基于工程訓(xùn)練的大學(xué)生創(chuàng)新教育模式研究

高占鳳，吳文江，李周男，張建超

(石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 河北 石家莊 050043)

目前，我國大學(xué)生的培養(yǎng)現(xiàn)狀滯后于社會對大學(xué)生素質(zhì)的要求[1]，學(xué)校工程教育與社會工業(yè)發(fā)展普遍存在脫節(jié)現(xiàn)象，工程實踐教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)嚴(yán)重不足，而社會發(fā)展對人才培養(yǎng)質(zhì)量提出越來越高的要求，企業(yè)更愿意接收具有較強實踐動手能力和創(chuàng)新能力的大學(xué)畢業(yè)生。隨著對高等教育發(fā)展規(guī)律和實質(zhì)認(rèn)識的加深，在教育主管部門的引導(dǎo)下，越來越多的高校開始關(guān)注社會對畢業(yè)生創(chuàng)新能力的需求，重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力。2010年教育部實施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”以及成為近期熱點的“新工科建設(shè)”，目的都是培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才[2,3]。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法、提高動手能力的重要平臺，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的高素質(zhì)工程技術(shù)人才的重要環(huán)節(jié)[4]。石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心是以實踐教學(xué)為主，融科研和社會服務(wù)于一體的河北省示范實驗中心。近年來，“中心”以“大工程教育”思想為指導(dǎo)，以提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力為主要教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。依據(jù)用人單位意見和結(jié)合我校人才培養(yǎng)目標(biāo)，對工程訓(xùn)練平臺建設(shè)、課程體系、創(chuàng)新教育、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了深入研究與實踐，取得了一些有益的經(jīng)驗[5-7]。

一、在現(xiàn)有工程訓(xùn)練平臺基礎(chǔ)上完善創(chuàng)新教學(xué)平臺建設(shè)

我校學(xué)生就業(yè)主要面向鐵路行業(yè)，隨著鐵路建設(shè)大發(fā)展和運營水平的提升，用人單位對畢業(yè)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和崗位適應(yīng)能力提出了更高的要求。因此，中心不斷引進(jìn)和充實實訓(xùn)儀器設(shè)備，逐步完善工程實訓(xùn)平臺建設(shè)。經(jīng)過持續(xù)5年的建設(shè)，購置數(shù)控加工設(shè)備(如數(shù)控車、數(shù)控銑、線切割、數(shù)控雕刻)、加工中心、電火花加工、激光雕刻、金屬激光切割、快速成型、等離子切割、柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，購置了慧魚機電組合設(shè)備、探索者機器人等新的機電一體化實訓(xùn)設(shè)備，自主研制了安全用電實訓(xùn)裝置，進(jìn)一步完善了制造技術(shù)實訓(xùn)基地和機電基礎(chǔ)實訓(xùn)基地。將新設(shè)備充實到工程訓(xùn)練教學(xué)中，通過這些先進(jìn)設(shè)備的運用帶動實踐教學(xué)水平的提升，同時這些先進(jìn)制造設(shè)備和儀器為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和創(chuàng)新產(chǎn)品制作提供了必要條件。

中心還專門建成了500余平方米的“科創(chuàng)空間”，包括創(chuàng)新設(shè)計室、創(chuàng)新產(chǎn)品加工制作室、創(chuàng)新產(chǎn)品展示與演練場，配備了計算機、常用工具(如測量工具和焊接工具)和專業(yè)書籍，小型車床、小型鉆銑床、激光切割機、數(shù)控雕刻機、3D 掃描儀、3D打印機、信號發(fā)生器、示波器、穩(wěn)壓電源等滿足不同需求的學(xué)習(xí)工具及先進(jìn)的技術(shù)裝備，實行全天候開放式管理。

