植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系探索

鄭紅偉, 王 偉, 王明川, 師占群,, 戴士杰, 張艷蕊

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心, 天津 300401; 2. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300130)

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度[1-2],是提升工程人才素質(zhì)的有效途徑[3]?！豆こ探逃龑I(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》12條畢業(yè)要求中有8條涉及復(fù)雜工程問題[4]。獲得解決復(fù)雜工程問題能力對(duì)學(xué)生達(dá)成畢業(yè)要求、促進(jìn)就業(yè)具有重要支撐作用。因此,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力[5-7]逐漸成為各高校工科類專業(yè)的核心任務(wù)。

工程訓(xùn)練作為一門集知識(shí)、素質(zhì)、能力、創(chuàng)新于一體的實(shí)踐課程,是高校對(duì)本科生實(shí)施工程教育、培養(yǎng)其工程素質(zhì)和工程意識(shí)的有力抓手[8]。然而,在目前的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系中,通常只是對(duì)學(xué)生單一知識(shí)點(diǎn)、單一技能的訓(xùn)練,不能支持充分交叉與融合[9],雖然也涉及復(fù)雜工程問題,但仍面臨訓(xùn)練門類少、專業(yè)覆蓋率低、學(xué)生受益面窄等現(xiàn)狀。如何構(gòu)建植入復(fù)雜工程問題、培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合能力的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系,是目前工程訓(xùn)練學(xué)科需要重點(diǎn)解決的問題。

鑒于此,圍繞復(fù)雜工程問題的7個(gè)特征,基于成果導(dǎo)向工程教育[10-12]理念,對(duì)工程訓(xùn)練課程進(jìn)行了研究與探索,構(gòu)建了植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系,并探索了課程體系的運(yùn)行模式。

1 課程體系建設(shè)構(gòu)想

1.1 復(fù)雜工程問題的7個(gè)特征屬性

《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中指出,復(fù)雜工程問題必須首先具備“運(yùn)用深入的工程原理,經(jīng)過分析才可能得到解決”這一特征,同時(shí)應(yīng)具備其他6個(gè)特征的部分或全部。這就要求學(xué)生在多學(xué)科交叉背景下,運(yùn)用深入的工程原理解決工程實(shí)際問題,完成“理論指導(dǎo)下的實(shí)踐”。復(fù)雜工程問題的7個(gè)特征屬性如圖1所示。

圖1 復(fù)雜工程問題的7個(gè)特征屬性

1.2 建設(shè)構(gòu)想

成果導(dǎo)向理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證的重要指導(dǎo)思想,以具有工程背景的項(xiàng)目為工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)的載體,參照復(fù)雜工程問題的7個(gè)特征屬性,將涉及工程實(shí)際、教師科研、學(xué)生競賽等方面的工程項(xiàng)目進(jìn)行整合、設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)換成多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜工程問題,構(gòu)建“模塊化-項(xiàng)目式”的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系,并建成植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實(shí)踐項(xiàng)目庫。以課程、項(xiàng)目、課外實(shí)踐等模式,讓學(xué)生參與復(fù)雜工程問題實(shí)踐訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 課程體系構(gòu)建

2.1 基于成果導(dǎo)向工程教育理念的課程體系設(shè)計(jì)

基于成果導(dǎo)向工程教育理念,將復(fù)雜工程問題轉(zhuǎn)化為工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)載體,構(gòu)建了植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系,創(chuàng)建了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制作訓(xùn)練、電氣控制與電工電子訓(xùn)練、新技術(shù)新方法創(chuàng)新訓(xùn)練、機(jī)械與電氣結(jié)合訓(xùn)練4大模塊,并設(shè)計(jì)了各模塊下設(shè)的訓(xùn)練項(xiàng)目(見圖2)。

圖2 植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練課程體系圖

(1) 模塊1:傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制作訓(xùn)練。圍繞從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品運(yùn)行的全過程,在現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)械加工工程訓(xùn)練模塊基礎(chǔ)上,增加機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定等訓(xùn)練內(nèi)容,形成涵蓋設(shè)計(jì)、加工、工藝、裝配等四位一體的機(jī)械加工復(fù)雜工程問題訓(xùn)練載體。設(shè)計(jì)了鴨嘴榔頭創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、熱處理、鉗工等)、顆粒輸送裝置設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、鉗工、焊接、線切割等)、平口虎鉗設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、鉗工等)、基于機(jī)械加工的工藝品設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、焊接、鉗工裝配等)等訓(xùn)練項(xiàng)目。

