工程訓(xùn)練通識教育的教學(xué)探索與實踐

劉賽 蔡寶

摘?要：?面向非工科專業(yè)學(xué)生，根據(jù)工程實踐與通識教育兩者的特點和要求，分析了工程訓(xùn)練通識課程的教學(xué)理念與基本定位，結(jié)合工程領(lǐng)域涌現(xiàn)的新技術(shù)，不斷更新課程模塊，形成了全新的工程實踐通識教育課程。實踐表明，全新的課程有利于提高學(xué)生的工程實踐能力，有利于促進多學(xué)科之間的融合，有利于傳遞工程理念，有利于提升非工科學(xué)生的工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：?工程實踐；通識教育；模塊化教學(xué)；工程素養(yǎng)

中圖分類號：?TB??????文獻標(biāo)識碼：?A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.06.102

0?引言

20世紀(jì)七八十年代，英國科學(xué)促進會倡導(dǎo)建立科技、經(jīng)濟與管理相結(jié)合的工程教育體系，法國工程教育提出需要工程人員熟悉科技、經(jīng)管、人文、法律等知識，美國工程教育改革強調(diào)“加強工程實踐訓(xùn)練，加強各種能力的培養(yǎng)”；在內(nèi)容上強調(diào)“綜合與集成，自然科學(xué)與人文社會科學(xué)的結(jié)合，工程與經(jīng)濟管理的結(jié)合”。自進入21世紀(jì)以來，我國工程教育同樣進入了飛速發(fā)展階段。工程訓(xùn)練早期課程主要面向一二年級學(xué)生開設(shè)工程技能實踐訓(xùn)練，但其主要是針對工科類專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，而對非工科專業(yè)學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)卻大大不足，忽視了該課程的通識性及公共基礎(chǔ)性的特征。工程訓(xùn)練通識課程應(yīng)通過工程實踐使學(xué)生了解工業(yè)制造流程，體驗工程文化，從而實現(xiàn)文理相結(jié)合、學(xué)科相交叉的教學(xué)理念，以滿足學(xué)生通識教育作為首要考慮因素，以普及工程基礎(chǔ)技能和工業(yè)最新前沿科技作為重要內(nèi)容，進而培養(yǎng)學(xué)生具有一定的工程意識，滿足一專多能的專業(yè)需求。因此，上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心結(jié)合現(xiàn)有的教學(xué)條件，對課程結(jié)構(gòu)不斷進行分析、重整，以提升工程通識訓(xùn)練的教學(xué)質(zhì)量，支撐工程教育的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1?工程訓(xùn)練通識教育課程的教學(xué)理念與基本定位

工程訓(xùn)練區(qū)別于傳統(tǒng)的理論教學(xué)和專業(yè)知識的傳授，重在素質(zhì)和能力的提升，其特點在于體現(xiàn)性與實踐性的充分展示，它既是學(xué)習(xí)工程知識和工程技術(shù)的重要手段，更是培養(yǎng)工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新潛質(zhì)的重要途徑。面向非工科專業(yè)學(xué)生進行工程訓(xùn)練通識課程可以實現(xiàn)：

第一，培育學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。工作嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范是工程活動的基本表象。

第二，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生從工程角度思考問題。

第三，培養(yǎng)學(xué)生工程科學(xué)精神。通過工程倫理、技術(shù)發(fā)展史等內(nèi)容的拓展，培養(yǎng)學(xué)生辯證的科學(xué)認識論和方法論。

第四，適當(dāng)融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感和正確的價值觀。

2?工程訓(xùn)練通識教育課程的教學(xué)改革分析

2.1?工程訓(xùn)練通識課程基本調(diào)查

為了進一步培養(yǎng)非工科專業(yè)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，很多高校對工程訓(xùn)練系列課程進行了大量的教學(xué)改革，并根據(jù)各自學(xué)校的特點增添了不同的特色教學(xué)項目。例如有的高校引入數(shù)控技術(shù)模塊，有的高校引入激光機工、3D打印、線切割等先進制造技術(shù)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)了機械工程實訓(xùn)、電工電子實訓(xùn)和現(xiàn)代農(nóng)牧漁林裝備及車輛工程實訓(xùn)等三個方面的工程實踐訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容；北京航空航天大學(xué)基于自身“航空航天特色和工程技術(shù)優(yōu)勢”，總結(jié)了各專業(yè)所涉及的工程技術(shù)，構(gòu)建了以航空航天工程技術(shù)為基礎(chǔ)的“機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)”綜合性工程訓(xùn)練平臺。

