工程創客教育模式下的綜合性工程訓練課程改革建設實踐

劉利剛，宋佳秋，韓雪艷，王雪姣，侯培國

（燕山大學 工程訓練中心，河北秦皇島 066004）

新一輪科技革命和產業變革催生了新業態，新業態的發展對于工程教育的改革提出了新的要求[1]。2017 年2 月和4 月，教育部在復旦大學和天津大學分別召開了高等工程教育發展戰略研討會，形成了新工科建設的“復旦共識”和“天大行動”。同年6 月，新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議在北京召開，與會專家審議并原則通過了《新工科研究與實踐項目指南》，形成了新工科建設“北京指南”，與“復旦共識”和“天大行動”共同構成了新工科建設的指導性文件[2-4]。在新工科建設背景下，工程人才培養結構的要素以及培養理念目標都發生了變化，工程實踐是工程教育的重要組成部分，工程訓練中心是實現工程實踐教育的重要載體。智能制造工程教育實踐性教學環節規范性要求指出：“工程訓練是培養學生工程實踐能力、系統工程意識的實踐性基礎課程，通過系統的工程實踐訓練，使學生獲得對機械、電子、信息、管理等專業技術在工程中融合和應用的感性認識和體驗，提高工程意識，質量、安全、環保意識和動手能力，為相關理論課和專業課學習奠定必要的實踐基礎，對培養學生工程實踐能力發揮著獨特作用?！盵5]

2022 年2 月，清華大學基礎工業訓練中心牽頭成立教育部工程創客教育虛擬教研室，聯合全國200 余所高校的工程訓練中心，共同推動工程創客教育的發展，深度融合工程實踐教育和創新創業教育。燕山大學工程訓練中心積極響應虛擬教研室的建設，持續推進項目驅動式的實踐教學改革[6-8]，以培養新型高素質工程師人才為使命，積極開展基于工程創客的工程實踐教學改革，通過“1+2+5+N”的融合方式，建設具有“三融、三合、六創新”特色的實踐課程模式，面向新業態、新工科，探索“問題導向、項目驅動、賽教融合、跨專業創新實踐”的綜合工程訓練教學體系，服務國家創新驅動發展戰略和制造強國戰略。

1 課程改革的理念與思路

多專業融合是促使工科學生更廣泛接觸工程師相關業務概念的一種有效方式，其將參與創新創業相關的真實項目、體驗式活動納入高校工科人才培養實踐體系[9]。創客的特質是創新、實踐與分享，注重學生在實踐中學習并創造性地使用。高校需基于工程化項目主題導向，結合產業化實踐教學情境，開展工程實踐創客教育，使學生在基于創造的學習過程中，主動思考和自主探究，在分析與解決問題的過程中產生、驗證、實踐團隊的創新設計，在提高學生問題解決能力的同時培養其創新創業的工程素養。大學生科技創新競賽作為面向在校學生的群體性科技創新實踐活動，與創新創業教育緊密關聯，是大學生提高實踐能力、增強創新意識以及提高綜合素質的有效環節，在高校創新人才培養中具有重要作用[10]。高校需從學生“知識、能力和素養”全面發展著手，將競賽項目有機融入工程訓練教學過程，創建符合新工科“融合、集成、創新、共享、智能”特色的實踐項目課程，構建工程實踐與創新教育平臺。

工程訓練中心是實現課程思政教育最有效的場景之一，無論是腦力勞動還是體力勞動，實踐性是其第一特性。在實踐環節，學生以完成項目為主線，在生產的各個環節強化理論與實踐的結合，提高實踐創新能力和工程素養。

2 課程改革的實施

在學科交叉融合背景下，新工科工程訓練實踐創新教學的目標是培養具有動手能力、創新能力和解決復雜系統工程問題能力的人才[11]。一是以專業素養為核心，培養引領行業發展的復合型人才。目前側重“專才”教育的培養模式缺乏多學科交叉融合平臺，學科之間聯系較少，學生缺乏大局觀和學科引領意識，因此，高校應設立“跨專業+跨學科”的多元化培養體系。二是以鍛煉本領為導向，培養學生的科學實踐精神。鼓勵學生在理論學習和實踐探索過程中大膽創新、勇于創造，切實提高解決實際問題的能力，增強本領。三是以全面培養人才為指導，建立綜合素質養成機制。工程實踐教學內容豐富，具有綜合素質培養的屬性。圍繞以上目標，燕山大學工程訓練中心重構了課程的教學內容，改革了教學模式，確立了新的課程評價體系，并有效發揮思政教育的育人作用。

