新工科下“五維三坐標”式工程訓練教學體系探索

林曉亮，鄧小雷，翁盛檳，黃云峰

（衢州學院 工程實訓中心，浙江 衢州 324000）

引言

當前，“中國制造2025”“人工智能”“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”倡議的實施是加快新技術應用、新人才培養(yǎng)的重要牽引力，高質量人才教育成為我國新經(jīng)濟發(fā)展強大的驅動內(nèi)核［1-2］。為適應新經(jīng)濟發(fā)展需求，國家大力推進新工科建設，全力探索工科教育的新模式和新方向。高等工程教育是新工科建設的重要突破口和切入點，“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”都預示著高素質綜合型新工科人才是未來經(jīng)濟飛躍發(fā)展的希望［3-4］。工程訓練是我國在進行高等教育改革發(fā)展歷程中的實踐教學新型模式。近幾年來，工程訓練已然成為院校規(guī)模最大、受眾學生最多的重要教育教學資源，具有通識性、實踐性、創(chuàng)新性等教學特征，是培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力與綜合素養(yǎng)的重要教學環(huán)節(jié)［5-6］。工程訓練教學體系的構建和實施對于新形勢下高素質復合型人才的培養(yǎng)起著關鍵作用。

一、工程訓練教學存在的問題

目前，許多高等院校尤其是地方性院校的工程訓練教學存在諸多問題：（1）工程訓練教學目標理念依然停留在車銑刨磨等傳統(tǒng)加工方法上，缺少系統(tǒng)性、多層次、跨學科的綜合實踐訓練；（2）工程訓練中心建設不夠科學合理，缺少開放便捷、交叉融合的自主創(chuàng)新實踐平臺；（3）教學模式固化，知識體系陳舊，技術傳統(tǒng)、形式單一，工程訓練深度不夠，部分學生眼高手低、實踐能力不足；（4）師資力量薄弱，教學模式老套，學生被動接受知識；（5）工程訓練內(nèi)容與業(yè)界生產(chǎn)實際脫節(jié)，課程知識缺乏先進性和前瞻性。傳統(tǒng)教育理念在部分地方院校已固化成定式，國內(nèi)各高校工程專業(yè)的工程訓練教學體系和模式基本不能完全適應新工科建設的要求，致使許多畢業(yè)生無法勝任新經(jīng)濟、新技術、新模式的崗位需求。

從長遠來看，高校要培養(yǎng)復合型人才，就必須發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工程教育的深層次問題，發(fā)掘有用資源，將應用型教學模式與創(chuàng)新型實踐相結合。校企聯(lián)合，多平臺、多資源協(xié)同，積極探索新工科背景下新型工科人才的培養(yǎng)模式和教學體系，有效解決傳統(tǒng)工程教育在實踐教學方面存在的問題，從而促進高等工程教育教學的轉型升級。

二、國內(nèi)外工程訓練教學體系情況

國內(nèi)外諸多重點高校在工程訓練教學體系構建方面從自身情況出發(fā)，面向新型人才培養(yǎng)理念，在新技術引進與應用、工程訓練中心建設與工程實踐教學實施等方面做了諸多的嘗試和探索。芝加哥大學在工程實踐教育方面?zhèn)戎貍€性化、研究型教學，突出“學”的融合性模式，施行學科交叉教育研究和教學實踐［3］；斯坦福大學以能力教育為先，圍繞工程能力培養(yǎng)，施行開環(huán)式、軸翻轉式及目標式教學方式，為學生的職業(yè)生涯助力［7］；辛辛那提大學重視合作教育，通過建立校企交替運行模式，讓學生在校企之間每年進行三次輪換，分別完成學校和企業(yè)雙方的任務要求，是打通理論學習與實踐應用教育的典范［8］。上海交通大學將工程中心向創(chuàng)新中心轉型，形成“一體兩翼三橫四縱”體系，并將課程優(yōu)化為“早期、基礎、實踐、創(chuàng)新”階段性實施［9］；西安科技大學工程訓練中心融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與工程實踐教育，優(yōu)化資源、共享開放，建立“一教三創(chuàng)”的實踐教學平臺，為學校工程教育提供支撐［10-11］；山東大學整合工程訓練裝備資源，形成虛擬技術與數(shù)控加工實訓的聯(lián)合模式，利用信息技術構建網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)師生的便捷互聯(lián)互通［12］；湖南大學以卓越計劃、新工科建設為契機，針對師資隊伍優(yōu)化結構，拓寬渠道，向培訓“三師型”人才的高校及相關企業(yè)傾斜，聘請企業(yè)專家建立校內(nèi)外師資隊伍［6］。