2.2?《基礎(chǔ)工程訓(xùn)練》通識課程內(nèi)容的更新及優(yōu)化

上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心自2002年創(chuàng)辦以來就建立了工程技能通識訓(xùn)練課程《金工實習(xí)》，主要面向全校非工科專業(yè)學(xué)生，開設(shè)了機械工程實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，如表?1?所示。最初側(cè)重了機械產(chǎn)品常用的金屬材料及其加工方法。隨著教學(xué)的開展，發(fā)現(xiàn)了一些問題：非工科類專業(yè)學(xué)生的工程理念相對不完善，容易出現(xiàn)安全問題；教學(xué)內(nèi)容及模式僅僅局限在機械制造專業(yè)技能實訓(xùn)，非工科專業(yè)學(xué)生容易出現(xiàn)專業(yè)概念理解不到位和機床操作困難的現(xiàn)象；學(xué)科單一，課程體系相對落后，在很大程度上限制了學(xué)生工程理念的拓展與眼界的開闊。因此，自2015年開始對其進行教學(xué)改革，從單一學(xué)科向多學(xué)科交叉融合轉(zhuǎn)變，面向全校非工科專業(yè)學(xué)生重構(gòu)了課程模塊內(nèi)容。2015年修訂后的培養(yǎng)方案中注重了生產(chǎn)實際、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的拓展。但是，修訂后的教學(xué)模塊相對松散、孤立，缺乏項目的系統(tǒng)性，各個模塊的整合性差，綜合性不足。因此，以工程認識為目的，從課程的統(tǒng)一性出發(fā)，2019年重新優(yōu)化整合了通識課程模塊。優(yōu)化后的課程以六角螺母為核心，所有模塊均圍繞學(xué)生作品展開教學(xué)，如圖1所示。七個教學(xué)模塊以六角螺母為基礎(chǔ)，完成了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計-加工-裝配的整個過程，使得課程真正實現(xiàn)了統(tǒng)一性、實用性、完整性。

3?工程訓(xùn)練通識課程實施

3.1?工程訓(xùn)練課程教學(xué)實施

工程訓(xùn)練通識課程根據(jù)現(xiàn)有硬件設(shè)備及師資條件，采用小班上課，每學(xué)期大約800名學(xué)生，每個班級不超過20人，并由4-5名教師進行7個模塊的講解。課程內(nèi)容包括六角螺母三維設(shè)計、零件加工以及組裝調(diào)配，這正是工業(yè)產(chǎn)品誕生過程的一個縮影，學(xué)生可以充分了解工業(yè)產(chǎn)品的制造流程，真正做到聞一知十。

3.1.1?CATIA三維設(shè)計模塊

本模塊使得學(xué)生掌握CATIA軟件草圖操作、零件實體設(shè)計；初步了解零件裝配設(shè)計，了解初步的工業(yè)設(shè)計流程。如何通過有限學(xué)時使學(xué)生初步掌握軟件的基本操作，這是本模塊遇到的最大困難。本模塊共計8學(xué)時，小班授課的優(yōu)勢是在短時間內(nèi)可以處理每位同學(xué)所遇到的問題。在教學(xué)實施過程中，少理論、多案例是原則，多點撥、多實踐是核心。例如，在講解“零件設(shè)計”內(nèi)容時，不追求工具欄命令的面面俱到，而是突出三維模型所實際需要使用的命令。經(jīng)過軟件實操訓(xùn)練，學(xué)生可獨立完成六角螺母和螺栓三維模型的創(chuàng)建，并導(dǎo)出STL文件，以備后續(xù)3D打印模塊使用。圖2為學(xué)生自主創(chuàng)建的螺母及螺栓的三維模型。

