現(xiàn)代工程訓(xùn)練與創(chuàng)新能力漸進(jìn)式培養(yǎng)

宋鳳蓮， 盛宗建

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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·實(shí)習(xí)與實(shí)訓(xùn)·

現(xiàn)代工程訓(xùn)練與創(chuàng)新能力漸進(jìn)式培養(yǎng)

宋鳳蓮， 盛宗建

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

以實(shí)現(xiàn)完整的育人功能為目標(biāo)，以綜合性及創(chuàng)新性為特征的現(xiàn)代工程訓(xùn)練，設(shè)置階梯型多學(xué)科交叉融合的訓(xùn)練項(xiàng)目，遨游思維殿堂，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到漸進(jìn)式提升。論文以“光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)”課程為例推行多學(xué)科交叉融合的工程訓(xùn)練。對(duì)認(rèn)知型訓(xùn)練，運(yùn)用發(fā)散性思維+極限思維訓(xùn)練方法；對(duì)綜合創(chuàng)新型訓(xùn)練，采用項(xiàng)目式的科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練；對(duì)科技創(chuàng)新型訓(xùn)練，引入“大成智慧”教育思想，注重工程綜合性與系統(tǒng)性，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合。培養(yǎng)了具有社會(huì)責(zé)任的創(chuàng)新人才，可為其他高校的工程訓(xùn)練教學(xué)改革提供有益借鑒和參考。

現(xiàn)代工程訓(xùn)練; 學(xué)科交叉融合; 漸進(jìn)式創(chuàng)新; 大成智慧

0 引 言

工程訓(xùn)練是近10年在我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)的獨(dú)特的工程教育方式[1]，在高等院校質(zhì)量工程的推動(dòng)下，由單一技能訓(xùn)練即早期的金工實(shí)習(xí)演變成內(nèi)涵豐富、內(nèi)容綜合、集知識(shí)、素質(zhì)、能力融于一體的工程訓(xùn)練。因各校人才培養(yǎng)目標(biāo)不同，工程訓(xùn)練模式及內(nèi)容有較大差異，但其核心訓(xùn)練思想是一致的，工程訓(xùn)練旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。隨著國(guó)家對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的高度重視及工程教育質(zhì)量提高，逐漸顯露出一些深層次的問(wèn)題，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

1 工程訓(xùn)練存在的問(wèn)題

(1) 訓(xùn)練內(nèi)容與工程實(shí)際脫節(jié)。工程訓(xùn)練指導(dǎo)教師長(zhǎng)期脫離生產(chǎn)實(shí)際，難以發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際問(wèn)題，對(duì)學(xué)生疏于引導(dǎo)，或有引導(dǎo)難以向縱深方向，使得學(xué)生提不出問(wèn)題，滿足于照葫蘆畫瓢的技能訓(xùn)練。

(2) 學(xué)科交叉融合訓(xùn)練推行困難。由于認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)及教育思想的束縛，實(shí)訓(xùn)模式單一，實(shí)訓(xùn)案例單一，忽略軟環(huán)境開發(fā)，實(shí)訓(xùn)深度和廣度十年如一日，停留在機(jī)械制造領(lǐng)域居多。

(3) 科學(xué)素養(yǎng)及人文精神訓(xùn)練被忽略。學(xué)生評(píng)價(jià)機(jī)制不夠健全，忽略創(chuàng)新特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生做簡(jiǎn)單統(tǒng)一的要求，個(gè)性化自由追求的環(huán)境缺失，學(xué)生獨(dú)立思考、批判性思維及創(chuàng)新激情被抑制，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、語(yǔ)言表達(dá)等綜合素養(yǎng)訓(xùn)練缺失[2-4]。

2 “光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)”教學(xué)改革

設(shè)置階梯型多學(xué)科融合的課程實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式創(chuàng)新，以面向全校開設(shè)的“光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)”課程為例，見(jiàn)表1。

表1 “光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)”課程改革教學(xué)方案

3 發(fā)散性思維+極限思維開展認(rèn)知型工程訓(xùn)練

(1) 提出問(wèn)題—運(yùn)用發(fā)散性思維，學(xué)生自由思考討論，教師不急于評(píng)判，充分營(yíng)造百家爭(zhēng)鳴的學(xué)術(shù)氛圍。