(2) 模塊2:電氣控制與電工電子訓(xùn)練。以電氣控制與電工電子工程實(shí)踐的工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo),將各知識(shí)點(diǎn)綜合統(tǒng)一、有機(jī)聯(lián)系,搭建涵蓋檢測、調(diào)試、控制、設(shè)計(jì)、制作等內(nèi)容的電氣控制與電工電子復(fù)雜工程問題訓(xùn)練載體。設(shè)計(jì)了基于PLC控制的交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(元器件認(rèn)知、功能分析、控制流程編寫、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試等)、基于PLC控制的電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(元器件認(rèn)知、功能分析、控制流程編寫、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試等)、簡易萬用表的設(shè)計(jì)與制作(元器件認(rèn)知、功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工制作、功能調(diào)試等)、小型變壓器的設(shè)計(jì)與制作(元器件認(rèn)知、功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工制作、功能調(diào)試等)等訓(xùn)練項(xiàng)目。

(3) 模塊3:新技術(shù)新方法創(chuàng)新訓(xùn)練。與工業(yè)主流技術(shù)相銜接,將新技術(shù)新方法融入工程訓(xùn)練課程體系,有助于縮短校企之間的距離,促進(jìn)畢業(yè)生就業(yè)。圍繞3D打印技術(shù)、激光加工技術(shù)等主流技術(shù),對(duì)已開設(shè)的部分訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行整合與再設(shè)計(jì),形成新技術(shù)新方法復(fù)雜工程問題訓(xùn)練載體。設(shè)計(jì)了藝術(shù)小臺(tái)燈創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作(三維建模、3D打印、二維建模、激光加工、電子技術(shù)等)、復(fù)雜零部件逆向求解與3D打印(三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維建模、3D打印等)、基于激光加工的無碳小車設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、二維建模、激光加工、鉗工裝配等)等訓(xùn)練項(xiàng)目。

(4) 模塊4:機(jī)械與電氣結(jié)合訓(xùn)練。機(jī)電一體化技術(shù)將機(jī)械、電工、電子、傳感器、信號(hào)等多種技術(shù)集于一體,已成為生產(chǎn)過程中的重要技術(shù)。依托中心骨干教師科研項(xiàng)目平臺(tái),以機(jī)電一體化技術(shù)為主線,將實(shí)際的機(jī)電工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為機(jī)電結(jié)合復(fù)雜工程問題訓(xùn)練載體。設(shè)計(jì)了零件自動(dòng)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、機(jī)械加工、鉗工裝配、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感測量技術(shù)、測量數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)等)、電控智能小車的設(shè)計(jì)與制作(機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械加工工藝方案制定、機(jī)械加工、鉗工裝配、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)識(shí)別與處理、人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)等)、小型機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(機(jī)械設(shè)計(jì)、模型搭建、路徑規(guī)劃、程序編寫等)等訓(xùn)練項(xiàng)目。

2.2 訓(xùn)練項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì):以藝術(shù)小臺(tái)燈創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作為例

圍繞復(fù)雜工程問題的特征屬性,以工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的畢業(yè)要求為指導(dǎo),進(jìn)行了訓(xùn)練項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì),以藝術(shù)小臺(tái)燈創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目為例,其教學(xué)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 藝術(shù)小臺(tái)燈創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

由圖3可知,藝術(shù)小臺(tái)燈創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目在綜合3D打印技術(shù)、激光加工技術(shù)、電子技術(shù)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了涵蓋基本知識(shí)認(rèn)知、軟件使用、設(shè)備操作、創(chuàng)新實(shí)踐等多個(gè)方面的教學(xué)內(nèi)容。通過分析《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》及復(fù)雜工程問題屬性特征,設(shè)置了市場調(diào)研及文獻(xiàn)研究、問題研究及技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)、學(xué)生分組研究討論、方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工/制造、撰寫文檔及PPT、答辯等教學(xué)環(huán)節(jié),并給出了各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)與《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中的畢業(yè)要求及復(fù)雜工程問題屬性特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

