基于純凈水制備與灌裝生產線的工程教育及其教學實踐模式探索

楊靈芳，黃 智

(1.湖南大學 現(xiàn)代工程訓練中心，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(簡稱“卓越計劃”)是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項目[1-2]。“卓越計劃”重在激發(fā)學生對實踐探索的潛能和興趣，增強學生的工程意識，提升工程設計、管理、實踐和創(chuàng)新能力，為國家的工業(yè)化發(fā)展培養(yǎng)造就一批工程實踐能力和創(chuàng)新能力強的高質量人才[3]。

工程訓練是高等學校人才培養(yǎng)計劃中一個重要的實踐教學環(huán)節(jié)，也是學生了解社會、接觸生產實際，培養(yǎng)學生獨立工作能力，獲得本學科或本專業(yè)初步的生產技術和管理知識的一個非常重要的實踐教學過程[4-5]。傳統(tǒng)的工程訓練通常以金工實習為主，為培養(yǎng)卓越工程師提供硬件支撐，考慮到現(xiàn)實和未來發(fā)展的需求，湖南大學現(xiàn)代工程訓練中心建設了純凈水制備及灌裝生產線綜合實訓系統(tǒng)。該平臺結合實際工業(yè)生產線系統(tǒng)和工程訓練教學目標進行設計及建設，并對基于該系統(tǒng)工程訓練的教學實踐模式進行探索。

1 教學模式探索

純凈水制備及灌裝生產線實訓系統(tǒng)涉及機械、材料科學與工程、化學工程與工藝、給排水科學與工程、化學、應用化學、電氣工程及其自動化、自動化、電子信息工程、計算機科學與技術、通信工程、軟件工程、環(huán)境工程、生物技術及生物醫(yī)學工程等專業(yè)知識。平臺訓練的內容全面，學生受益面廣，除了可以按照企業(yè)標準進行正常的純凈水生產及灌裝外，各專業(yè)還可以在通用的實訓平臺基礎上結合本專業(yè)特點來拓展實訓項目，以滿足不同的需求。本文就如何充分利用該平臺實現(xiàn)最大的教學利用方面，在教學模塊設計、教學方式、教學環(huán)境及輔助資料等方面做了如下探索。

1.1 模塊化的教學內容

教學內容模塊化設置符合構建主義學習理論，按照該理論，為有效完成知識的構建，學生須轉變?yōu)樾畔⒑椭R的主動構建者，教師須從灌輸者變?yōu)閷W生的幫助者和促進者，從而實現(xiàn)將生產線教學的參觀認知，轉變?yōu)樵谏a線相關項目的實踐中掌握課堂學習的專業(yè)知識點，并實現(xiàn)知識的遷移和能力的提高[6]。

純凈水制備及灌裝生產實訓系統(tǒng)采用模塊化思想設計教學內容和教學方式，可根據(jù)各自專業(yè)需要開展單元專業(yè)訓練模塊和綜合實訓模塊。其中單元專業(yè)訓練模塊包括工藝流程設計與安裝、濾芯材料的選擇與安裝、水泵的選型及安裝、殺菌器的工藝設計與安裝、水質參數(shù)的監(jiān)測、傳感器的設計與安裝、PLC控制、氣動控制、自動檢測、步進/伺服電機、變頻調速、程序的編譯及測試、網絡傳輸?shù)取２煌瑢I(yè)的理論課教師都可以進入該實訓車間，直接結合專業(yè)知識隨時講，學生隨時實踐操作，使得空洞的理論教學有了實實在在的實踐對象。

綜合實訓模塊是在單元專業(yè)訓練模塊的基礎上，實現(xiàn)純凈水的生產及灌裝操作。該部分對學生要求較高，除能完成相關的單元訓練外還需重點考察整個系統(tǒng)的連續(xù)運轉、異常故障分析處理、產品鏈的完整性及產品的合格檢測等。在實訓過程及實際工程生產的過程中，學生需要綜合利用化工、軟件、控制、生產管理和工程知識，綜合分析過程，科學合理判斷以解決實際工程問題。這一模塊的設置更多考慮學生綜合知識能力結構，提升學生的綜合能力。

目前該生產線實訓平臺自2016年起，已對湖南大學機械學院、化工學院、電氣學院、材料學院、生物學院、環(huán)境學院等相關專業(yè)開設單元專業(yè)訓練模塊和綜合實訓模塊。

1.2 項目化或產品化的教學方式

為滿足“卓越計劃”對培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力的要求，實訓系統(tǒng)采用產品化[7]或項目化[8-9]的教學方式，引入主動式教學理念，以學生為主體，教師為主導，將學生定義為項目開發(fā)工程師，按照教師提出的項目需求，由學生進行項目分析、設計、加工、調試等過程，并實現(xiàn)項目預設目標。通過項目開發(fā)過程中一步一步引導學生針對具體的項目問題進行對標分析、方案設計、加工試制，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力及產品開發(fā)設計能力。

