動態融合項目式工程訓練改革實踐探索

宋佳秋，黃兆猛，侯培國，劉利剛

（燕山大學工程訓練中心，河北秦皇島 066004）

2017年2月，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，鼓勵高校積極開展新工科的研究實踐活動，深化工程教育改革。2018年9月印發的《教育部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》重點部署了加快建設高水平本科教育，全面提高人才培養能力。新工科建設行動路線第4 條也明確了“問學生志趣變方法，創新工程教育方式與手段”。在此背景下，全國高校的工程訓練中心積極研究實踐教學的改革方法，落實以學生為中心的理念，形成以學習者為中心的實踐教學新模式[1-6]。

隨著“卓越工程師教育培養計劃”“一流專業建設”等項目的開展，為適應新時代工科人才的培養，燕山大學把原分散在三個學院的金工實習、電子工藝實習、電工電子類實驗、計算機基礎等整合為新的工程訓練中心，以促進工科大學生的工程能力、工程素質、創新能力、團隊合作意識的全面提升。目前，中心的工程訓練實踐教學覆蓋學校75 個專業，年均培訓學生5 000 人（平均實訓2 周/人）以上。中心于2020年秋季學期全面開展以綜合實訓項目為載體，多種項目形式并存的金工實習新模式。構建金工實習開放式實踐教學模式，建立包含通識教育（基礎層）、綜合項目（提高層）、競賽項目（創新層）的實踐項目群，但在實踐過程中仍然存在基礎制造類各工藝間交融不深、競賽項目覆蓋面小、機電融合不足等情況。因此，分析工程訓練課程的特點，針對現有項目驅動教學模式下存在的問題，提出進一步的改革方案并實踐，為新工科背景下的工訓實踐類課程改革提供參考。

1 課程改革的理念和思路

項目驅動教學法是在建構主義理論的指導下，將教學內容與教學目標分解成一個個富有趣味性的真實任務，學習者通過完成對應的任務從而獲取相關知識與技能的一種開放式、探究式教學模式[7]。將這種教學方法引入到工程訓練中，突破了傳統的金工實習模式，強調以學生的主動學習為主，使學習者投入問題中，鼓勵自主探究，鼓勵對學習內容和過程的反思，通過多種學習途徑相結合，把學習設置到復雜、有意義的項目情境中，在教師指導下，學習者通過團隊合作來解決工程問題。

根據我校工程訓練中心的特點，課程組經過認真籌劃，引入“智能車創新項目”，將智能車的設計、制造、裝配、控制以及創新競賽內容融入實訓課程的全過程，以學生為主體，以實訓教師為主導，通過具體的項目實踐方案，打通理論教學、基礎工程訓練和創新工程訓練的壁壘，進而提升項目式工程訓練實踐教學對相關專業培養目標的支撐作用，使學生能夠綜合應用所學到的工程技術知識解決實踐工程問題，全面提升學生的動腦、動手和創新能力。融合后的課程方案如表1所示。

表1 動態融合工程訓練改革教學方案

“智能車創新項目”源自中國大學生工程實踐與創新能力大賽，該賽事是教育部高教司主辦的三大賽事之一，由教育部、工業和信息化部、中國工程院主辦。本課程的“智能車創新項目”小車，是基于“智能+”賽事的搬運小車部分原理，根據課程的培養目標，結合工程訓練中心在軟硬件裝備更新、基礎訓練、機電綜合項目創新開展等方面的內容，引入工匠精神、勞動精神、職業素養等思政教學內容，進行創新設計而得來，設計小車樣例供學生參考，原理如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 直線運動四輪車結構圖

