韋思健 董寶光 張秀海 王蓓蓓 李屹 高英 彭進

摘?要：通識工程教育課程已成為大學通識教育課程的重要組成部分，與其他通識課程的區別在于是典型的實踐課程，學生在做中學、學中做，動手為主、手腦并用。開放教學模式課程單元建設的難度在于開放與傳統教學秩序的矛盾，通過優良的教學設計和組織執行，不斷提煉開放模式的教學規律，以及多維度的評價體系，可實現學生自由組隊開放創意選題，從市場調研和產品定位開始，經歷CDIO等步驟，完成創意產品的設計與制作全生命周期的工程體驗，塑造創造性勞動價值觀，培養工程能力和工程思維。

關鍵詞：通識教育；工程體驗；開放教學模式

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1?研究背景

通識教育越來越被國內外的大學所認可，且實施模式也越來越多，例如通識實驗班——書院、通識教育平臺課，但更多的通識教育內容則偏向于人文科學、社會科學和自然科學等類學科。隨著社會與經濟的發展，我國高等學校學生的專業分布開始發生一定的變化，越來越多的學生選擇非傳統工科專業，國外發達國家更是這樣。大學通識教育的構成也在發生變化，通識工程教育課程也成為其中的重要組成部分。

清華大學制造工程體驗課程面向全校不同院系學生，重點培養工程思維。課程通過在真實制造場景下制造全生命周期的體驗，傳授現代制造工程知識、培養工程思維和素養、塑造創造性勞動價值觀。每個學生在課程中可以任選一個實踐教學單元，體驗了解各種制造技術與方法以及工程理念。

創意設計與原型制造實踐單元是制造工程體驗課程的一個實踐單元，以一個智能電子產品（如藍牙音箱、手機無線充電器）的設計制造為核心，引導每個學生學習和體驗機械、電子設計技術以及機械電子原型制造技術，并適當引導學生發揮想象力開展一定的外延式創新設計。后期引入了項目選擇投票模式，投票選擇范圍包括涵蓋校園生活、學習、體育鍛煉諸方面，如安全手機無線充電器、自行車發電碼表、自動澆水的植物生長環境等。但學生的選擇一旦確定，教學模式仍然偏向于傳統的教與學的模式，教學內容相對固定，在開放、創新、學生自主參與、師生互動等方面相對欠缺。

2?研究思路

本次研究的目的是探索設計思維與傳統實踐教學相結合培養學生創新實踐能力的教學方法和內容，試圖在課程的開放創新等方面做一些有益的嘗試。新的單元課程目標調整為以設計思維為指引，以校園生活更便捷、更舒適、更文創為主題，開展創意設計與原型制造實踐教學。學生零距離接觸個性化智能產品設計與制作，從創意和市場調研開始，經歷產品構思C、設計D、實現I與運作O（展示發布）等步驟，完成一個個性化創意產品的設計與制作全生命周期的工程體驗，學習中不限專業，課程設置零基礎體驗機械設計、電子軟硬件設計、原型快速制造、新材料應用和制造工藝體驗環節，課程內容結合設計與原型快速制造、機械與電子、藝術與工程，提倡團隊合作，傳授現代制造工程知識，培養創新思維、工程素養，塑造創造性勞動價值觀。

基于上述目標教學內容做如下調整，拓展教學內容，更好地將設計思維教學與機械、電子設計和原型制造體驗教學相結合，增加新技術、新工藝、新材料應用體驗，給學生更系統的教學體驗。改革教學模式，讓同學們可以將自己的創意和想法付諸實踐，制作出屬于自己的獨一無二的作品。鼓勵和引導團隊合作，增加互動、討論，把簡單的教與學變成學生充分參與的高效教學過程。

開放教學模式的最大問題就是開放與秩序的矛盾，具體則體現在以下矛盾中，傳統的集中教學模式與學生個性化項目需求之間的矛盾；不同學科專業學生的知識結構與教學難度設置的矛盾，包括CDIO的全生命周期項目工作需求與教學時間和師資力量的矛盾。解決這個問題的核心在于做好教學設計和協調好教學組織與執行。