綜上所述，國內(nèi)外對于工程教育體系的構建主要側重五個方面的內(nèi)容：（1）強調(diào)學科融合和學生創(chuàng)新培養(yǎng)的導向；（2）注重工程實踐教育平臺建設；（3）重視工程實踐教學中新技術的引入和應用；（4）側重復合型工程訓練教師隊伍建設；（5）堅持開放共享、校企合作的培養(yǎng)機制。由此可知，理念、平臺、模式、師資、機制五個維度是構建工程訓練教學體系的重要依據(jù)。

三、“五維三坐標”式工程訓練教學體系的構建

結合新工科建設對工程教育的新要求，就如何更好地發(fā)揮地方院校特色，緊扣地方優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，有針對性、有方向性地培養(yǎng)學生的工程能力與創(chuàng)新能力。從培養(yǎng)理念、平臺建設、教學模式、師資隊伍等方面對工程訓練的教育教學改革進行分析研究，從理念、平臺、模式、師資、機制五個維度出發(fā)，每個維度三個坐標定向，進行橫向覆蓋，縱向貫通，打造“五維三坐標”工程訓練體系，凝練“三位一體”化的工程教育培養(yǎng)目標理念，搭建三區(qū)綜合化的工程訓練平臺，構建三階遞進式的項目化教學模式，建設三型復合式的師資隊伍，打造三方協(xié)同式的產(chǎn)學研育人機制。“五維三坐標”工程訓練體系框架如圖1所示。

圖1 “五維三坐標”工程訓練體系

四、“五維三坐標”式工程訓練教學體系的實施

面向新工科建設方向，以工程實踐教育中新技術融合為著力點，通過深化工程訓練的教學內(nèi)容、升級工程訓練的教學方法，從目標理念凝練、訓練平臺搭建、教學模式構建、師資隊伍建設、育人機制打造五個方面建立并實施“五維三坐標”工程訓練體系，提升工程訓練教學能力，強化工程訓練內(nèi)涵建設，以培養(yǎng)滿足經(jīng)濟發(fā)展與社會需要的高質量綜合型人才。“五維三坐標”工程訓練體系的實施過程如圖2所示。

圖2 “五維三坐標”工程訓練體系的實施

（一）凝練“知識—能力—素養(yǎng)”“三位一體”化的工程教育培養(yǎng)目標理念

轉變教學思想，轉移教學中心，為學生學習情境植入工程文化元素，融合信息技術、網(wǎng)絡技術、虛擬技術等信息化教學手段，達成學生集知識、能力、素養(yǎng)于一身的工程教育目標，引領工程訓練教學。

1.轉變教學思想。將工程教育從單一傳統(tǒng)的教授轉變?yōu)槎鄬W科融合教育，在扎實的專業(yè)理論基礎上拓寬知識體系，不斷把新知識、新技術融入教育課程體系，加強高素質復合型人才的培養(yǎng)，提升學生對世界的探求興趣和對知識的汲取能力，促進學生自我能力拓展，形成綜合性成長形態(tài)，同時向校園與企業(yè)的雙贏合作傾斜，強化工程環(huán)境對學生全面提升的有效作用。

2.轉移教學中心。改變傳統(tǒng)工程訓練教學中“生從師帶”、被動模仿的程式化教學方式，將教學中心由教師向學生轉移，形成以學生為教學主體地位的模式，探索自主、合作、探究式教學，發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學習的主人翁精神，提高學生的自主學習能力和自我管理能力，促進學生對知識、技能學習的自我建構。