圖2 直線運動四輪車成品圖

2 課程改革的實施

2.1 課程內容的改革措施

2.1.1 設計環節，增加機械設計三維軟件實訓內容，提升軟件應用水平

機械設計是機械生產的第一步，在機械設計中大量采用工程軟件技術進行設計和系統分析，為了讓學生盡早地接觸機械生產的全流程，首先需要提高學生的實際工程設計能力[8]。課程改革前，實行各工種的項目輪訓，沒有涉及三維設計軟件應用。如在制造小榔頭的實訓任務中，僅按示例圖紙加工即可；線切割工藝上使用的是設備配套CAXA 軟件，也僅是進行簡單的圖形編輯和手工指令。實行項目驅動式課程改革后，在實訓項目的初期階段，雖然有部分學生通過自主學習了Solidworks 等工程軟件，但是大部分學生還是需要教師引導。教師通過制作典型案例工程相關資料、快速入門學習視頻等，利用學習通平臺信息化工具，進行了軟件學習的數字化建設，從而使學生利用課余時間針對性學習，加快項目設計環節的進度，最大限度地釋放教與學的能量。小組研究討論小車的整體設計和零部件的加工方案，通過三維軟件完成整車建模，并結合制圖原理完成零件圖的繪制，通過工藝編制，最后完成了零件的加工及整車的裝配。

2.1.2 增加激光加工先進制造技術，緊跟制造業發展前沿

中心自2015年就十分關注先進的激光加工技術，開設了激光打標實訓教學模塊，取得了良好的實訓教學效果。2021年新增設了金屬類激光切割設備，與企業聯合主辦了激光加工技術培訓活動，為金工實習項目驅動式教學改革的開展提供了助力。在課程改革之前，學生如在項目中遇到一些傳統加工設備無法加工的復雜零件，常常通過更改工藝或調整成標準件的方法解決，耗時長且缺乏先進制造的實訓體驗。在課程改革引入激光切割工藝之后，與理論知識有機結合，通過對設備操作和工藝知識的學習，學生既可以實現創新創意零件，又可提升自身的創新設計和工程實踐能力，符合新工科背景下多學科交叉的實踐教學改革趨勢。

2.1.3 補充多種毛坯材料，拓展學生在機械制造空間的眼界和視野

隨著新技術的不斷發展，越來越多的新型材料被研究出來，這些新型的材料不但在性能上非常優越，而且在機械加工制造中有廣泛的應用空間。機械裝備由一個一個的零件裝配而成，因此為了更好地提升零件的綜合性能，目前新材料在機械生產制造中的應用也是非常廣泛的。新材料、新工藝為機械零件的加工提供了更大的創新空間。課程改革之前，項目中廣泛使用傳統的材料，如鋼板（棒）料、鑄鐵料、尼龍板（棒）料等，作為毛坯料，不能很好地調動學生的主動性去創造性地進行加工實踐，也限制了學生對加工制造中所用刀具、卡具等工具的認識。在課程改革進程中，先后增加了不銹鋼料、鋁合金板（棒）料、有機玻璃亞克力板料、玻璃纖維板料等，作為項目制作的毛坯料，供學生選擇，常規的機械加工方法工藝也大多通用，有利于學生對比分析不同的材料和加工工藝在加工零件上的優勢和局限。

2.2 教學模式的改革

2.2.1 以項目框架為主線重構課程結構

動態融合項目驅動式金工實踐的過程如圖3所示，力求金工實習課程與生產項目全周期結合，課程涉及10 個工種，在通過基礎通識教學環節全面了解材料成形、切削加工、特種加工工藝理論和應用的基礎上，本著保證產品質量、降低生產成本和提高生產效率的原則，在指導教師引導下，學生完成項目設計、零件的加工裝配及驗收答辯等過程。

以金工實習4 周為例，第1、2 周：基礎通識教育，熟悉各種加工工藝和方法，構思綜合項目并形成初步實施方案，參加線上理論測驗，同步完成智能車整車設計，其中機械類專業要求智能車具有抓取機構等控制附件的項目方案設計；第3、4 周：完成綜合項目涉及的工件加工及裝置裝配等工作,撰寫綜合項目報告，一般在實習的最后一天進行項目答辯考核工作。采用導師制，提供個性化的指導，從入場實習開始，進入中心開放項目平臺的學生都有導師對其進行（一般每組學生人數不超過6 人）指導，最終的考核取決于項目的難易度和完成度。工程訓練中心提供完成項目所需的條件，包括設備、儀器、工具、原材料、標準件等。從課程建設上，項目實施包含了從選題到完成的全過程，要求學生形成小組團隊，團結合作，分工明確，為達到預期項目效果，可按圖3步驟具體實施。