(2) 分析問(wèn)題—采用極限思維，由已知的感性知識(shí)，將問(wèn)題和條件進(jìn)行理想化假設(shè)，當(dāng)假設(shè)被一步步推到極端時(shí)，問(wèn)題便水落石出。學(xué)生的求知欲望被點(diǎn)燃，呈現(xiàn)出老師提問(wèn)向?qū)W生踴躍提問(wèn)反轉(zhuǎn)的熱烈氣氛。

例如物流運(yùn)輸及自動(dòng)裝配系統(tǒng)，涉及知識(shí)點(diǎn)眾多，而學(xué)生又無(wú)相關(guān)背景理論知識(shí)，且學(xué)時(shí)有限，如何在最短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握相關(guān)元件、機(jī)構(gòu)功能原理及各要素間的控制關(guān)系，筆者做了一些嘗試。

(3) 過(guò)去：采用直接演示講解，學(xué)生操作后完成實(shí)習(xí)報(bào)告。效果：課程結(jié)束后學(xué)生一片迷茫目光呆滯，提不起興趣。

(4) 現(xiàn)在：指導(dǎo)教師演示時(shí)拋出若干問(wèn)題讓學(xué)生以小組為單位自主探索，一邊查看相關(guān)資料一邊展開自由思考討論：

①氣缸兩端設(shè)置的電磁傳感器檢測(cè)什么信號(hào)？為什么要檢測(cè)？

②每個(gè)單元設(shè)置兩位三通控制閥在每個(gè)狀態(tài)下通氣口的導(dǎo)通關(guān)系？各控制閥作用？

③結(jié)合各單元運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)說(shuō)控制器的工作原理。

學(xué)生對(duì)以上問(wèn)題有形形色色的回答，指導(dǎo)教師不過(guò)早評(píng)判，希望聽到更多的聲音，當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)量時(shí)，運(yùn)用極限思維訓(xùn)練。

例如氣缸兩端設(shè)置的電磁傳感器，不少學(xué)生說(shuō)是檢測(cè)氣缸內(nèi)壓力的，分析時(shí)假設(shè)是檢測(cè)氣缸內(nèi)壓力的，然后讓學(xué)生關(guān)閉閥門將缸內(nèi)壓縮空氣卸掉(缸內(nèi)處常壓狀態(tài))，撥動(dòng)活塞桿觀察傳感器的指示燈變化，發(fā)現(xiàn)傳感器的信號(hào)輸出與氣缸內(nèi)壓力沒(méi)有關(guān)系，與活塞桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，由于傳感器是裝在缸套上，只能與活塞桿相連的缸套里的物體即活塞位置有關(guān)。此時(shí)假定條件已被推倒極致，答案就出來(lái)了，事實(shí)真相就還原了。

例如兩位三通的通氣口的關(guān)閉狀態(tài)導(dǎo)通關(guān)系分析，先假設(shè)學(xué)生的猜想：在關(guān)閉時(shí)進(jìn)氣口與消音器相連，在此條件下會(huì)是什么結(jié)果呢？空壓機(jī)一邊工作一邊排氣，節(jié)能嗎？合理嗎？關(guān)閉時(shí)氣缸里壓縮空氣要排掉，消音器必然打開，由于只有三個(gè)通氣口，別無(wú)選擇，排除進(jìn)氣口的另一個(gè)通氣口與消音器勢(shì)必形成一個(gè)通道。此時(shí)假定條件又被推倒極致，答案出來(lái)了，事實(shí)真相就還原了，問(wèn)題便迎刃而解。

(5) 效果：采用發(fā)散性思維+極限思維訓(xùn)練學(xué)生分析問(wèn)題能力，課堂上氣氛異常熱烈，問(wèn)題開始反轉(zhuǎn)，由學(xué)生被動(dòng)接受老師提問(wèn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)提問(wèn)，課堂下意猶未盡，點(diǎn)燃了學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)一步探索的激情。氣缸兩端的傳感器為什么能檢測(cè)活塞位置？機(jī)電一體化技術(shù)各要素之間信號(hào)如何傳遞？學(xué)生探索激情被點(diǎn)燃，創(chuàng)新意識(shí)被喚醒，實(shí)現(xiàn)了下一步多學(xué)科融合的項(xiàng)目式訓(xùn)練的無(wú)縫對(duì)接[5-8]。