3.1.2?虛實結(jié)合車床模塊

非工科專業(yè)學(xué)生對普通車床的應(yīng)用以體驗為主，以工程認識為目的，同時以學(xué)生安全為首位，把普通車床的實踐操作與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)成車削模塊。在教學(xué)實施過程中，先進行車床實際加工，后進行虛擬車床加工。普通車床模塊由2名教師指導(dǎo)近20名學(xué)生進行車床加工。每2名同學(xué)為1組，共同分配一臺車床。在學(xué)生實踐操作過程中，教師在車間進行巡視，及時處理現(xiàn)場各種突發(fā)狀況。

3.1.3?銑削模塊

在普通銑床實訓(xùn)過程中，同樣要求以以學(xué)生安全為首位，每2名同學(xué)為1組，共同分配一臺銑床，2名同學(xué)輪流操作，禁止2名同學(xué)同時操作同一臺車床銑床，以普通車床加工出的胚料為基礎(chǔ)，繼續(xù)進行加工，銑削螺母胚料的對角面，并將其作為加工基準(zhǔn)，為后續(xù)鉗工做準(zhǔn)備。

3.1.4?鉗工模塊

鉗工模塊使學(xué)生了解鉗工的特點與作用；熟悉鉗工的基本操作方法及作用，熟悉鉗工安全操作規(guī)范。在教學(xué)實踐過程中，每人單獨一個工位，學(xué)生以銑床加工出的螺母半成品為基礎(chǔ)，通過劃線、測量、鋸削、銼削、鉆孔、攻絲等工序，最后制作出六角螺母作品。鉗工是以手工操作為主的模塊，不僅可以提高學(xué)生實踐動手能力，也是一次非常完美的勞動教育課程，因此在充滿智能化元素的社會環(huán)境中，鉗工模塊以其獨有的手工操作獨樹一幟，是工程訓(xùn)練通識課程中不可或缺的模塊。

3.1.5?3D打印模塊

3D打印模塊使學(xué)生了解3D打印基礎(chǔ)知識與基本技能，掌握3D打印機的使用。學(xué)校工訓(xùn)中心設(shè)有5臺3D打印機UP?BOX和10臺小型桌面打印機，恰恰適合于不超過20人的小班授課。教師講解三如何設(shè)置打印精度、填充率、切片厚度等相關(guān)3D打印參數(shù)，學(xué)生根據(jù)CATIA三維建模模塊導(dǎo)出的螺母和螺栓的STL文件直接打印出三維作品，并進行裝配，如圖3所示。本模塊使學(xué)生掌握了基礎(chǔ)的3D打印技能，有效地提高了教學(xué)效果，同時學(xué)生通過體驗3D打印和車銑鉗模塊分別加工出的螺母，分析兩種加工方式的區(qū)別。

3.1.6?激光加工模塊

學(xué)校激光實驗室擁有激光打標(biāo)及激光雕刻設(shè)備各一臺，在教學(xué)實施過程中，小班授課時分為2組，每組7-9名同學(xué)輪流操作兩臺設(shè)備，學(xué)生在螺母零件上打上標(biāo)記，制作出獨一無二的僅屬于本人的作品，使學(xué)生有很強的成就感，充分調(diào)動了學(xué)生的參與度。當(dāng)完成螺母的激光標(biāo)記后，剩余時間不設(shè)定統(tǒng)一的教學(xué)任務(wù)，學(xué)生任意發(fā)揮，自己確定打標(biāo)材料，打標(biāo)文字或圖片，這一模塊不僅緊貼課程內(nèi)容，而且具有充分的開放性、發(fā)散性，獲得了學(xué)生一致好評。

3.1.7?工業(yè)機器人模塊

ABB?IRB120工業(yè)機器人相關(guān)部件組成工作臺、碼垛單元、視覺單元、裝配單元和倉儲單元。實訓(xùn)過程中示教過程簡單易懂，只需精確定位產(chǎn)品抓取和放置點；機器人視覺利用相機代替人眼來對六角螺母做出各種判斷。以六角螺母作為目標(biāo)零件，通過工業(yè)機器人模塊使學(xué)生了解運輸、裝配、碼垛等操作流程。教學(xué)實施過程中，不超20人的小班授課僅僅需要3-4臺六角桌工業(yè)機器人，每6名同學(xué)分配為一組，全班分為3-4組即可，通過機器人實驗平臺使學(xué)生了解工業(yè)機器人基本知識與操作技能，培養(yǎng)學(xué)生工程理念及工程素養(yǎng)。

