面向智能制造的創新型人才培養實踐教學體系的構建

王麗潔 張燕飛 徐德凱

［摘 要］從以學生為中心的教育理念出發，以全面提高學生解決復雜工程問題能力為目的，依托西安理工大學工程訓練國家級實驗教學示范中心的優質教學資源與高水平學科平臺，通過搭建以智能制造為核心的大學生綜合實踐教學平臺，構建集“教學實踐、綜合實踐與自主實踐”于一體、基于CDIO理念的“三級項目”實踐教學體系，以此提升大學生協同創新能力。

［關鍵詞］智能制造；項目式教學；實踐教學體系；協同創新

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）09-0014-05

新一代信息通信技術、人工智能技術與先進制造技術深度融合，開啟了智能制造新領域，給制造業帶來新的理念、模式、技術和應用，智能制造成為中國制造業轉型升級的新方向新趨勢[1]。制造業的巨大變革也帶來了本科教育理念上的轉變，亟須培養智能制造工程領域大量實踐能力強、綜合素質高的高層次創新人才和緊缺人才。

面對日益激烈的國際競爭，要深化教育改革，提高人才培養質量，努力形成有利于創新人才成長的育人環境。當前我國工程教育仍存在以教育教學為主、發展不均衡的情況 [2]，主要表現為部分學生數理及專業基礎知識扎實、邏輯思維能力強但工程思維能力、綜合運用能力、團隊合作溝通與交流能力不足。如何提升學生解決復雜工程問題的能力是對學生創新能力培養提出的新要求。

本文以智能制造工程專業為研究對象，依托西安理工大學（以下簡稱學校）工程訓練國家級實驗教學示范中心的優質教學資源與高水平學科平臺，通過搭建以智能制造為核心的大學生綜合實踐教學平臺，構建集“教學實踐、綜合實踐與自主實踐”于一體、基于CDIO理念的“三級項目”實踐教學體系，實現大學生協同創新能力提升的目標。

一、搭建以智能制造為核心的大學生綜合實踐教學平臺，構建綜合工程訓練體系

參照智能制造系統架構，依托學校工程訓練國家級實驗教學示范中心現有的實踐教學平臺，整合資源，搭建以智能制造為核心的大學生綜合實踐教學平臺，為大學生參與“科創”活動提供基礎技能、專業知識綜合應用的訓練。該平臺在支撐載體、培養體系、制度措施、創新文化等方面為學生創新實踐及專業發展提供保障。

工程訓練國家級實驗教學示范中心為學校獨立建制的教學單位，采取全面開放的運行機制。依托傳統制造、現代制造、電工電子技術、機電系統測試分析四大平臺及一個云計算中心，根據本科生理論教學進程及學生能力培養的階段性特點，構建了“培養學生基本工程素質的基礎工程實踐課程群，使學生具備初步工程綜合應用能力的綜合工程實踐與應用課程群，以及培養學生工程創新意識和能力的專業技術特色與創新實踐課程群”的分層次、多模塊綜合工程訓練體系。整個綜合工程訓練體系采用課內外相結合的模式，課內依托獨立設置的工程實踐課程實施教學，并根據綜合工程訓練體系劃分為基礎工程實踐、綜合工程實踐與應用、特色與創新實踐三個課程群，覆蓋全校所有專業，滿足學生創新實踐及專業發展的需求；課外活動通過學生科技競賽、創新實踐項目、科技社團與興趣小組活動進行。工程訓練國家級實驗教學示范中心工程綜合工程訓練體系如圖1所示。

二、構建基于CDIO理念的“三級項目”實踐教學體系

創新實踐教學方法，構建基于CDIO理念的項目式實踐教學體系——“三級項目”實踐教學體系。項目式實踐教學循序漸進，貫穿本科四年的教學活動。

（一）實踐教學體系構建原則

實踐教學課程體系構建應遵循以下基本原則：（1）特色性原則。特色是學校生存和發展的原動力，與時俱進的人才教育培養模式是實踐教學體系構建遵循的原則。（2）實用型原則。實踐教學體系的構建要充分體現專業崗位的要求，與專業崗位群發展緊密相關。（3）混合型原則。體現在教師類型混合、理論教學和實踐教學混合、教室與實驗室混合等多方面，打破原來按學科設置的傳統布局，對實踐教學設施進行重新整合，形成一體化混合實踐教學模式。