3?教學設計與組織執行

創意設計與原型制造實踐單元是一個涉及創意、機械結構、電子軟硬件、藝術造型設計與實現的實踐教學單元，項目要求自主創意。選課學生來源于清華、北大兩校的各個專業，如美術、社科、新聞、外語、管理、經濟、法律、電子、計算機、自動化、機械、車輛、能源等，即使是工科院系的學生，也往往是低年級的，技術基礎也很薄弱。因此，我們的教學設計采取的原則是集中講授實驗與個別討論指導相結合，團隊分工與基礎普遍體驗相結合，自己設計制作和外購零部件相結合。

3.1?單元教學第一階段：啟發思維與創新

本階段的教學目標是學生初步確定項目目標并組成團隊，教學設計從工程認知、創新思維、導引交流三方面著手。

在工程認知方面，通過概論課使學生初步了解課程目標建立制造工程的概念，并通過參觀訓練中心各個實驗室首次對各種機電加工技術有一個初步、全面的感性認知。

在創新思維方面，通過實物感受和設計思維講授與入門實踐環節進行，在實物感受環節根據單元主題（校園生活）選取購買了一大批市售的優秀智能家居產品，這些產品均較好地將物聯網等電子信息技術和產品痛點需求相結合，學生通過產品的使用，體驗、了解智能電子產品的優勢；往屆優秀項目介紹則使學生對項目研究流程有更清晰的認識。設計思維講授與入門實踐環節理論與實踐相結合，學生不僅可以系統了解產品設計基本概念及創意設計的思路和方法，還可以進行初步嘗試。

導引交流方面是本階段落實階段成果的重要手段，教師和學生團隊開展討論和交流，通過激發創意、組織團隊、市場調研、完善目標等步驟，最終完成立項報告的撰寫和討論分析。

每次課程結束前預留15分鐘進行總結并記日志，這是保障進度的關鍵手段，也是督促學生初步建立良好工作習慣、提升工程素養的基本步驟。

3.2?單元教學第二階段：建立創意目標與實現之間的橋梁

本階段的教學目標是學生通過學習和體驗各種設計和原型快速制造技術，完善項目實現方案，落實材料、模塊購買和自主加工設備和工藝選擇，最終形成項目中期報告。教學設計從如何構造機電產品講授與實踐、機電設計與原型制造技術體驗、智能電子技術實踐體驗三方面著手。

在如何構造機電產品講授與實踐方面，首先，通過講授使學生初步建立系統分析的理念，初步了解電子信息新技術（如物聯網、人工智能、大數據、自動控制等）、傳感檢測技術、機械技術在項目中的作用，認知典型的控制和計算核心、傳感器、執行器、電源、電池等零部件和零部件選擇思路。其次，通過典型智能產品拆裝實踐與分析進一步加深對上述問題的理解。

在機電設計與原型制造技術體驗方面，包括機械和電子兩個環節。機械環節的重點在于3D設計和快速原型制造技術體驗，3D打印和激光切割兩種常用快速原型制造技術的掌握為學生項目中機械結構和外形個性化制造打下良好的基礎，更復雜的常規機械制造手段將根據項目情況由教師個別指導學生運用。電子環節的設計部分的學習通過體驗和展示相結合的方式完成，電路原型制造與調試實踐則結合新材料（液態金屬）展示未來電子智造技術，這些安排則充分考慮了不同專業學生的基礎和需求，項目實現時則根據學生需求靈活使用外購和自制電子模塊。

在智能電子技術實踐體驗方面，包括物聯網技術應用實踐和人工智能技術應用實踐兩個體驗環節。這兩個環節讓學生充分感受電子信息新技術對世界的改變和建立在項目中使用這些技術的信心。

本階段的要點在于提高講授和實踐環節的教學效率，將更多的時間留給學生。教師課前要充分準備，選取高效有趣的教學實例，以講授為輔、實踐為主，并做好充分交流和討論以及良好的時間管理。