4 創(chuàng)設(shè)階梯型項(xiàng)目個(gè)性化訓(xùn)練，學(xué)做研一體化

4.1 編寫教材

編寫的階梯型項(xiàng)目式訓(xùn)練教材《光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)》，普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材，中國(guó)電力出版社出版。亞馬遜網(wǎng)上書店(http://www.amazon.cn)客戶評(píng)分“5星”?？蛻暨@樣評(píng)價(jià)道：“這本書很好，把我們的思維從死板中拉出來(lái)啦”！

教材教材操作性強(qiáng)及拓展性廣，有利于學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，課上實(shí)踐與探究，課下與機(jī)電材料市場(chǎng)、網(wǎng)絡(luò)媒體深度參透。教師在課堂上以答疑解惑為主，講授原理概念為輔[9]。

開設(shè)了校公選課“光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)”，設(shè)置不同梯度機(jī)器人項(xiàng)目，可根據(jù)學(xué)生專業(yè)結(jié)構(gòu)不同及個(gè)性化需求不一，自主選擇，實(shí)行課內(nèi)與課外結(jié)合，校內(nèi)與校外結(jié)合的開放教學(xué)模式[10-12]。學(xué)生一般通過(guò)教材課前預(yù)習(xí)及自主學(xué)習(xí)，可完成基礎(chǔ)項(xiàng)目，對(duì)于綜合性及探究型項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)自身興趣及未來(lái)職業(yè)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行選做，教師在課堂上不需費(fèi)大量時(shí)間講解，主要集中時(shí)間對(duì)學(xué)生答疑解惑。學(xué)生不局限于教材中制訂的設(shè)計(jì)方案，可自主設(shè)計(jì)方案、拓展功能，并且教材中對(duì)功能拓展有知識(shí)引導(dǎo)，利于學(xué)生自主研究探求。同時(shí)學(xué)生可多渠道采購(gòu)元器件，如校外電子市場(chǎng)、淘寶網(wǎng)等，在市場(chǎng)及網(wǎng)絡(luò)中豐富知識(shí)，學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及知識(shí)綜合運(yùn)用能力在項(xiàng)目訓(xùn)練中潛移默化地提升。階梯型訓(xùn)練項(xiàng)目如圖1所示：

圖1 階梯型項(xiàng)目個(gè)性化訓(xùn)練項(xiàng)目

在項(xiàng)目訓(xùn)練中常有學(xué)生思考問(wèn)題不夠全面，思維欠慎密，教師進(jìn)行引導(dǎo)，對(duì)問(wèn)題逐層提出，培養(yǎng)學(xué)生精益求精。例如避障機(jī)器人：①如果機(jī)器人進(jìn)入了死胡同，即三面同時(shí)有障礙物，采取什么策略讓機(jī)器人能順利逃出？②機(jī)器人探測(cè)到了障礙物，出現(xiàn)避讓動(dòng)作響應(yīng)緩慢現(xiàn)象是什么原因？在硬件和軟件上如何優(yōu)化使得機(jī)器人快速響應(yīng)？

通過(guò)以上問(wèn)題的探究，引導(dǎo)學(xué)生多角度全方位考慮問(wèn)題，對(duì)待問(wèn)題一絲不茍。學(xué)生不僅綜合運(yùn)用并系統(tǒng)鞏固和提高了單片機(jī)及C語(yǔ)言編程方面知識(shí)，而且提高了分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力。

4.2 建立科學(xué)的學(xué)生評(píng)價(jià)體系

全程考核，拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出。學(xué)生通過(guò)機(jī)器人組裝、編程、調(diào)試分析、PPT講解、視頻制作等綜合訓(xùn)練，無(wú)論是廣度還是深度都得到了全方位的鍛煉，學(xué)生的分析解決問(wèn)題能力、邏輯推理能力、交流溝通能力、組織能力得到全面提升。學(xué)生的評(píng)分因素為：分析解決問(wèn)題能力30%+實(shí)物演示效果30%+ 語(yǔ)言表達(dá)能力20%+團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神20%，為拔尖創(chuàng)新人才的脫穎而出創(chuàng)造。