鋪設(shè)了300米的有砟軌道線路，沿著有砟軌道線路架設(shè)了接觸網(wǎng)，安裝了信號機等信號設(shè)備；采用II型軌道板鋪設(shè)了80米的無砟軌道線路，沿線路修建了40米的站臺，線路上布置了機車、棚車和轉(zhuǎn)向架等實物；修建32米的斜拉橋和24米的拱橋并預(yù)埋了20多種傳感器，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測；建設(shè)牽引供電實訓(xùn)室、區(qū)間與車站控制實訓(xùn)室、以武廣高鐵為藍(lán)本設(shè)計建造高速鐵路演練實訓(xùn)室、鐵道信號實物仿真實訓(xùn)室以及機車與轉(zhuǎn)向架展廳，組成了覆蓋鐵路系統(tǒng)各專業(yè)領(lǐng)域的綜合性鐵道實訓(xùn)基地，極大改善了實踐教學(xué)的硬件條件，為我校工程訓(xùn)練實踐教學(xué)和創(chuàng)新訓(xùn)練的開展提供了強有力的支撐?？梢蚤_展包含鐵道線路、鐵道信號、牽引供電、鐵路運營及維護(hù)、機車車輛、鐵道橋梁、橋梁健康診斷等實訓(xùn)項目。

二、加強創(chuàng)新訓(xùn)練內(nèi)容，完善工程訓(xùn)練教學(xué)體系

針對我校的專業(yè)特點和學(xué)科優(yōu)勢，以面向鐵道建設(shè)與運營行業(yè)、機電行業(yè)等創(chuàng)新型工程技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)，在實踐教學(xué)體系的構(gòu)建上充分考慮學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點和認(rèn)知特點，建立分階段、多層次、模塊化、開放式、綜合性的工程訓(xùn)練教學(xué)體系。在不同的學(xué)習(xí)階段，面對不同的學(xué)生，在實踐平臺的搭建方面充分考慮創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，將創(chuàng)新訓(xùn)練融入工程訓(xùn)練教學(xué)過程中，循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，使得創(chuàng)新在整個大學(xué)階段都能得到良好的訓(xùn)練。中心工程訓(xùn)練實踐教學(xué)課程體系包含4個層面的教學(xué)內(nèi)容，如圖1所示，由低到高依次為“工程認(rèn)知訓(xùn)練”、“工程技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練”、“工程技術(shù)訓(xùn)練”和“工程創(chuàng)新訓(xùn)練”。工程訓(xùn)練的內(nèi)容由低級到高級，由單一到綜合，每一層面的訓(xùn)練內(nèi)容都和學(xué)生的學(xué)習(xí)階段、知識水平和專業(yè)特點相適應(yīng)，以達(dá)到逐步提高學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，增強學(xué)生就業(yè)競爭能力的目的。

(一)在工程認(rèn)知訓(xùn)練中初步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

“工程實踐能力訓(xùn)練”課程面向全校一年級開設(shè)，教學(xué)時間為1周，根據(jù)各專業(yè)特點設(shè)計了由不同實訓(xùn)模塊組成的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)目的是通過該課程使學(xué)生通過現(xiàn)場觀摩和實際動手操作等方式接觸各種工業(yè)相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，從培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力人手，增強學(xué)生對工程的感性認(rèn)識，初步培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能和創(chuàng)新意識。除了基本工具使用、動手操作能力訓(xùn)練外，還開設(shè)了鈑金創(chuàng)意制作、慧魚機電創(chuàng)意制作、機器人認(rèn)知等培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的實訓(xùn)內(nèi)容。

(二)在工程技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力

工程基礎(chǔ)訓(xùn)練主要以工藝知識、操作技能訓(xùn)練為主，面向機械類和近機械類專業(yè)二年級大學(xué)生開設(shè)“金工實習(xí)”必修課和面向全校各專業(yè)開設(shè)“工程實踐能力強化與提高”通識教育課程。

