跨校區(qū)開展工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程探索及實(shí)踐

齊海濤，邱玉婷，趙 雷，孫英蛟，史成坤

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

隨著“中國制造2025”“工業(yè)5.0”等新一輪科技革命的相繼提出，新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)和新技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)和快速發(fā)展。因此，高等教育中的實(shí)踐類教學(xué)必須不斷豐富和發(fā)展[1-3]，以培養(yǎng)具備大工程觀的現(xiàn)代工程師。工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程作為一門經(jīng)典的工程實(shí)踐類課程，需不斷強(qiáng)化新工科人才工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的核心定位，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維的新工科人才具有重要的意義[4-6]。

北京航空航天大學(xué)工程實(shí)踐教學(xué)的主要陣地在工程訓(xùn)練中心。兩校區(qū)辦學(xué)是北京航空航天大學(xué)邁向“雙一流”大學(xué)的重要規(guī)劃，工程訓(xùn)練中心按照學(xué)校兩校區(qū)布局規(guī)劃已整體搬遷至沙河校區(qū)，承擔(dān)著建設(shè)校內(nèi)外工程實(shí)踐類課程的教育責(zé)任，而信息類學(xué)生仍在學(xué)院路校區(qū)學(xué)習(xí)和生活。工程訓(xùn)練中心以工程認(rèn)知與訓(xùn)練為試點(diǎn)課程，重新定位面向居住在學(xué)院路校區(qū)信息大類專業(yè)本科生的實(shí)踐課程。本課程通過借鑒線上教學(xué)寶貴經(jīng)驗(yàn)[7-10]，豐富課程資源，充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)[11-12]，積極開展跨校區(qū)課程體系建設(shè)及教學(xué)環(huán)境搭建，以期達(dá)到更好地服務(wù)于跨校區(qū)的本科實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

一、工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程變革

原有的工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程體系強(qiáng)調(diào)多工種全覆蓋形式，每個學(xué)生學(xué)完課程需要單獨(dú)安排出8 天的教學(xué)時間，尤其是已搬遷至學(xué)院路校區(qū)的信息大類學(xué)生，需要持續(xù)8 天每天180 名學(xué)生的兩校區(qū)往返量（根據(jù)往屆學(xué)生數(shù)量以400 名學(xué)生進(jìn)行推算）。兩校區(qū)地理位置間隔近30 千米，大量學(xué)生高頻次往返兩校區(qū)存在重大安全隱患。因此對本門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和教學(xué)環(huán)境進(jìn)行改革勢在必行。

（一）課程教學(xué)內(nèi)容的改革

工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程共有32 學(xué)時，原教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)械加工參觀、數(shù)控操作、3D 與激光加工和電火花切割加工。原課程的開展形式類似于傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)的教學(xué)模式，機(jī)械加工、數(shù)控與其他特種加工的每個環(huán)節(jié)均由任課教師講授工種基本概念、特點(diǎn)及應(yīng)用，并現(xiàn)場教學(xué)示范。隨后由學(xué)生設(shè)計零件并操作相應(yīng)設(shè)備完成。原教學(xué)內(nèi)容需要集中占據(jù)學(xué)生大量假期時間，并且要求學(xué)生高頻次往返兩校區(qū)。

變革后的工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程將教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為少工種全過程形式。具體調(diào)整如下：理論教學(xué)部分，仍保留經(jīng)典的傳統(tǒng)加工工種和前沿的特種加工工種，但經(jīng)課程頂層設(shè)計，引入大量教研一線教師，不斷提升課程前沿科技含量，并提煉出實(shí)踐類課程的思政元素，在實(shí)踐中不斷探索和調(diào)整。在課程前期，新增安全教育和工程倫理，加強(qiáng)學(xué)生對于安全意識、責(zé)任意識和工程規(guī)范的理解。在對工種介紹時，自然融入該知識點(diǎn)相對應(yīng)的思政元素。以3D 打印為例，任課教師會列舉北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)的激光增材制造技術(shù)，向?qū)W生講述讓大型金屬零件“隨心所欲”長出來的重大戰(zhàn)略意義。每個工種均包含設(shè)計任務(wù)，但在最后的實(shí)踐部分，將由學(xué)生自主選擇感興趣的2 個工種，并完成從設(shè)計到生產(chǎn)制造簡單產(chǎn)品的全生命周期過程。