4.3 教學(xué)效果

2009級(jí)國(guó)際軟件專業(yè)學(xué)生夏平在課程交流中說(shuō)“這門課給了我自由探索的天地，我的成就感是前所未有的”。做機(jī)器人循跡(黑膠帶)時(shí)發(fā)現(xiàn)按常規(guī)的編程策略機(jī)器人運(yùn)行時(shí)探測(cè)器指示燈常有誤動(dòng)作。他用了全新的編程思想，給每個(gè)探測(cè)器(共5個(gè))指示燈設(shè)置一個(gè)權(quán)值(從左至右依次為100,10,0-10，-100)，程序中設(shè)一個(gè)變量SUM(初始為零),如探測(cè)到黑膠帶就將相應(yīng)的權(quán)值加到變量SUM中，然后依據(jù)SUM值做出行走方向判斷。結(jié)果運(yùn)行精準(zhǔn).

2010級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)程文強(qiáng)寫道：在這個(gè)課上你真的可以按自己的想法去做自己想做的事，這里沒(méi)有那么多的條條框框，你不必顧慮那么多，不必跟著老師的步子一步一步完成老師給定的實(shí)驗(yàn)。光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)讓我真正找到了實(shí)驗(yàn)課的感覺(jué)，找到了真正打開我們思維的一門課程。

2011級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生寫道：上這門課真是一件值得興奮的事，對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生了濃厚興趣，激起了對(duì)本專業(yè)的熱愛(ài)。與其說(shuō)這一門課教會(huì)了我們一些知識(shí)，倒不如說(shuō)教會(huì)了我們學(xué)習(xí)知識(shí)的方法、自己解決問(wèn)題的能力。

2012級(jí)法學(xué)專業(yè)學(xué)生寫道：同理科同學(xué)合作做機(jī)器人，感受到了合作的快樂(lè)。我們讓機(jī)器人前進(jìn)、拐彎、碰上障礙物會(huì)掉頭……以前在電視上看到的那些機(jī)器人展示雖然復(fù)雜,可細(xì)細(xì)分析起來(lái)原理也就是這些.作為一個(gè)學(xué)法學(xué)的學(xué)生,了解光機(jī)電一體化技術(shù)很有必要,而這門課不僅打破了我在理科知識(shí)方面的空白,更是給我打開了一扇門,讓我有興趣進(jìn)行更深的了解; 這門課帶給我的不僅是知識(shí)和興趣,更是給我將來(lái)的發(fā)展帶來(lái)了指導(dǎo)。

5 踐行“大成智慧“教育思想

多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，理、工、人文、藝術(shù)各學(xué)科深度融合，注重工程的綜合性與系統(tǒng)性、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合，培養(yǎng)人文情懷及科學(xué)精神，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

大成智慧”教育思想由錢學(xué)森院士提出，其顯著特點(diǎn)是學(xué)科交叉和大跨度綜合的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系相匹配，注重科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合，以此來(lái)教育培養(yǎng)學(xué)生具有大德、大智的思想。在各類學(xué)科競(jìng)賽中踐行“大成智慧“教育思想，創(chuàng)新成果突出。

5.1 培養(yǎng)學(xué)生人文情懷

為展現(xiàn)機(jī)械學(xué)科魅力，激發(fā)新生認(rèn)識(shí) 、熱愛(ài)、獻(xiàn)身“機(jī)械”。

科技創(chuàng)新作品“機(jī)械發(fā)展vista”——第六屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組(2014)一等獎(jiǎng)。針對(duì)當(dāng)前機(jī)械類學(xué)生對(duì)專業(yè)迷茫、轉(zhuǎn)專業(yè)日益突出的現(xiàn)象，創(chuàng)作了尤如微型博物館、寓教于樂(lè)的作品“機(jī)械發(fā)展vista”。該作品在2014年新生入學(xué)專業(yè)教育中達(dá)到了良好的專業(yè)教育效果。