圖3 動態融合項目驅動式金工實踐課程過程

2.2.2 結合競賽，重視團隊的分工協作，強化大工程素養的培育

工程訓練實踐教學改革必須適應新形勢下工程教育和新工科的發展要求。多年來，金工實習的主要內容還都是學生按圖紙加工的教學方式，技能訓練使學生獲得的是知識和操作水平而不是創新能力，學生缺乏對實習過程的主動思考，不考慮工藝之間的關聯性[9-11]。改革后的課程，由學生建立小組團隊，完成從項目立項到產品制成的全過程，通過完成綜合項目，將多種加工方法和加工工藝有效結合，使學生在掌握基本操作技能的同時，了解產品設計、工藝設計、零部件制造和整機裝配等生產全過程。另外創新競賽的引入，充分激發了學生的創新熱情和動力[12]。

3 實施效果及反思

3.1 實施效果

3.1.1 合理的課程結構，線上線下混合式的教學方式，有效保障了小車項目的順利完成

原金工實習有14 個單向工種實訓任務，存在填鴨式教學的情況，學生缺乏對實習過程的主動思考，更較少考慮工藝之間的關聯性，在項目驅動式改革初期，學生自選工種加工，往往在工藝選擇上“避重就輕”，喜歡選擇3D 打印、線切割等操作技能相對容易的工種。通過本次“智能車創新項目”的引入，擬合不同大類專業的培養計劃，對設計內容和加工工藝進行了合理組合，見表2。

表2 小車部分加工零件工藝

將傳統學習環境和網絡信息化環境相結合，實現兩者的相互補充、相互促進。改革和轉變教師主導、學生被動的實踐教學方式，依托學習通平臺，搭建豐富、實用、共享的教學課程資源，實現開放式的學習空間，不再囿于實驗室和限定的學習時間，為學生的自主探究式學習提供機會，鼓勵學生在實習期間開展前置式、交互式的創新實踐探索。

3.1.2 賽教融合項目的引入，充分激發了學生的主觀能動性，展現了學生較強的工程實踐能力

項目驅動式教學關注學生的“做中學”，注重理論與實踐的結合，符合 CDIO 工程教育理念，有利于創新人才的培養，已成為實踐教學的有效手段。在這個過程中強調學生的自主學習意識，積極開展小組討論，協商、制定合理可行的解決方案，培養學生合作與協調能力[13]。在工程訓練實踐教學中引入項目驅動教學法，并將其與大學生工程訓練綜合能力競賽兩級驅動有機結合[14]，通過項目驅動融入知識點，通過競賽驅動拓寬知識深度和廣度，打破原來大三再開始參與競賽活動的慣例，使訓練內容變單一為綜合，從而使學生的綜合工程應用能力得以提高。

3.2 課程總結與反思

機-電深度融合綜合項目是在完成公共基礎課(或專業基礎課)學習后在金工實習和電子工藝實習階段設計的一個綜合實踐教學環節，是培養學生應用所學到的理論知識創新解決復雜工程問題的一次綜合工程訓練，并為畢業設計奠定基礎。經過總結與反思，該課程依然存在一些問題，比如在金工和電工實訓上，受學生課程安排限制，金工實踐環節和電工實踐環節分別在不同學期進行，這就存在綜合項目在空間和時間上融合緊密度不足的情況，另外金工實訓工種在項目工藝上具有一定的不平衡性，這些問題有待進一步探索實踐。

4 結語

為了適應新工科建設需求，基于工程訓練中心整合新平臺，充分踐行賽教融合的實踐教學理念，對金工實習課程體系進行重建，對實踐教學方法進行重組，改變了傳統的單一技能訓練模式，以動態融合工程訓練綜合項目為主線的實踐教學體系自構建以來產生了明顯的積極效果，知識技能覆蓋全面，提高學生實踐創新能力和工程素養的同時使其樹立崇高的勞動觀念，培養專精的工匠品格，讓工程實訓的勞育價值得到提煉和傳承。