（二）課程教學(xué)形式的改革

原有的工程認(rèn)知與訓(xùn)練課程由分散的16 學(xué)時理論講解和16 學(xué)時現(xiàn)場實(shí)踐組成。圖1 為改革之后工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程教學(xué)的實(shí)施流程。理論講解內(nèi)容是將原來分散在各工種中的理論講解集中起來，如特種加工理論講解包含3D 打印和激光加工。上課地點(diǎn)也由之前的沙河校區(qū)轉(zhuǎn)為學(xué)院路校區(qū)（學(xué)生居住地），以實(shí)現(xiàn)“學(xué)生少跑”。在授課內(nèi)容中將原有的安排學(xué)生前往沙河校區(qū)參觀機(jī)械加工的部分，改變?yōu)殇洸ヒ曨l和沙河校區(qū)現(xiàn)場遠(yuǎn)程全景視頻直播實(shí)踐。

圖1 工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程教學(xué)的實(shí)施流程圖

在后疫情時代，團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)往屆實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，充分研討實(shí)踐環(huán)節(jié)重難點(diǎn)，重新梳理實(shí)踐課程內(nèi)容，將機(jī)械工程技術(shù)相關(guān)課程已錄制成20 個專題70 余段視頻?？紤]到錄播視頻只能讓學(xué)生初步了解實(shí)體機(jī)床和設(shè)備的構(gòu)成、操作流程，缺乏更直觀的感官認(rèn)識。因此，在學(xué)院路校區(qū)理論講解的現(xiàn)場，教學(xué)環(huán)節(jié)新增遠(yuǎn)程同步直播沙河校區(qū)設(shè)備操作實(shí)況。直播環(huán)節(jié)包含多個全景式鏡頭和局部高清鏡頭，以確保學(xué)生可以看到整個設(shè)備的工作環(huán)境和設(shè)備操作的清晰界面。以往的參觀環(huán)節(jié)考慮到安全因素，并不能保證每位學(xué)生都可以近距離接觸機(jī)床，而現(xiàn)在的直播系統(tǒng)可以讓每位學(xué)生身臨其境，開展沉浸式實(shí)踐參觀。在理論課的直播現(xiàn)場，學(xué)生可以對直播角度提出要求，沙河校區(qū)的任課教師可根據(jù)學(xué)生的具體要求隨時調(diào)整鏡頭，讓全景效果與細(xì)微的操作顯示一覽無余地呈現(xiàn)在跨校區(qū)上課的學(xué)生眼前。

現(xiàn)場實(shí)踐部分采取輪換模式，由學(xué)生帶著相應(yīng)工種的設(shè)計作品與思考，直接到實(shí)訓(xùn)室操作與實(shí)踐。實(shí)踐部分仍劃分為2 大部分：8 學(xué)時傳統(tǒng)制造技術(shù)和8 學(xué)時先進(jìn)制造技術(shù)。其中傳統(tǒng)制造技術(shù)的實(shí)踐包括4 學(xué)時鉗工，學(xué)生還可在車工、銑工和鑄造3 個工種中任選1 個工種開展4 學(xué)時實(shí)踐；先進(jìn)制造技術(shù)的實(shí)踐包括數(shù)控加工、線切割、3D 打印和激光切割?？紤]到數(shù)控加工作為目前主流的加工方式，線切割、3D 打印和激光切割在快速成型方面優(yōu)勢巨大，這4 種先進(jìn)制造技術(shù)均為必選工種，要求學(xué)生均開展2 學(xué)時實(shí)踐。

（三）跨校區(qū)網(wǎng)絡(luò)直播互動系統(tǒng)的搭建

北京航空航天大學(xué)的學(xué)院路校區(qū)和沙河校區(qū)之間有近30 千米的距離。為了建立跨校區(qū)穩(wěn)定流暢和畫面清晰同步的網(wǎng)絡(luò)直播互動系統(tǒng)，本課程在已有的校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，新增30 個高清攝像頭（最大分辨率可達(dá)1 920×1 080，具有多種光學(xué)變焦模式、支持自動聚焦）、1 套完整的視頻多點(diǎn)控制單元（設(shè)備最大支持200個分課堂、支持多種分屏模板和支持IVRT 互聯(lián)網(wǎng)視頻無損傳輸技術(shù)）、4 套視頻編解碼終端（實(shí)現(xiàn)授課圖像、聲音和電腦圖像同步傳送）、1 套視頻授課軟件、10 套視頻切換臺（支持不低于4 路視頻無縫切換、可遙控操控）、2 套集成控制臺、1 套錄課設(shè)備和多套無線麥克風(fēng)。