3.厚植工程文化。推進工程訓練中心的內(nèi)涵式發(fā)展，促進工程文化、思想政治文化的融合和構建，充分發(fā)揮思想政治教育在大工程氛圍營造中的強磁場效應，將工程文化滲透到學生思想中，培養(yǎng)學生愛崗敬業(yè)、吃苦耐勞的工程素養(yǎng)和工匠精神，使學生形成正確的勞動價值觀和面向未來的大工程觀。

（二）搭建“基礎加工—虛擬仿真—智能制造”三區(qū)綜合的工程訓練開放平臺

融合新興技術，建設包含“基礎加工—虛擬仿真—智能制造”三區(qū)綜合的工程訓練開放平臺，提升訓練中心基礎加工的自動化、數(shù)字化水平，搭建網(wǎng)絡化、可視化的虛擬仿真教學平臺，接軌現(xiàn)代化生產(chǎn)制造技術，創(chuàng)建信息化、智能化、柔性化的智能制造訓練區(qū)，并通過網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)優(yōu)質實訓資源開放共享，校企合作無縫對接。

1.完善基礎訓練。優(yōu)化訓練中心教學資源，在傳統(tǒng)加工技術的基礎上完善數(shù)控機床、加工中心等數(shù)字化控制技術裝備，打破工種孤立性訓練模式，對訓練項目及機床裝備進行合理設計和布局，形成系統(tǒng)性強、利用率高的基礎加工一體化訓練區(qū)，并增加激光加工技術實訓及快速成型技術設備，優(yōu)化傳統(tǒng)加工實訓，增設新型制造項目，完善制造技術基礎實訓。

2.拓展虛擬空間。引入“虛擬制造”技術手段，增加虛擬仿真實訓室及設備占比，補充現(xiàn)有實體資源，模擬焊接、鑄造、鍛造等高危、昂貴、有污染的實訓工種。通過虛擬平臺建設CAD、CAE、CAM系統(tǒng)化生產(chǎn)過程，將知識可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期的模擬生產(chǎn)實訓，讓學生掌握產(chǎn)品生產(chǎn)流程。擴展加工技術知識領域，通過虛擬化工廠，讓學生體驗生產(chǎn)車間的工作運行，了解車間管理和生產(chǎn)調(diào)度的相關知識。此外，發(fā)揮虛擬技術手段優(yōu)勢，打造實訓教學共享平臺，開發(fā)優(yōu)質虛擬實訓課程，實現(xiàn)優(yōu)質教育資源和教育成果共享，借助平臺信息通信技術和計算機網(wǎng)絡技術形成政校產(chǎn)教協(xié)同共建機制，使政策、教學、生產(chǎn)緊密結合，實現(xiàn)無縫對接。

3.啟動智能引擎。開啟“自動化生產(chǎn)”和“柔性制造”雙引擎，引進數(shù)字化產(chǎn)品加工設備和柔性制造生產(chǎn)線等教學設備，為學生設置“工程認知”和“技術實踐”實訓課堂，讓學生掌握機器人數(shù)控、個性化制造等方面的知識和技能，針對某一產(chǎn)品，以“智能化加工技能單項實訓+智能制造生產(chǎn)線綜合實訓”的模式進行布局，改變單一專業(yè)獨立實訓的現(xiàn)狀，實現(xiàn)多學科綜合實訓，打造機電學科交融、訓研一體的綜合性、先進性實訓平臺，為先進制造人才的培養(yǎng)和儲備提供有效保障。

（三）構建“基礎—綜合—創(chuàng)新”三階遞進的項目化教學模式

以項目化教學模式作為新技術應用的落腳點，發(fā)揮學科比賽、科研項目、校企合作等在工程訓練教學中的作用，通過學生對專業(yè)技能訓練的掌握和對新興技術的學習與運用，提高學生基礎技能，培養(yǎng)綜合實踐和創(chuàng)新能力。