2.1 課程內容的改革措施

綜合性工程訓練課程共240 學時，其中金工實習部分為160 學時，電子工藝實習部分為80 學時。課程團隊32 名教師中，14 人負責課程教學和研討授課，全員參與小組實操實訓課程，為工科學生大三、大四的專業學習夯實工程實踐基礎。授課內容包括產品設計、軟件工具使用、制造技術、工藝知識、控制技術和工程倫理等。

不同專業，如機械、電氣、材料等，對學生在金工實習、電子工藝實習課程的培養要求不同，因而，對不同專業學生，應采用不同的教學內容開展實踐教學。對于機械類學生，應側重機械設計、加工等環節的教學和實踐，以增強其綜合運用多種加工方法解決較復雜機械工程問題的能力；對于電氣和信息類學生，應重點進行電子元件的知識理解、功能模塊的設計組裝、控制方法學習、控制程序編寫等，以培養其綜合運用電工電子知識解決較復雜電控工程問題的能力。因此，實踐項目中的機械、電氣控制和程序控制三方面內容要具有開放性（或稱柔性），以促進不同專業學生實習實踐教學的有效開展。

2.2 課程的具體實施過程

燕山大學工程訓練中心根據課程特點，面向同時開設金工實習和電子工藝實習的專業，通過“1+2+5+N”的實現方式開展動態融合課程改革的具體實施。課程以智能車創新項目為中心，融合金工實習和電子工藝實習兩個實踐教學課程，設置入眼、入心、入腦、入門、入行“五入”達成環節，融入“N”個思政元素，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，培養學生對產品設計、制造全過程的認知、實踐和總結輸出能力，使理論教學、基礎工程訓練和創新工程訓練相結合。教師通過學習通平臺構建豐富、實用、共享的課程資源，引入線上線下混合教學模式，通過創客教室、加工社區，為學生開展自主探究式學習提供機會，促進師生交流，鼓勵學生課后在創新工坊開展實踐探索，拓展實踐教學的新渠道，具體的課程方案如表1 所示，思政融入的詳細設計如表2 所示。

表1 智能車項目“1+2+5+N”動態融合綜合訓練教學方案

表2 智能車項目各環節思政融入的詳細設計

2.2.1 項目前期：達成“入眼”

教師通過學習通平臺提前布置預習任務，發布項目任務文檔、智能車項目指導書，展示前幾批學生的優秀作品VLOG，提高學生的學習積極性和參與度。課程同步建立“理論+實驗”“雙師型”指導團隊，保障每個班、每個組都有專業教師負責指導。

2.2.2 項目基礎實訓階段和方案設計階段：達成“入腦”

金工實習有鑄造、車削、銑削、3D 打印、激光切割、加工中心等10 多個基礎實踐教學模塊，在基礎實訓環節中，教師主要讓學生熟練掌握各種工具的使用方法，樹立安全操作的意識。在實訓中，教師以解決問題為抓手，培養學生的動手能力，鼓勵學生多觀察、多提問、多創新，嵌入6S 管理理念，培養學生的規范意識，樹立正確的勞動價值觀，養成好的勞動品質。方案設計階段包括智能車方案結構設計及工藝編制，采用教師講解導入和學生自主探究學習的教學模式。教師講解剖析典型智能車結構設計和加工工藝，要求學生完成自主創新設計，在現有成本的（固定虛擬貨幣）條件下，完成產品的加工制作，培養學生成本意識。

2.2.3 項目加工制作、裝配階段：達成“入心”