（二）CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），CDIO 模式把培養目標融入整個課程體系中，將每一個能力點要求具體落實到課程教學和課外活動中[3]。CDIO以全過程為載體培養學生的工程能力，包括工程科學和技術知識、終身學習能力、團隊交流能力和大系統調控能力等，進而提升學生解決復雜工程問題的能力。

（三）“三級項目”實踐教學體系

依據智能制造工程專業課程體系以及核心知識體系，構建以項目式教學為載體的實踐教學體系——“三級項目”實踐教學體系。

在“三級項目”實踐教學體系中，三級項目為課內項目。通過教學使學生具備運用本門課程理論知識解決一般工程問題的能力，加深學生對課程理論知識的理解，例如“智能移動小車控制”可以作為單片機及嵌入式系統課程的項目式實踐教學案例。

二級項目為課程組聯合項目。通過開展課程組聯合項目，培養學生解決較為復雜的工程問題，例如“面向任務應用的智能機器人系統設計”可以作為三門相關課程——單片機及嵌入式系統、智能裝備設計、機器人技術及應用的課程組聯合項目。

一級項目為畢業項目，即畢業設計。引導學生結合與智能裝備制造領域、科學研究、系統規劃、應用開發和運營管理等方面的實際案例開展畢業設計，使學生學會綜合運用所學知識技能、各種工具、手段和資源，解決實際生產中復雜的工程問題。

按照上述構建原則，建立了智能制造工程專業“三級項目”實踐教學體系。圖2為“三級項目”實踐教學體系案例。

（四）“三級項目”實踐教學體系實施方案

“三級項目”實踐教學體系在實施中是結合學校工程訓練國家級實驗教學示范中心的特色與創新實踐要求展開的。通過開展專業技術特色實踐和學生自主創新實踐，達到培養學生創新意識和能力、專業特長、自主學習能力、綜合能力的目的。

特色與創新實踐包括專業技術特色實踐和學生自主創新實踐，專業技術特色實踐對應專業課程，即實踐教學體系中的三級項目；學生自主創新實踐對應課程組聯合項目，即實踐教學體系中的二級項目。

目前，學校工程訓練國家級實驗教學示范中心開設的專業技術特色實踐包含四大類，涵蓋智能制造工程專業課程體系的實踐能力要求，為課內活動；學生自主創新實踐通過課外科技競賽、創新實踐項目、科技社團與興趣小組活動的方式進行，為課外活動。結合工程訓練國家級實驗教學示范中心的特色與創新實踐要求，確?！叭夗椖俊睂嵺`教學體系的有效實施，以課內、課外項目實施為主線，以學生為主體、教師為引導，通過團隊合作的方式完成項目，培養學生解決實際生產中復雜工程問題的能力?！叭夗椖俊睂嵺`教學體系實施方案如圖3所示。

（五）項目式實踐教學文件

項目式實踐教學的實施步驟通常包括提出教學項目、組建項目團隊、制訂項目方案、組織項目實施、進行項目評價等環節[4]。因此，教學文件的規范對項目式實踐教學的順利實施至關重要。通過“以落實為途徑”的教學大綱、“以規范為原則”的統一制式化課程教學文件，進行相關項目式實踐教學案例的設計，完成項目式實踐教學文件的編寫。項目式實踐教學文件包括項目教學大綱、項目任務說明書、項目課程教案、項目實施流程等。

在進行項目式實踐教學文件編寫中，要根據不同項目案例的特點，制訂詳細的實施流程。通過可執行的實施方案，將項目式實踐教學落到實處，并便于開展過程考核。例如，某二級項目的實施流程基本框架可以設計為資料查閱方案設計→三維設計仿真分析→電路設計軟件編程→零件加工裝配調試→團隊競賽匯報講演。

（六）多元化考核方式

項目式實踐教學評價應堅持能力本位，注重過程評價，考核目標從知識掌握轉向綜合能力提升，評價重點從個人考核轉向團隊評價，評價主體從教師為主轉向教師、學生和企業多方參與[5]。采用多元化考核方式，加強過程考核，改變單一考核模式，制定過程化考核評分細則，強化能力測評。例如，某二級項目的考核可以從項目研究、講解表達能力、團隊合作能力、知識掌握與運用情況、實踐操作情況、平時表現等多方面進行最終考核結果的評定。