3.3?單元教學第三階段：創新目標的實現

本階段的教學目標是學生在教師指導下逐步完成創新產品的構建。教學設計從零部件的制造和運用學習、個性化軟件和電路設計與實現、產品原型組裝調試三方面著手。

在零部件的制造和運用學習方面，教師指導學生運用前期學習的設計技術（如SolidWorks軟件和3D結構設計方法）設計個性化產品結構或外殼，制造更多使用前期學習或體驗過的典型原型制造技術（如3D打印、激光切割等）。在設計制造過程中，注意結合講解和迭代體會工藝（如公差等）對設計與制造的影響。同時，根據學生產品的需求不排除外購和外加工等零部件實現手段，對于外購的零部件，需要通過查找獲取資料、學習、師生探討等步驟逐步了解、掌握乃至運用到產品中。不管是自己制造還是外加工、外購都是對學生自己解決問題能力的一個鍛煉。

在個性化軟件和電路設計與實現方面，基于前期智能電子技術實踐體驗環節的學習，結合各個項目的個性化需求，指導學生更多使用開源軟硬件（如Arduino等）完成項目的智能化設計。

在產品原型組裝調試方面，強調分級目標的實現與迭代相結合，引導學生先完成基本目標，并在課程時間允許的條件下，逐步向更高級、更完善的目標努力。

本階段的要點在于需要指導教師充分參與到學生團隊的工作過程中，師生共同討論和交流，實施個性化指導，同時每課總結，確保課程進度和目標的完成。

3.4?單元教學第四階段：思考、總結和展示

項目制課程的組織與競賽團隊指導有很多相似之處，除了學生基礎和參與面不同之外，教師更多地引導學生進行思考和總結也是重要的不同之處。在結課前專門安排時間用于思考和總結，要求學生在結課時提交作品設計與制作創新報告、項目匯報視頻和匯報PPT，同時進行產品展示與答辯，單元課程的全體學生和教師都參加展示與答辯。通過對每個項目的點評、思考、討論、交流，不僅使得各個項目的收獲、體會乃至教訓分享給更多的人，而且對學生的工程思維、工程素養、創造性勞動價值觀的建立和提升起到尤其重要的作用。

4?教學評價和課程延續培養探索

4.1?評價方式創新

實踐性課程常見的評價方法包括過程評價和結果評價兩種模式，兼顧過程和結果的評價方法較少。評價的主體一般是教師，也有少量的學生互評，相對而言評價的視角較窄。在上述單元課程的期末產品展示與答辯環節的評價中采取了投票模式，兼顧了過程評價和成果評價。

投票是一種簡化評價模式，參與者更容易表達傾向性。具體執行時，評價對象為單元某課號的各個項目組學生，評價人為單元某課號各個項目組學生、指導教師、單元其他課號項目組學生。某課號各個項目組學生在同一時間段上課，他們的評價包含學生自評和互評因素，指導教師的評價包含指導者、產品受眾兩個角度，而單元其他課號項目學生的評價則屬于受眾角度，但比一般受眾對項目理解得更深。學生和教師投票總權重設定為1∶1，使得投票結果包含更豐富的評價信息，評價更真實、公平。

4.2?課程延續培養

除了用于課程成績的評價投票外，課程還舉辦最佳項目的評選投票，全體教師和學生都是一人一票，更多的是體現了教師和學生從產品受眾角度對項目的認可程度，尤其在項目的創新性和可實現性方面的認可程度。根據投票結果，課程嘗試繼續支持學期最佳項目評選前三的項目，指導學生開展后續的研究與完善，進行課程延續培養。

5?思考與結語

通識教育中的通識工程教育是通識教育的重要組成部分，通識工程教育有很多形式，對于非工科和低年級學生，基于實踐的通識工程教育是一個很好的形式，對于培養學生的工程思維、工程素養、創造性勞動價值觀具有非常重要的作用。對于通識工程教育，僅僅說教是不夠的，一定要從現實問題出發，分析問題，解決問題，激發學生的興趣和參與積極性。但如何設計課程尤其是其中的實踐教學單元仍然有很多問題需要解決，雖然在之前的工作中做了一些嘗試，并取得了一些成果，但是如何在教學中契合課程目標，引導學生興趣并挑戰自我，還有很長的路要走。希望通過我們的持續努力，給學生提供更好的課程。

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基金項目：2021年度清華大學本科教育教學改革項目“構建通識工程教育課程單元——創意設計與原型快速制造”（編號：ZY01_02）

作者簡介：韋思健（1967—?），男，壯族，江蘇揚州人，工學士，高級工程師，研究方向為電子實踐教學、電子設計自動化、物聯網、虛擬儀器等。