo)型。為滿足開放性實驗要求，實驗中心推出新進設(shè)備參觀和常規(guī)設(shè)備實驗驗證等服務(wù)，學(xué)生可通過申請參觀諸如虛擬仿真、庫卡（KUKA）機器人等新型實驗設(shè)備又可以通過常規(guī)實驗設(shè)備驗證專業(yè)理論課相關(guān)知識原理，激發(fā)了學(xué)生實踐創(chuàng)新的興趣，提高了實驗設(shè)備利用率。

2.4 通過虛擬仿真等信息技術(shù)改革實驗教學(xué)方式

實驗中心積極推進虛擬仿真等信息化建設(shè)，現(xiàn)建有國家級虛擬仿真實驗項目：高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗平臺［14］。該虛擬仿真系統(tǒng)緊跟高速動車組最新發(fā)展，利用虛擬仿真技術(shù)和任務(wù)驅(qū)動方式構(gòu)建實驗教學(xué)項目，學(xué)生針對多場景、多輸入的實驗環(huán)境，開展自主探究式實驗，大大地激發(fā)了學(xué)生參與實踐創(chuàng)新活動的主動性和積極性。同時該項目將進行持續(xù)建設(shè)，不斷更新、豐富動車組車型案例資源，優(yōu)化仿真實驗操作過程，增加交互環(huán)節(jié)，同時改善軟硬件條件（如購置高性能服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等），結(jié)合使用者反饋意見，不斷提高網(wǎng)絡(luò)連接速度和用戶體驗效果。同時面向全國的高校、特別是針對中西部高校相關(guān)專業(yè)師生和軌道交通行業(yè)的社會人員開放，有效提高各類學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

3 結(jié) 語

“新工科”建設(shè)是新時代高等工程教育深化改革應(yīng)對新環(huán)境新技術(shù)的重要實現(xiàn)途徑［15］，而高校實驗中心作為“新工科”背景下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的實際基地，對于本科教育和人才培養(yǎng)具有主要支撐作用。

實驗中心在構(gòu)建“智能設(shè)計、智能制造、智能感知、機器人技術(shù)”四位一體整體布局方面、學(xué)科競賽開展情況、實驗室開放管理和虛仿項目建設(shè)等建設(shè)規(guī)劃取得了一定實施效果，今后將進一步探究“新工科”建設(shè)背景下提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的方法，全方位服務(wù)大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動的開展工作，培養(yǎng)更多服務(wù)經(jīng)濟發(fā)展的新工科人才。同時為國內(nèi)同類兄弟院校提供可以參考借鑒。