三、實現協同培養

實現協同培養，即多學科專業間的協同培養、工程實踐能力與研究能力的協同培養、校際創新人才的協同培養、不同教育階段的協同培養。

（一）多學科專業間的協同培養

智能制造工程專業具有機械工程、控制科學與工程、計算機科學等多學科交叉背景。學校通過“優化理論課程體系，結合新理論與新技術、科研實踐中的工程實際案例等更新課程內容，建設優質信息化課程資源；開展基礎工程實踐—綜合工程實踐與應用—專業技術特色與創新實踐的分級漸進綜合工程訓練課程教學；開展教材與教學內容的協同性研究，將教學成果、科研成果寫入教材，為實施研究性教學提供知識載體；創新實踐教學方法，構建基于CDIO理念的項目式實踐教學課程體系”等多種方法，達到了多學科專業間協同培養的目的。

（二）工程實踐能力與研究能力的協同培養

學校現有教育部數控機床及機械制造裝備集成重點實驗室、陜西省機械制造裝備重點實驗室、陜西省現代裝備綠色制造協同創新中心、唐仲英大學生工程實踐能力培養基地等優質教學資源與高水平學科平臺，工程訓練國家級實驗教學示范中心采用課內課外相融合、基礎與創新相貫通的訓練方式，以及預約與開放相結合的靈活運行機制，吸引了學生的廣泛參與，實現學生工程實踐能力與研究能力的協同培養。同時以多層次科技競賽為牽引，積極構建國際化學生創新實踐平臺，開展自主性、個性化、研究性科技創新活動。

（三）校際創新人才的協同培養

工程訓練國家級實驗教學示范中心的創客教育基地聯盟、眾創空間—西理工/工創匯以“雙創”社團為依托，服務于學校各類工作與交流合作活動（科技競賽、招生宣傳、集聚資源、媒體宣傳等）。近幾年，學生“雙創”成果與項目成果在西安市科技活動周、中國·大西安國際創客節、西安教育博覽會等重要活動中得到展示，成為學校“雙創”實踐成果的亮點，提升了學校的社會影響力，相關成果在40余所高校得到推廣應用。西理工/工創匯已成為國家級科技企業孵化基地、陜西省和西安市的高校眾創空間，加強了校內各部門、各學科專業、高校與高校的協同合作，實現校際創新人才的協同培養，形成了良好的“雙創”生態。

（四）不同教育階段的協同培養

積極推動國內外交流，通過開展科技節活動、面向中小學生的科技創新夏令營等社會服務活動，使中學生進一步了解智能制造領域的科學問題和工程技術難題，激發他們的興趣，為以后其進行專業選擇、學業規劃奠定基礎。同時，本科生通過參加多層次科技競賽及項目課程學習，其工程實踐能力得到了提升，為其研究生階段開展研究打下基礎。通過進行高中生—本科生—研究生無縫銜接培養體系的探索，實現不同教育階段人才培養的協同。

四、結語

學校以提升學生解決復雜工程問題能力為目標，根據工程教育對人才培養的要求，整合理論教學與工程訓練的內容，基于CDIO理念，以產品研發到產品運行的生命周期為載體，通過“三級項目”實踐教學體系的構建，讓學生以主動的方式學習工程，并在實施過程中總結項目執行中的經驗。依托學校工程訓練國家級實驗教學示范中心現有的實踐教學平臺，整合資源，構建以智能制造為核心的大學生綜合實踐教學平臺，營造協同創新文化環境。

智能制造作為一個系統工程，強調數字化設計與制造、智能裝備、智能機器人、物聯網（工業以太網）、人工智能、大數據、云計算等關鍵技術的集成，涉及機械工程、控制科學與工程、計算機科學等多個學科。本文面向智能制造工程專業，在實踐教學平臺搭建等方面進行了多項實踐和探索。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳柳，姜華，薛韓玲，等.CDIO?OBE階梯式專業實踐教學體系構建和實施[J].科技與創新，2023（1）：178-180.

[2] 王桂林，李方偉.近五年我國高等工程教育的研究現狀與發展建議：基于2012—2016年研究論文的量化分析[J].遼寧教育行政學院學報，2018，35（2）：101-105.

[3] 汝驊.“三目標取向、三課堂聯動、三層次遞進”實踐教學體系構建與實施路徑研究[J].高教學刊，2023，9（3）：21-24.

[4] 張安富.項目化教學是提高工程型人才培養質量的有效之法[J].高等工程教育研究，2019（3）：166-169.

[5] 鄭立星，吳彥麗，王峰，等.“雙碳”背景下新工科多元立體化創新實踐教學探索：以山西大學能源與動力工程專業為例[J].大學教育，2023（10）：28-30.

［責任編輯：蘇祎穎］