在傳統(tǒng)的金工實習(xí)中，基本是單一工種的實訓(xùn)，各工種的實習(xí)相互分割，缺少連續(xù)性，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對工程項目生產(chǎn)流程、工藝技術(shù)等內(nèi)容的整體認(rèn)識，限制了對學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力的培養(yǎng)。而現(xiàn)代機械設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展，要求金工實習(xí)教學(xué)不能只停留在傳統(tǒng)意義的冷熱加工基本技能訓(xùn)練上，要讓實訓(xùn)學(xué)生更多地接觸和使用新技術(shù)、新工藝和新材料，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和適應(yīng)社會發(fā)展的能力。為此，中心在原有實訓(xùn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了加工中心、激光加工、快速成型、柔性制造等新的教學(xué)內(nèi)容，并要求學(xué)生把一些聯(lián)系比較緊密的實訓(xùn)內(nèi)容作相應(yīng)的鏈接，同時最終形成一個完整的產(chǎn)品。同時，在每一工種實訓(xùn)中都增加自主設(shè)計環(huán)節(jié)，并占一定比例的實訓(xùn)成績。上述做法不僅改變傳統(tǒng)金工實習(xí)重加工輕設(shè)計的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)完整的機械制造加工工藝意識以及學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

同時為了滿足部分學(xué)生的興趣愛好，開設(shè)了“工程實踐能力強化與提高”通識教育課程，包括鐵道信號、牽引供電、特種加工、機電一體化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)加工、柔性制造系統(tǒng)等10余個項目供學(xué)生選擇，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生在喜歡的領(lǐng)域得到訓(xùn)練和強化，拓寬學(xué)生的工程視野。學(xué)生可以自主進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計訓(xùn)練，自己編程、建模、加工，最后完成作品，主動提高學(xué)生的實踐技能和加工制作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

(三)在工程技術(shù)訓(xùn)練中培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新興的工程技術(shù)不斷涌現(xiàn)，熟練掌握這些新興的工程技術(shù)，有利于提升學(xué)生適應(yīng)未來工作崗位的能力，有利于提高學(xué)生的就業(yè)競爭能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和實踐創(chuàng)新能力，針對三、四年級學(xué)生開設(shè)了“工程創(chuàng)新訓(xùn)練”、“數(shù)字化設(shè)計與制造實訓(xùn)”、“先進(jìn)制造技術(shù)實訓(xùn)”、“機器人技術(shù)實訓(xùn)”、“鐵道信號實訓(xùn)”等選修課程，這些課程與學(xué)院系開設(shè)的理論課不同，主要依據(jù)中心現(xiàn)有的與工程實際相吻合的實訓(xùn)教學(xué)平臺，重點強調(diào)設(shè)計與實踐。主要采用“項目驅(qū)動”訓(xùn)練模式和“集中+開放”教學(xué)方式開展教學(xué)，通過強化訓(xùn)練，使學(xué)生掌握一門專業(yè)技能，增強就業(yè)能力，使其能夠與未來的工作崗位順利接軌，同時也為學(xué)生開展創(chuàng)新訓(xùn)練打下專業(yè)技能基礎(chǔ)。例如，在“工程創(chuàng)新訓(xùn)練”課程中，創(chuàng)新項目分為指定項目和學(xué)生自選項目兩類，學(xué)生組成3～5人的創(chuàng)新小組自主選題，在教師指導(dǎo)下開展訓(xùn)練。要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成項目論證、方案設(shè)計、可行性分析、產(chǎn)品設(shè)計、零部件加工和裝配、產(chǎn)品性能測試等全過程，鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力的目的。

(四)在工程創(chuàng)新實訓(xùn)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力

工程創(chuàng)新實訓(xùn)重在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。利用中心創(chuàng)建開放式的工程訓(xùn)練平臺和各種專用的創(chuàng)新實訓(xùn)室組織學(xué)生開展豐富多彩的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練活動。積極引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生參與基于工程實際的科研項目，進(jìn)而參加國家級、省級、校級的科技創(chuàng)新競賽與創(chuàng)業(yè)項目，例如各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、工程訓(xùn)練綜合能力競賽、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯大賽、機器人大賽以及課外科技作品競賽等。通過工程創(chuàng)新實訓(xùn)和競賽培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的綜合工程實踐能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