學(xué)院路校區(qū)開展前沿理論講解與沙河校區(qū)同步遠(yuǎn)程全景視頻直播的平臺搭建及現(xiàn)場效果圖如圖2 所示。沙河校區(qū)的實(shí)踐教學(xué)演示可以通過車間安裝的網(wǎng)絡(luò)攝像頭和音頻采集設(shè)備將信號傳至集成控制系統(tǒng)，再接入視頻直播服務(wù)器即可完成跨校區(qū)的網(wǎng)絡(luò)直播互動教學(xué)。本課程使用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)，確保提供高質(zhì)量的音視頻傳輸，充分保障跨校區(qū)直播教學(xué)工作順利進(jìn)行。此外，每次視頻直播部分會錄制下來，并上傳至課程中心，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)。

圖2 工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程跨校區(qū)教學(xué)的平臺搭建與現(xiàn)場效果圖

二、跨校區(qū)開展工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程的效果

基于以上教學(xué)設(shè)計思路與教學(xué)環(huán)境搭建，本課程于2020 年和2021 年共開展了近8 輪次的教學(xué)實(shí)踐。秋季學(xué)期課程結(jié)束后工程訓(xùn)練中心發(fā)布匿名調(diào)查問卷，通過問卷的方式調(diào)研學(xué)生對本課程的滿意度及從學(xué)生角度看目前課程存在的問題。此次問卷調(diào)查共收回337 份有效問卷，占秋季課程人數(shù)（453 人）的74.4%。

（一）學(xué)生參與課程環(huán)節(jié)的情況

表1 中的第1、2、4 項(xiàng)與考核成績直接關(guān)聯(lián)，因此這3 個環(huán)節(jié)中學(xué)生的參與度很高。第3 項(xiàng)“課后觀看課程錄像”是對理論部分的有效復(fù)習(xí)和實(shí)踐前的必要過程，學(xué)生自主參與的程度也很高。借鑒線上教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，本課程十分注重構(gòu)建多方位答疑（QQ 群、一對一和線下等），確保以更加高效的方式滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。答疑環(huán)節(jié)擁有過半的高參與度，說明了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)動力較強(qiáng)，也從側(cè)面說明了本課程對學(xué)生的吸引力較高。

表1 工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程學(xué)生參與的課程環(huán)節(jié)情況

（二）學(xué)生對課程各環(huán)節(jié)的滿意程度

從表2 可以看出，學(xué)生對課程各環(huán)節(jié)的滿意和很滿意基本上能達(dá)95%。通過對比傳統(tǒng)制造技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)2 大部分，不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生對先進(jìn)制造技術(shù)的理論知識講解環(huán)節(jié)和現(xiàn)場實(shí)踐環(huán)節(jié)的滿意程度更高。

表2 學(xué)生對工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程各環(huán)節(jié)的滿意程度 （%）

（三）學(xué)生更傾向于哪種開課方式

從表3 可以看出，88.13%的學(xué)生更傾向于目前跨校區(qū)開展工程認(rèn)知與訓(xùn)練的方式，極少數(shù)學(xué)生愿意通過高頻次往返兩校區(qū)開展實(shí)踐教學(xué)。

表3 學(xué)生更傾向于哪種開課方式學(xué)習(xí)“工程認(rèn)知與訓(xùn)練”（信息類）課程

三、結(jié)束語

跨校區(qū)開展工程認(rèn)知與訓(xùn)練（信息類）課程無論在教學(xué)內(nèi)容，還是教學(xué)模式上均有著重大變革。此次課程的變革主要是通過建立工程實(shí)踐類課程線上（微視頻、實(shí)踐操作直播和答疑）+線下（理論講解、現(xiàn)場實(shí)踐）混合教學(xué)模式，充分發(fā)揮線上和線下教學(xué)互補(bǔ)增強(qiáng)的優(yōu)勢作用，尤其是理論課堂穿插實(shí)踐車間直播這種模式在國內(nèi)外同類課程中屬于首次嘗試。革新課程開展方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，突破空間局限，不斷擴(kuò)大課程的受眾面。這種創(chuàng)新方式不僅僅是滿足跨校區(qū)開展實(shí)踐課程的教學(xué)，而且也是對于實(shí)踐課程共享共建平臺的大膽嘗試。