良好教學(xué)效果的取得與合適的教學(xué)方法運(yùn)用密不可分,指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)通過將“基于問題學(xué)習(xí)”和“任務(wù)引領(lǐng)”兩者結(jié)合,形成了以解決問題、完成任務(wù)為主導(dǎo)的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)方法。該方法的實(shí)施步驟及師生主要活動(dòng)如表1所示。

表1 “基于問題學(xué)習(xí)+任務(wù)引領(lǐng)”的教學(xué)方法實(shí)施步驟與師生活動(dòng)

2.3 課程體系的運(yùn)行模式

依據(jù)學(xué)校各專業(yè)培養(yǎng)方案中對(duì)工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)的要求以及大多數(shù)學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐的需求,植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練課程體系主要有以下3種運(yùn)行模式:

(1) 工程訓(xùn)練必修模式。在工程訓(xùn)練課程已有的N個(gè)訓(xùn)練模塊基礎(chǔ)上,將植入復(fù)雜工程問題的部分訓(xùn)練項(xiàng)目作為綜合訓(xùn)練內(nèi)容,設(shè)置I個(gè)綜合模塊,形成“N+I”的工程訓(xùn)練課程新體系。參加工程訓(xùn)練的全部專業(yè),可自主從N個(gè)訓(xùn)練模塊中選擇n個(gè)模塊,從I個(gè)綜合訓(xùn)練模塊中選擇i個(gè)模塊,形成n+i=k的訓(xùn)練項(xiàng)目組合。但不管如何組合,要求k必須滿足本科生院下達(dá)的教學(xué)任務(wù)中規(guī)定的訓(xùn)練周數(shù)。學(xué)生以班級(jí)為單位,在各模塊配備的1名教師指導(dǎo)下,通過小組合作的方式完成訓(xùn)練任務(wù)。工程訓(xùn)練結(jié)束后,指導(dǎo)教師從實(shí)訓(xùn)表現(xiàn)、實(shí)習(xí)報(bào)告、理論考試等方面綜合評(píng)定學(xué)生成績。

(2) 自主創(chuàng)新開放選修模式。將植入復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練項(xiàng)目轉(zhuǎn)換為16/32學(xué)時(shí)的選修課程,學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇課程,并組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。在指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)的組織和帶領(lǐng)下,學(xué)生在8周時(shí)間內(nèi)通過分散學(xué)習(xí)的方式,完成項(xiàng)目內(nèi)容。為保障實(shí)踐效果,指導(dǎo)教師在每周固定時(shí)間為學(xué)生提供1次統(tǒng)一指導(dǎo)。課程結(jié)束時(shí),學(xué)生需要提交作品實(shí)物、設(shè)計(jì)說明書,并通過現(xiàn)場答辯考核。考核合格者可獲得1個(gè)或2個(gè)創(chuàng)新學(xué)分。

(3) 匠心訓(xùn)練班模式?；谌珖髮W(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽等競賽項(xiàng)目,中心向全校本科生發(fā)出競賽報(bào)名通知,學(xué)生自愿報(bào)名,經(jīng)過初步篩選之后組成匠心訓(xùn)練班。以競賽命題要求為主線,涵蓋與競賽相關(guān)的所有內(nèi)容,學(xué)員以3人為一個(gè)團(tuán)隊(duì),經(jīng)過1個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,在競賽指導(dǎo)組的組織和帶領(lǐng)下,完成競賽項(xiàng)目,提交作品實(shí)物、設(shè)計(jì)方案、研究報(bào)告等,并通過校內(nèi)賽/省賽/國賽獲得能力提升。

3 實(shí)踐應(yīng)用效果

作為工程訓(xùn)練課程改革的重要實(shí)踐,植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練課程體系已在我校工程訓(xùn)練中心實(shí)施。200余名學(xué)生按照工程訓(xùn)練必修課程的運(yùn)行模式參加了改革后的工程訓(xùn)練,通過小組合作的方式圓滿完成了所選的訓(xùn)練項(xiàng)目,部分優(yōu)秀學(xué)生作品如圖4所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過一個(gè)學(xué)年的實(shí)踐,改革后的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系,有效提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,提升了學(xué)生參加工程實(shí)踐的積極性,很多學(xué)生表示,植入復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練項(xiàng)目將對(duì)其今后的工作起到重要作用。實(shí)踐證明,改革舉措和方法可行,效果良好,可為其他普通高校的工程訓(xùn)練改革提供參考和借鑒。

圖4 部分優(yōu)秀學(xué)生作品選