針對大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練存在的脫離工程實際的問題，中心開展了面向工程實際的創(chuàng)新訓(xùn)練模式探索[6]。近年來，中心先后與多家企業(yè)合作、協(xié)同創(chuàng)新，開展了實質(zhì)性的科研合作，與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃相結(jié)合，將從企業(yè)工程實際問題中遴選的項目作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。通過查閱文獻(xiàn)、制定方案、工程設(shè)計、校核計算、編制工藝、加工制作、試驗調(diào)試、撰寫報告等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。近年來與協(xié)作企業(yè)緊密合作，逐步形成了以鐵路養(yǎng)護(hù)設(shè)備研發(fā)為主的研究方向。例如：“鐵路軌道除雪車的設(shè)計及模型制作”、“鐵路軌道除沙車的設(shè)計與制作”、“公鐵兩用多功能底盤模型的設(shè)計與制作”、“絕緣子清掃機”、“貨車與巡道工間距自動監(jiān)測與報警系統(tǒng)研究”等列為國家級和省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目。“鐵路軌道除沙車”和“絕緣子清掃機”樣機如圖2所示。參訓(xùn)學(xué)生獲得國家專利5項，獲得省級以上獎勵3項，其中“鐵路軌道除沙車的設(shè)計與制作”項目獲得河北省第一屆大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會特等獎，并受到多家新聞媒體的追蹤報道。該面向工程實際的創(chuàng)新訓(xùn)練模式也受到“就業(yè)50強”實地考察專家的稱贊。

(a)絕緣子清掃機

(b)鐵路軌道除沙車

圖2 學(xué)生創(chuàng)新作品示例

三、科學(xué)組建創(chuàng)新教學(xué)指導(dǎo)團(tuán)隊

要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的大學(xué)生，就需要建立一支具有較深理論功底、較強實踐能力和具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)教師隊伍，這是順利開展創(chuàng)新訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要保障。我校工程訓(xùn)練中心作為學(xué)校直屬部門，自身擁有一支專職教師隊伍，這些專職教師大部分是從事過工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)管理的高級工或技師，他們對生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝非常熟悉，掌握著豐富的實踐操作技能。另外，中心積極吸引實踐創(chuàng)新經(jīng)驗豐富的高水平教師和技術(shù)人員以兼職身份加入到創(chuàng)新教學(xué)隊伍中。一是從校內(nèi)其他教學(xué)單位聘請工程實踐能力和創(chuàng)新能力較強的教師擔(dān)任兼職教師；二是從協(xié)作企業(yè)聘請工程師擔(dān)任兼職教師，尤其是聘請工作在一線的專業(yè)技術(shù)人員，參與相關(guān)基于實際工程項目的創(chuàng)新指導(dǎo)工作，使創(chuàng)新訓(xùn)練具有實際意義；三是聘請本校優(yōu)秀在讀研究生擔(dān)任兼職助教，主要負(fù)責(zé)激光切割、3D打印等較先進(jìn)加工設(shè)備的操作指導(dǎo)，上崗前對他們進(jìn)行嚴(yán)格的理論知識、操作技能、教學(xué)方法和安全常識培訓(xùn)，并建立相應(yīng)的激勵與淘汰機制。

