階梯式項目驅動的工程實踐教學改革與探討

高守鋒，尚 妍，金 鑫，李占龍，李緣地，仇天陽

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

0 引 言

當今世界，新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革持續(xù)向縱深演進，正深刻影響著經(jīng)濟社會運行方式、國際競爭范式乃至世界格局發(fā)展趨勢［1］。在錯綜復雜的國際形勢下，我國全面建成了小康社會，正在向全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的宏偉目標邁進［2］?！翱萍寂d則民族興，科技強則國家強”，提高科技創(chuàng)新能力，人才是關鍵，而高素質、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是21 世紀研究型大學的重要使命和根本任務［3-4］。

我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和許多重大工程項目的實施對工程領域的人才素質提出了新的要求，工程教育的重要性日益凸顯，培養(yǎng)具有復雜工程問題解決能力的高素質人才將成為未來高等工程教育改革的核心和難點［5-8］。2016 年，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個締約國，標志著我國高等教育進入了新的發(fā)展階段［9］。為了進一步提高我國高等工程教育質量，實現(xiàn)從高等教育發(fā)展趨勢的跟隨者向領跑者的加速轉變，近年來，國家提出了“新工科”倡議，為我國高等工程教育改革指明了方向［10-11］。在新工科視域下，對于能力和素質的要求被提高到了前所未有的層次，未來工程技術人才除了要具備扎實的自然科學常識、工程科學基礎知識、工程技術專業(yè)知識之外，還應具備分析和解決復雜工程問題的能力，這同時也是用人單位對于工科畢業(yè)生的迫切需求［12］。

本文以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力為主要導向，優(yōu)化配置優(yōu)勢教學資源，搭建面向工程問題解決能力培養(yǎng)的綜合實踐教學平臺，在此基礎上，將具體工程問題加以分解、消化，最終以實驗項目的形式有機融合到實踐教學過程中，針對不同類別學生構建階梯式、層次化實踐教學體系，針對性完善教學模式和考評方式，探索將復雜工程問題有機融入工程實踐教學的可行性和有效性。

1 新形勢下實踐教學改革重點

1.1 復雜工程問題的定位和屬性

《華盛頓協(xié)議》和《工程教育認證標準》中均對培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力作了明確要求，深刻理解和把握復雜工程問題的特征與內涵是全面提升實踐育人質量的前提［13-15］。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，開放性、多樣性、綜合性、多學科交叉逐漸成為現(xiàn)代工程問題的顯著特征，而復雜工程問題即需要運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決的綜合、抽象、復雜工程問題，這類問題的解決往往涉及多學科的工程專業(yè)知識、原理和方法，需要處理多方面技術、工程和其他因素存在的沖突。為了解決復雜工程問題，學生應具備深厚的專業(yè)知識儲備、靈活運用知識的能力、自主創(chuàng)新能力及良好的組織協(xié)調能力，相應地，工程訓練中心實踐教學平臺建設及相關實踐教學改革工作也需要以上述培養(yǎng)目標的達成為出發(fā)點和落腳點［16］。

1.2 工程實踐教學現(xiàn)狀

高校的工程訓練中心多基于原校辦實習工廠組建而成，隨著國家對高等工程教育要求的不斷提高和高校教學改革工作的不斷深化，工程訓練在教學模式和教學內容上相對于以往的金工實習都有了很大的改變［17］。以我校工程訓練中心為例，依托前期的搬遷和擴建項目，實現(xiàn)了實踐教學條件的全面升級，完成了測量反求、智能制造、精密鑄造、增材制造、激光加工等一系列創(chuàng)新實踐教學模塊的建設。經(jīng)改造升級后的工程訓練中心已經(jīng)成為學校開展工程實踐教育的重要平臺，現(xiàn)面向全校機械類、近機械類以及經(jīng)、管、文、理等相關專業(yè)本科生開展工程訓練、自主探究和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動，為學校人才培養(yǎng)工作和“雙一流”建設提供了重要支撐。

然而，隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和國家對于高等人才培養(yǎng)目標的不斷提升，中心目前存在的教學模塊或工序間缺乏有效銜接、教學方法與組織形式缺乏創(chuàng)新、教學效果評價方法粗放等弊端逐漸顯現(xiàn)，現(xiàn)有教學模式難以對復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)目標形成有效支撐，相關教學改革工作亟待開展［18］。

1.3 問題梳理和改革策略

作為國家級實驗教學示范中心，深化實驗教學改革、探索創(chuàng)新性實驗教學模式、優(yōu)化實驗教學資源、增強示范輻射能力是中心的責任和使命。為了進一步踐行實踐育人使命，中心依托各級各類教育改革項目，充分調動教師積極性，深入教學一線挖掘現(xiàn)有教學問題，調研論證教學方案和教學內容的改進措施，有序開展“教學學術”研究。

調研發(fā)現(xiàn)，中心現(xiàn)存的問題主要體現(xiàn)在教學模式、教學內容、師資力量及管理考核機制4 個方面：

（1）教學模式。工程訓練中心改建自校辦實習工廠，個別傳統(tǒng)工種仍然沿襲“學徒制”教學模式，學生只需按部就班完成所布置的實訓任務即可，教學內容缺乏創(chuàng)新，教學過程不夠靈活，學生缺乏自主性和參與感，教學效果一般；此外，學生在學習能力、動手能力、溝通能力等方面存在明顯的個體差異，以往的教學模式不能解決由此帶來的學習進度不同步的問題，具體表現(xiàn)為有學生在完成階段性實訓任務后無所事事，從而導致時間和實驗資源的大量浪費。