項目的加工過程是以學生獨立自主動手操作為主的教學環節，要求學生在智能車的主體結構包括車體和車載附件兩部分，實現簡單的電氣控制，體現機械和電氣的交叉融合。車體的加工制作必須融合傳統加工工藝和現代加工工藝（既要包括傳統的普通車床、銑床、鉗工等加工方式，也要包括先進的數控機床、多軸加工中心、激光切割特種加工等）?？傃b環節是加工制作的最后一道工序，所有的加工問題會在該環節集中體現。通過該環節，引導學生明白什么是加工精度、裝配精度，建立精度意識，發揮課程思政育人作用。

2.2.4 項目電控調試階段：達成“入門”

智能車機械部分的加工和裝配完成以后，進入電控環節，即傳統課程中對應的電子工藝實習部分。電控環節實現的主要功能為：使用手機藍牙App 控制智能車前進、后退，并具有屏幕指示功能和信息采集功能。在項目實施過程中，核心板為STM32F4X1 系列，開發環境為MicroPython，系統板固件集成數碼顯示管、點陣、液晶屏、溫濕度傳感器等模塊的初始化程序，后續添加按鍵、藍牙、霍爾傳感器等模塊。模塊搭建需要學生綜合考慮車架面積及空間，合理安排各模塊位置，因此，學生還需要掌握一定的布線和焊接技術。

2.2.5 項目答辯：達成“入行”

考核方式為金工和電工單獨考核，采用項目答辯、推優評選并舉的考核方式。該環節考核學生工程素養，包括團隊合作、協調交流、寫作表達等綜合能力。

2.3 課程的教學方法和手段

以學生為中心，重組教學模式，采用多種先進的教學方式，充分調動學生的學習積極性，提高教學質量和教學效果。

2.3.1 混合式教學模式

混合式教學模式充分利用了碎片化時間學習，將傳統課堂教學和在線教學兩者優勢相結合。學生分組完成小車制作任務，且每組制作小車各不相同，師生之間和生生之間以方案分析為切入點開展可行性討論，通過討論、思辨過程，教師引導學生發現問題、分析問題、解決復雜工程問題。

2.3.2 項目驅動式結合情境教學法

項目驅動式教學關注學生在“做中學”，注重理論與實踐的結合，符合新工科背景下的工程教育改革理念，有利于創新人才的培養，已成為實踐教學的有效方式。在這個過程中，教師要強調學生的自主學習意識，積極開展小組討論、協商，幫助學生制定合理可行的解決方案，培養學生合作與協調能力[12-15]。教師還需融合創客教室和加工社區，模擬企業真實的場景，設置具體的小組討論、設備租賃、成本分析及質量檢驗等環節，深度開展抽象思維與形象思維結合的情境式教學。

2.3.3 團隊式教學法

建立“雙師型”教師指導團隊，全方位保障學生在金工實習部分完成設計、加工、裝配、運行任務，在電子工藝實習部分完成硬件電路設計焊接、模塊編程、整車功能調試任務。

2.4 課程的考核評價

課程采用多元評價方法，運用過程性評價與終結性評價相結合的課程考核方式，具體分為金工實習實踐課程考核、電子工藝實習實踐課程考核和優秀項目團隊評選。

2.4.1 金工實習課程考核

在線預習與理論考試占10 分；課程過程考核占40分，考核的內容主要包括設備和工具的安全操作，學習紀律，小組進度安排，討論交流參與度，智能車設計、圖紙規范、工藝編制、成本預算等內容；智能遙控車機械加工與匯報占50 分，包含思政教育、勞動表現、答辯與表述等內容。各部分成績由指導教師團隊綜合給定，分A、B、C、D 四個等級，每個等級對應相應分值。實習結束后，教師將學生所有評價點得分相加，給出最終成績。

2.4.2 電子工藝實習課程考核

功能電路焊接技術基礎練習占20 分、智能車控制方案制定占40 分，包括基于STM32 嵌入式開發系統板的學習、功能模塊的調試使用等；整車組裝調試與匯報占40 分，包括實踐課堂表現、調試時間、故障分析、報告規范等內容。各部分成績也由指導教師團隊綜合給定，分A、B、C、D 四個等級，每個等級對應相應分值。實習結束后，教師將學生所有評價點得分相加，給出最終成績。