1.夯實技能基礎。以實訓室開放項目、技能比賽等基礎實踐項目，加強學生基礎知識應用與技術實踐能力訓練，充分保證其技術掌握與技能鍛煉的基礎性、規(guī)范性及實用性，加固其專業(yè)理論基底，強化其動手實踐能力，實現(xiàn)其課堂理論與現(xiàn)場實踐的順利過渡和有效轉化，培養(yǎng)其穩(wěn)扎穩(wěn)打、扎實可靠的專業(yè)基本功，為提升綜合能力與創(chuàng)新能力打下基礎。

2.強化綜合實踐。打破學科壁壘，越過專業(yè)藩籬，開展綜合實踐項目，以校企合作項目為契機，通過項目訓練促進機與電的結合、設計與工藝的結合、加工技術與管理技術的結合，加強學生各學科知識的相互交叉、相互滲透、相互促進。對接企業(yè)開展技術服務與支持，形成新技術應用與驗證的第二學堂，將學生對企業(yè)綜合問題的技術參與應用實戰(zhàn)，作為提升學生知識融合能力、人機交互能力以及團隊協(xié)作能力的有效途徑。

3.挖掘創(chuàng)新潛能。重視學生的實踐能力、創(chuàng)新精神與成果創(chuàng)造之間的轉化，以科技競賽、科研課題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等作為訓練內(nèi)容，設計探究性課題，引導學生創(chuàng)新訓練，激發(fā)對本專業(yè)新興技術的研究興趣，使學生深刻了解和掌握專業(yè)技術發(fā)展前沿，在學生訓練團隊成果化與工程化實現(xiàn)的基礎上促進教學與科研的相輔相成，同時提升教師的科研和教學能力，加強教學體系和教學模式的協(xié)同改革，培養(yǎng)適應高新技術飛速發(fā)展和市場激烈競爭的高素質創(chuàng)新型高級工程人才。

（四）建設“技能型—科研型—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型”三型復合的師資隊伍

打造高水平技術應用型和信息化管理教學型師資隊伍，跟隨技術革新不斷優(yōu)化隊伍結構，為師資成長提供平臺和條件，并為教師工作構建教學效果導向性激勵機制，為教師隊伍的可持續(xù)發(fā)展和人才培養(yǎng)水平的不斷提升提供有力保障。

1.優(yōu)化隊伍結構。對照工程訓練人才培養(yǎng)模式，打造和調(diào)整配置科學、比例合理的工程實踐教學師資隊伍，注重引進工程實踐經(jīng)驗豐富、企業(yè)掛職經(jīng)歷較多的技術人員，配備高學歷、高職稱、在教科研等方面能夠發(fā)揮優(yōu)勢的研究型人才，聘請行業(yè)創(chuàng)新人才及創(chuàng)業(yè)精英等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實踐導師，同時注重增加一專多能的教師占比，拓展師資隊伍的學科背景，科學構建新老教師年齡梯度，形成健康的更替機制，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)教輔人員數(shù)量，提高教學管理和后勤保障的綜合能力，不同角色各司其職、各盡其責，以保障人才的高水平產(chǎn)出和高效率培養(yǎng)。

2.促進教師培養(yǎng)。穩(wěn)定工程訓練師資隊伍，實施教師發(fā)展戰(zhàn)略，為教師提供良好的提升環(huán)境，培養(yǎng)骨干教師，為教師個人發(fā)展提供平臺，在師資培養(yǎng)方面堅持德才兼?zhèn)浜湍芰颍瑢σ痪€教師在新技術、新理念、新工藝等方面加強提升，拓寬教師視野、拓展教學思路，使教師及時掌握行業(yè)動態(tài)，實現(xiàn)行業(yè)與教學發(fā)展的同步性。為教師實現(xiàn)個人價值創(chuàng)造條件，為實訓指導教師學歷提高和職稱晉升提供政策支持，確保隊伍綠色可持續(xù)發(fā)展，同時加強教師信息化教學培訓，提高教師對教學輔助新技術及信息化管理技術的有效掌握和靈活應用，提高教師教學實施和教學管理水平。