中心經(jīng)過不斷探索和實踐，成立由專兼職專業(yè)指導(dǎo)教師、工程技術(shù)人員(含企業(yè)外聘工程師)、優(yōu)秀研究生和工勤技能人員組成的跨學(xué)科跨專業(yè)的創(chuàng)新教學(xué)指導(dǎo)團(tuán)隊。根據(jù)每個項目特點不同團(tuán)隊中不同層次人員隨著調(diào)整，團(tuán)隊成員分工協(xié)作，發(fā)揮各自優(yōu)勢指導(dǎo)學(xué)生的整個研發(fā)過程。以機械類創(chuàng)新項目為例，機電類專業(yè)教師主要負(fù)責(zé)指導(dǎo)整體方案的制定、工程設(shè)計及研究報告的撰寫，工程技術(shù)人員主要負(fù)責(zé)指導(dǎo)詳細(xì)的工程設(shè)計和加工工藝編制，工勤技能人員和研究生助教主要負(fù)責(zé)指導(dǎo)加工制作。

四、實訓(xùn)室開放性運行管理模式

開展創(chuàng)新訓(xùn)練，學(xué)生不僅需要固定的研究場所，而且還需要加工制作設(shè)備，而且大部分學(xué)生只能利用業(yè)余時間完成創(chuàng)新訓(xùn)練項目的設(shè)計、加工與制作，因此工程訓(xùn)練中心各實驗室均面向全校師生全天候開放。中心開發(fā)了實訓(xùn)室開放管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實訓(xùn)場地管理、實訓(xùn)室資源查詢、實訓(xùn)室預(yù)約、實訓(xùn)室使用統(tǒng)計以及實訓(xùn)項目檢驗測評等功能。學(xué)生可以通過中心實訓(xùn)室開放管理系統(tǒng)查詢實驗室開放時間、空閑實驗設(shè)備，結(jié)合自身情況提交預(yù)約申請，經(jīng)工程訓(xùn)練中心批準(zhǔn)，學(xué)生可以無償使用工程訓(xùn)練中心擁有的各種儀器設(shè)備。開放性實訓(xùn)平臺和開放管理模式為學(xué)生提供自主實踐鍛煉的空間和環(huán)境，充分調(diào)動了學(xué)生參加工程實踐和創(chuàng)新活動的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新觀念和意識，有利于提高學(xué)生的實踐動手能力、自我管理能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

五、結(jié)語

經(jīng)過近5年的研究、探索和實踐，我校工程訓(xùn)練中心隨著創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺和教學(xué)體系的不斷完善、創(chuàng)新指導(dǎo)教師團(tuán)隊的科學(xué)組建、實訓(xùn)室開放式管理系統(tǒng)的投入使用，在基于工程訓(xùn)練的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)管理等方面進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，逐步形成從創(chuàng)新意識培養(yǎng)、創(chuàng)新基本能力訓(xùn)練到基于工程項目的創(chuàng)新實踐的循序漸進(jìn)的創(chuàng)新教育模式。創(chuàng)新訓(xùn)練模式探索取得突破，全面開展分層次、基于工程實踐項目的創(chuàng)新訓(xùn)練活動，把創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入工程訓(xùn)練全過程，有效激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新興趣和培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，開創(chuàng)出一條創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要途徑。通過中心在不同層次實踐教學(xué)中融入創(chuàng)新教育和創(chuàng)新訓(xùn)練，學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力均得到較大提高，在創(chuàng)新產(chǎn)品制作過程中學(xué)生可以獨立使用中心擁有的各種加工設(shè)備。從校教學(xué)督導(dǎo)組和用人單位反饋的意見來看，參訓(xùn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果顯著。2016年秋季我校審核評估中評估專家對中心實踐教學(xué)及創(chuàng)新教育模式給予了很高的評價，評估結(jié)束后，大連交大、蘭州交大等多家單位專門派人到我校工程訓(xùn)練中心考察學(xué)習(xí)。近年來由中心組織的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃和各類競賽均取得了較好的成績，獲得省級以上獎勵40余項。今年參加工程訓(xùn)練綜合能力競賽國賽的2014級兩名學(xué)生分別被保送到浙江大學(xué)和湖南大學(xué)讀研究生，畢業(yè)生由于具備較強的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，而受到用人單位的青睞。

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