下面以小型凈水器的設計與實現(xiàn)為例，說明如何利用該實訓系統(tǒng)培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。實施步驟如下。

步驟1：教師提出項目的要求和目標。

步驟2：學生通過實訓系統(tǒng)熟悉了解純凈水生產的設備、工藝、控制系統(tǒng)及常見故障處理方法。

步驟3：小型凈水器的設計，包括：凈水工藝、主要裝置和傳感器等常規(guī)部件的篩選，非標準連接件的零部件加工圖紙設計，繪制工藝流程圖和自動控制電路圖。

步驟4：小型凈水器的加工與裝配：按照設計圖紙及要求，進行零部件加工、主要裝置和傳感器的安裝及控制程序的編寫等。

步驟5：成品的調試與測試：控制系統(tǒng)調試，凈水性能測試。

步驟6：撰寫項目結題報告，產品使用說明書，完成答辯。

實訓項目要求學生通過查詢文獻和市場產品的信息掌握實際凈水產品的工作原理和使用方法，從而按照項目要求系統(tǒng)地設計出健康、安全、穩(wěn)定的產品。

實訓課程中學生以項目組的方式展開實訓項目研究，項目組包括項目負責人和項目組成員，組員按照各自的優(yōu)勢或興趣點參與項目實施，分工明確又注重團隊協(xié)作能力培養(yǎng)。課程要求學生按照實際工程項目方案形式撰寫項目報告，具體包括產品對標分析、產品設計、實施方案、調試/測試報告、產品說明書等。這種項目實訓過程實際上就是模擬復雜工程問題的解決流程，學生通過課程訓練，不僅了解凈水產品的開發(fā)流程，加深了專業(yè)認知感，更培養(yǎng)了學生的工程基礎知識、動手實踐能力、團隊協(xié)作能力。

1.3 車間化的教學環(huán)境

實訓系統(tǒng)的教學環(huán)境車間化[10]，即教學環(huán)境條件與企業(yè)車間環(huán)境條件相融合。實訓系統(tǒng)按照實際純凈水生產和灌裝企業(yè)的工藝流程建設生產線，同時依照企業(yè)實際生產環(huán)境要求對實訓室進行車間化裝修和配套設施工段，設置了材料準備區(qū)、控制操作區(qū)、生產區(qū)、產品檢測區(qū)等工作區(qū)域，設立預處理工段、反滲透工段、殺菌消毒工段、拔蓋、外刷、內沖洗、灌裝、收標等工段，每個工段按照實際操作需求設置操作工位，參照企業(yè)車間標準，所有實訓或產管人員需按生產要求穿戴工裝。

實訓系統(tǒng)的管理模式工廠化[11]，即教學管理與企業(yè)車間管理模式相融合。實訓系統(tǒng)教學組織形式按照企業(yè)生產運轉模式設立生產部門。指導老師為工廠的總經理，負責工廠的總體運行工作，下設純凈水生產部、純凈水灌裝部、水質檢測部、桶裝水輸送部、售后維修部，由學生選取小組長擔任各部門主管，各部門按照生產流程設置不同操作工位，如純凈水生產部下設控制柜操作工位、取樣送檢工位、參數(shù)記錄工位。學生擔任各工位員工，通過崗位模擬和輪換參與到純凈水制備及灌裝生產的全過程。學生需熟讀生產任務書、作業(yè)指導書等工藝文件，準確地填寫生產表格，排查生產過程的各種故障。

1.4 過程監(jiān)控為核心的考核方式

對學生學習效果進行科學合理的評價也是課程改革探索的重要環(huán)節(jié)之一。根據(jù)“卓越計劃”的培養(yǎng)目標，課程考核以調動學生的積極性和監(jiān)督學習過程為目的。為了加強對學生學習活動的監(jiān)控，引導學生和教師把更多精力投入到學與教的活動中，課程考核以過程監(jiān)控為核心，實施“過程累計+成品或作業(yè)評價”的考核方式。

其中“過程累積”部分占總成績的70%，該部分成績由出勤情況、實施操作能力、團隊合作能力、思考和分析問題能力，解決問題能力、過程記錄和報告完成等多個方面構成。成品或作業(yè)的內容因模塊而異，主要內容包括成品展示、成品相關文檔資料展示、基本操作知識、實踐過程中可能出現(xiàn)的問題等。

2 結束語

近兩年的教學實踐證明了純凈水制備及灌裝生產線實訓系統(tǒng)的重要硬件支持作用，尤其是在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、實踐教學時，該平臺是保證教學質量的重要條件。該系統(tǒng)強化了教學體系中的工程實踐應用環(huán)節(jié)，使得學生在金工、電子電工實訓過程中所學會的理論、實操知識在現(xiàn)代化生產線中得到應用，為工科類專業(yè)的專業(yè)課程、課程設計及畢業(yè)設計提供相應的訓練環(huán)節(jié)。通過項目化或產品化的實踐訓練，有效地培養(yǎng)了學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、設計開發(fā)能力和工程管理能力。