3.健全激勵機制。在崗位設置、聘任、考核、評優(yōu)評獎、職稱評定等方面建立健全各項規(guī)章制度，將實踐教學效果、教學研究成果、創(chuàng)新實踐效益、競賽指導獲獎等納入教師的崗位職責和獎勵制度中，調(diào)動教師工作積極性，建立教學效果評價指導體系，督促教師對教育教學的態(tài)度和情感、方法和策略等不斷調(diào)整，提高教學質量。鼓勵教師實踐教學成果轉化，將橫向課題研究、工程項目實踐、理論科學研究、專利論文成果、產(chǎn)學合作、社會服務等方面取得的效益用以激勵教師的成果產(chǎn)出。

（五）打造“校—企—政”三方協(xié)同的產(chǎn)學研育人機制

發(fā)揮政府調(diào)控作用，順應方針政策導向，驅動高校密切聯(lián)系地方特色產(chǎn)業(yè)，建立校企合作，打通校企之間的資源和技術交流溝渠，促進新技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)應用，打造“校—企—政”三方協(xié)同的產(chǎn)學研育人機制，形成平等互利、共生共贏的發(fā)展格局。

1.深化政府角色。政府部門是具有協(xié)調(diào)行業(yè)發(fā)展、指引人才流動、促進資源活化作用的重要角色，能夠為企業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)提出戰(zhàn)略性指導，為新工科工程人才的協(xié)同培養(yǎng)提供思路、政策、資金的支持，從而促進企業(yè)與學校的深度融合，推進校企合作辦學、合作研究及人才培養(yǎng)，深化政府角色，擔任高校與企業(yè)之間的“橋梁”，驅動、調(diào)控、監(jiān)督“校企政”合作，給“校企政”合作提供一片良好的土壤，通過“校企政”協(xié)同育人機制，確保工程人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)與達成。

2.共享校企資源。充分挖掘校內(nèi)訓練中心潛力，最大限度地提高設備的利用率，面向地方企業(yè)開展技術人員培訓和項目開發(fā)合作，學校點對點為企業(yè)輸送對口人才，企業(yè)建立校外實訓實踐基地，緊密結合生產(chǎn)實際，有計劃、有步驟地與高校建立專業(yè)人才培養(yǎng)合作和校企研發(fā)合作，并采用信息化、網(wǎng)絡化技術，逐步擴大企業(yè)在人才培養(yǎng)與技術創(chuàng)新領域中的參與廣度和深度，從而在人才儲備、技術儲備與創(chuàng)新發(fā)展等方面達成共贏。

3.共研技術項目。采用“雙導師制”培養(yǎng)模式，為學生配備校內(nèi)理論導師與企業(yè)實踐導師，開展項目化培養(yǎng)，企業(yè)出題，學校解題，以理論導師為項目主導，以學生為實施主體為企業(yè)提供知識和技術支撐，實踐導師指導學生為技術方案提供實踐應用與可行性驗證，促進科研成果的產(chǎn)品轉化，并以校企合作項目技術為案例展開工程訓練課程開發(fā)及學生畢業(yè)設計選題，充分發(fā)揮校企合作項目在技術開發(fā)及人才培養(yǎng)等方面的作用。

結語

“五維三坐標”式工程訓練教學體系通過轉變教學思想、轉移教學中心、厚植工程文化，凝練“知識—能力—素養(yǎng)”“三位一體”的工程教育培養(yǎng)目標理念，以完善基礎訓練，拓展虛擬空間，啟動智能引擎為實施舉措搭建“基礎加工—虛擬仿真—智能制造”三區(qū)綜合的工程訓練開放平臺；同步夯實技能基礎，強化綜合實踐，挖掘創(chuàng)新潛能，構建“基礎—綜合—創(chuàng)新”三階遞進的項目化教學模式；通過優(yōu)化隊伍結構、促進教師培養(yǎng)、健全激勵機制，建設“技能型—科研型—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型”三型復合的師資隊伍；聯(lián)動深化政府角色，共享校企資源，共研技術項目，打造“校—企—政”三方協(xié)同的產(chǎn)學研育人機制。“五維三坐標”式教學體系的構建可以為新工科背景下工程訓練的教學開展提供參考。