2.4.3 優秀作品評選

組織動態融合綜合項目答辯，評選出優秀項目作品、優秀小組和優秀指導教師團隊，在中心的公眾號等平臺推優展示，使師生獲得成就感，提高學生的學習積極性與參與度，同時正向激勵指導團隊的教師。

3 課程的實施效果及反思

3.1 課程的實施效果

3.1.1 建設具有“三融、三合、六創新”特色的課程模式，保障課程目標的順利達成

長期以來，金工實習、電子工藝實習各自的實踐教學內容相對獨立，中心設備資源和指導教師工程背景豐富的優勢并未得以充分發揮，學生在工程實踐教學上的能力培養效果未充分體現。經過課程團隊的精心設計，以智能車綜合項目為統一載體，通過“1+2+5+N”的過程，實現了跨學科交叉融合、教師教學資源的融合、創新競賽和教學項目融合的“三融”；開展了創客空間、加工社區和創新工坊的深度合作，即“三合”；其具有工程教育改革的新理念、新模式、新內容、新方法、新課程體系和新的課程考核方式六個創新性特征，如圖1 所示，充分發揮了工程訓練中心在培養大學生工程創新實踐能力方面的作用。

圖1 “三融、三合、六創新”的特色課程模式

3.1.2 學生展現出較強的創新實踐能力

2022 年秋季學期，開放式智能遙控車機械加工和程控設計訓練項目正式投入教學，從教學效果來看，機電一體化綜合實踐項目極大調動了學生的學習積極性，對學生和教師團隊進行了多方面鍛煉，學生反饋教學內容新穎有趣且豐富。結合創新工坊，學生積極參加課后拓展活動，部分學生完成的作品如圖2 所示，師生都感受到了實踐環節教學改革帶來的變化。

圖2 學生的綜合項目作品

3.2 課程的總結與反思

3.2.1 課程的成果

習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“堅持為黨育人、為國育才，全面提高人才自主培養質量，著力造就拔尖創新人才，聚天下英才而用之?！盵16]改革后的課程，從頂層規劃了高素質工程師培養體系的架構，全方位培養了學生的工業軟件應用、機械設計加工、團隊協作等實踐能力，提高了學生參與創新競賽的積極性。課程組教師指導學生參與多項學科競賽：在2021年中國大學生工程實踐能力與創新大賽中獲國家金獎1 項、一等獎1 項；在2022 年河北省工程實踐能力與創新大賽中獲特等獎5 項。課程團隊榮獲了首屆全國高校教師工程創客教學能力大賽特等獎。思政教育發揮了協同育人優勢，課程及教學團隊獲批校級思政示范課程及團隊，充分展現了創新與匠心的同向同行。

3.2.2 課程的反思

改革后的工程訓練課程在教學效果和教學成果上有明顯的提升，但經過課程組總結和反思，課程還需要從以下幾個方面進一步探索：

（1）課程設計。著眼全局，做好頂層設計，基于智能制造平臺，增設信息類數字內容的融合。擬建立機電信息相互交叉融合的模塊課程，強調課程的深度與廣度。

（2）內容拓展。車載附件機構不斷更新拓展，避免重復性，增加挑戰性。

（3）教學方法。靈活多變，多元互動，師生共進。

（4）思政案例。精挑細選，合理布局，契合教學培養目標，持續改進，與時俱進。

（5）思政考核。合理設置考核環節，多維度體現五育并舉的思政效果。

4 結語

在新工科、新業態的背景下，燕山大學基于工程訓練中心整合新平臺，充分踐行賽教融合、工程創客的實踐教學理念，以創新競賽的智能搬運小車為抓手，對金工實習和電子工藝實習兩個實踐課程體系進行了重建，對實踐教學方式方法進行創新，進一步深化了實踐教學的項目驅動式改革，基于“1+2+5+N”模式的綜合性工程訓練課程建設實踐以來，產生了明顯的積極效果，知識技能覆蓋全面，提高了學生實踐創新能力和工程素養，培養了學生產品全周期的系統思維、閉環思維、高素質工程師的角色思維以及工程倫理素養，學生在創新實踐活動中取得優異成績，課程團隊的教學能力獲得專家的認可。