5.2 注重工程的綜合系統(tǒng)訓(xùn)練

推動(dòng)創(chuàng)新訓(xùn)練的“工程化”。以科技創(chuàng)新大賽為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)社會(huì)的“工程化”[13]。面向電力行業(yè)的節(jié)能減排，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感?？萍紕?chuàng)新作品“火電廠輸煤機(jī)械系統(tǒng)仿真模型”——第六屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組(2014)一等獎(jiǎng)。大氣污染的防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是社會(huì)高度關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，火電廠燃煤被認(rèn)為是PM2.5的罪魁禍?zhǔn)?。而輸煤機(jī)械系統(tǒng)又是火電廠粉塵污染的重災(zāi)區(qū)?！盎痣姀S輸煤機(jī)械系統(tǒng)仿真模型”展現(xiàn)了卸煤、運(yùn)煤、篩碎煤、貯煤等環(huán)節(jié)煤塵產(chǎn)生的機(jī)理，激發(fā)學(xué)生研究煤塵防治的興趣及肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任?？萍紕?chuàng)新作品“火電廠去塵除氣智能小車”——第四屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排大賽(2011)二等獎(jiǎng)?！叭m除氣智能小車”涉及知識(shí)點(diǎn)多，如燃煤電廠運(yùn)行、流體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械、材料、自動(dòng)控制等，其主要功能是干式收集燃煤電廠的粉塵，去除SO2等廢氣，并能實(shí)現(xiàn)按預(yù)定規(guī)劃路線除塵，同時(shí)避障。它改變了燃煤電廠現(xiàn)有高能耗重污染的水力除塵方式。

5.3 注重科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合

將機(jī)器人技術(shù)與民間藝術(shù)深度融合，科技創(chuàng)新作品“湖北大鼓表演機(jī)器人”——第五屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽(2012)二等獎(jiǎng)?！昂贝蠊谋硌輽C(jī)器人”的創(chuàng)造成功，將光機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用得淋漓盡致，作品不僅涉及機(jī)械、微電子、控制、材料工程等學(xué)科知識(shí)，而且將機(jī)器人技術(shù)與面臨失傳的湖北大鼓民間藝術(shù)有機(jī)融合，使機(jī)電產(chǎn)品不再是冰冷的東西，生動(dòng)展現(xiàn)了古老的湖北人文環(huán)境。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人物是機(jī)械專業(yè)且有藝術(shù)特長(zhǎng)的學(xué)生，其他成員是機(jī)械工程、電子信息、自動(dòng)控制專業(yè)學(xué)生。該作品在2014和2012年的全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中好評(píng)如潮。

6 結(jié) 語(yǔ)

尊重個(gè)性是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標(biāo)，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、改革教學(xué)方法及內(nèi)容和營(yíng)造良好創(chuàng)新氛圍十分重要。通過(guò)光機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的大膽探索與實(shí)踐，由問(wèn)題式的認(rèn)知型訓(xùn)練、設(shè)疑布障，再通過(guò)交叉學(xué)科的項(xiàng)目式個(gè)性化訓(xùn)練、學(xué)做研一體化達(dá)到科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，加強(qiáng)工程系統(tǒng)性與綜合性、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合，漸進(jìn)式提升了學(xué)生創(chuàng)新能力。在后期教學(xué)改革活動(dòng)中，如何為學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)、自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，為培養(yǎng)具有社會(huì)責(zé)任的創(chuàng)新人才提供肥沃土壤，將多維度謀求新突破。

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Modern Engineering Training and Innovation Ability Gradual Training of College Students

SONGFeng-lian，SHENGZong-jian

(Power and Mechanical College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to achieve the goal of the full function of educating people, the modern engineering training has the characteristics of comprehension and innovation. We set the ladder type interdisciplinary integration of modern engineering training, and note to promote gradual innovation ability of students. This paper takes course of “Light Mechanical and Electrical Integration Technology Training” as an example to use divergent thinking + limit thinking training method to train the cognitive innovation of students; to adopt scientific research project to train their comprehensive innovation; to introduce education thought of “great wisdom” to train the scientific and technological innovation. These methods promote the value of engineering system, students can understand the integration of science and technology and art. This paper can provide a useful reference for other universities in teaching reform of engineering training and the cultivation of innovative talents with social responsibility.

modern engineering training ;interdisciplinary fusion; gradual innovation; great wisdom incremental innovation

2015-10-22

2012年湖北省教育廳實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目 (JG201223)

宋鳳蓮(1966-)，女，湖北新洲人，碩士，教授級(jí)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：光機(jī)電一體化技術(shù)。

Tel.:13607192621；E-mail：FLS755@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0227-04