3.2?工程訓(xùn)練通識課程特色

3.2.1?覆蓋面廣

工程訓(xùn)練通識課程面向全校高職學(xué)院、文理學(xué)院、經(jīng)管學(xué)院近20個非工科專業(yè)開設(shè)，每學(xué)年覆蓋近1600名大一新生，可以有效地培養(yǎng)非工科專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力、提升其工程素養(yǎng)，對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高具有一定的支撐作用。

3.2.2?緊貼工業(yè)科技前沿，及時更新教學(xué)內(nèi)容

本課程自開設(shè)以來，不斷進行教學(xué)改革。早期《金工實習(xí)》課程對于非工科專業(yè)學(xué)生來說，具有較大的難度，無形中影響了對實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)改革就是要摒除不利因素，為非工科專業(yè)學(xué)生創(chuàng)設(shè)工程實踐環(huán)境，培養(yǎng)其工程意識、工程思維，以此為出發(fā)點，工程訓(xùn)練通識課程削減傳統(tǒng)機械加工模塊學(xué)時，適當(dāng)增加新知識，拓寬新領(lǐng)域，引入了3D打印、激光加工、機器人等新模塊，為學(xué)生展現(xiàn)了真實的工程環(huán)境，有利于培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才。

3.2.3?教學(xué)內(nèi)容承上啟下，多模塊有機統(tǒng)一

七大教學(xué)模塊以六角螺母作為教學(xué)核心，教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系緊密，承上啟下，從產(chǎn)品設(shè)計到加工制作，最后裝配，使得課程真正實現(xiàn)了統(tǒng)一性、實用性、完整性，這也正是一個工業(yè)產(chǎn)品成形的縮影，真正解決了教學(xué)模塊孤立的問題。

4?工程訓(xùn)練通識課程的實踐成果

4.1?學(xué)生課堂教學(xué)效果對比分析

教學(xué)改革之前，教學(xué)模塊比較零散，學(xué)生對課程缺乏整體認識，而且由于多模塊導(dǎo)致的教學(xué)地點多變、教師不斷更換，很容易導(dǎo)致學(xué)生不清楚課程內(nèi)容，課堂教學(xué)效果不是很理想；新模塊的工程訓(xùn)練通識課程，七大教學(xué)模塊以六角螺母作為教學(xué)核心，學(xué)生對教學(xué)任務(wù)有了明確的認識，從而使得學(xué)生對課程有了整體性的認識，大大提升了課堂教學(xué)效果。

4.2 學(xué)生實踐能力對比分析

教學(xué)改革之前，教學(xué)內(nèi)容更新不及時，計算機繪圖模塊停留在二維圖形教學(xué)內(nèi)容，對于非工科學(xué)生的理解有很大的難度，雖然也有一系列實踐作品，但是均處于零散、孤立狀態(tài)，都屬于單個零件，缺乏整體性效果，學(xué)生僅僅是按照教師的演示，然后進行“復(fù)制粘貼”工作，缺乏創(chuàng)新性。新模塊的工程訓(xùn)練通識課程，以螺母作為教學(xué)核心，將七大教學(xué)模塊有機結(jié)合到一起，大大提升了學(xué)生的工程實踐能力，如圖4所示。在完成教學(xué)任務(wù)的前提下，學(xué)生可以自我設(shè)計，充分實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)開放化，充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5?結(jié)論

面向全校不同非工科專業(yè)，工程訓(xùn)練通識課程需要密切結(jié)合工程領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)的新理念、新技術(shù)，不斷更新課程內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的模塊化使得課程自身呈現(xiàn)零散化、孤立化的現(xiàn)象，如何將各個教學(xué)模塊整合到一個完整的、系統(tǒng)的工程案例，如何將工程理念、工程實踐與工程素養(yǎng)有機結(jié)合為一體，這需要教學(xué)工作者不斷地研究和探索，真正實現(xiàn)多學(xué)科融合的教學(xué)目標(biāo)，以滿足現(xiàn)代工業(yè)對復(fù)合型人才的要求。

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