（2）教學內容。傳統(tǒng)的車削、銑削、鉗工、鑄造、焊接等實訓模塊仍占有較高比例，教學活動中所用的圖紙、材料、工藝方法等資料均由中心提供，教學過程側重技術傳授，對作件背后的工程應用背景、加工質量要求、工藝技術特點、相關技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀等內涵元素的發(fā)掘遠遠不夠。對于自動化、電子信息工程、計算機科學與技術等近機械類和非機械專業(yè)學生而言，學科跨度較大，在短期內難以達成操作技能訓練的教學目標；對于新設立的先進制造技術相關教學模塊而言，新入職的青年教師在教育理論知識和實踐經(jīng)驗的積累方面存在不足，圍繞先進儀器設備開展的實驗項目開發(fā)工作較為有限，從而導致一定的資源浪費現(xiàn)象；此外，與其他學科的交叉與融合不能在課堂中很好體現(xiàn)，理論知識的傳授不系統(tǒng)、不全面、無條理。

（3）師資力量。對于占中心人數(shù)一半的工勤技能系列中老年指導教師而言，積極性普遍不高，思想觀念較為保守，知識體系陳舊，缺乏沖勁和創(chuàng)造力，難以滿足新形勢下高素質復合型人才的培養(yǎng)要求。

（4）考核機制。學生實訓成績主要由平時成績和考試成績構成，其中，平時成績由各模塊指導教師考慮學生出勤情況、日常表現(xiàn)、作品質量等因素給出，成績的給定缺乏統(tǒng)一的標準，帶有明顯的主觀性；對于結課考試而言，題型多為客觀題，缺乏對學生實踐過程中非智力因素的考慮，不能很好地體現(xiàn)學生的綜合實訓效果。

上述問題的存在直接影響著實踐育人目標的達成，因此，針對以上突出問題，深入挖掘現(xiàn)代工程實踐教學的豐富內涵，探尋問題根源，從新理念、新模式、新方法、新內容等維度出發(fā)，將具體工程實際問題引入教學，立足中心現(xiàn)有教學資源及典型工種，開展試點改革，構建綜合創(chuàng)新型工程實踐教學平臺，針對不同類型學生定制開發(fā)教學內容，以點帶面，以期最終實現(xiàn)中心實踐教學水平的整體提升和育人模式的全面優(yōu)化。

2 平臺建設及教學項目開發(fā)

2.1 綜合實踐教學平臺建設

基于具體復雜工程問題的項目式教學是對工程教育專業(yè)認證標準深刻解讀后形成的重要決策，是提升學生綜合實踐能力的有效途徑。本中心現(xiàn)有的逆向工程實訓模塊具有知識點密集、學生參與度高、多學科交叉、貼近生產(chǎn)實際等諸多特點，是項目式實踐教學開展的良好載體，為此，課題組以逆向工程模塊為基礎，向傳統(tǒng)加工、數(shù)控加工、增材制造、加工質量表征等模塊作了進一步拓展和延伸，搭建了可覆蓋典型工業(yè)產(chǎn)品全部工藝流程的現(xiàn)代制造綜合實踐教學平臺（見圖1）。

圖1 基于逆向工程的現(xiàn)代制造綜合實踐教學平臺

為了保證實踐教學活動的順利開展，圍繞平臺構建了項目式實踐教學培養(yǎng)體系（見圖2），為基于項目的“一體化、全流程、貫通式”實踐教學活動開展提供了有力保障。該培養(yǎng)體系面向機械類、近機械類、非機械類3 個不同類型的學生群體，以難度不同的3 類具體工程問題衍生的實驗項目為主線，將測量技術、逆向建模、增材制造、傳統(tǒng)加工、數(shù)控加工等實踐教學模塊有機串聯(lián)，打通不同工藝方法和上下游工序間的壁壘，最終基于現(xiàn)代測量手段對作品的加工質量進行檢測，形成教學過程的閉環(huán)反饋機制，引導學生深入理解加工質量的溯源分析和控制策略。教學內容豐富多彩，儀器設備利用率高，教學組織緊張有序，讓學生沉浸式體驗現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程，在不知不覺中實現(xiàn)工程意識的養(yǎng)成以及實踐動手能力和分析解決問題能力的有效提升。

2.2 平臺的個性化實踐教學開展

實驗項目是貫穿實踐教學的主線，如何實現(xiàn)將實驗項目與人才培養(yǎng)目標及工程實際的有機銜接是關鍵。為此，針對非機械類、近機械類、機械類學生分別設計了3 個工程場景，將具體工程問題分解為若干個涉及單一學科的子問題，基于平臺的各教學載體針對性開發(fā)了一系列實驗項目，基于對實驗項目的選擇、重組可面向不同學生開展個性化實踐教學，從而實現(xiàn)多層次、差異化人才培養(yǎng)（見圖3）。

對于非機械類同學，主要側重機械制造基本知識的掌握、工程實踐能力和工程意識的培養(yǎng)，通過實訓可了解制造領域的工程文化，熟悉機械制造過程相關的基本概念。對于近機械類學生，主要側重機械類相關先修課程理論的夯實、驗證及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，通過實訓，可進一步提高學生對于具體工程問題的分析和解決能力。對于機械類同學，主要側重培養(yǎng)學生靈活運用理論知識解決復雜工程問題的能力，進一步提高學生的創(chuàng)造力和自主性，為后續(xù)專業(yè)課程學習和職業(yè)生涯發(fā)展打下良好的基礎。

針對各層次學生開發(fā)的具體教學內容如下：

（1）非機械類，復雜工藝品的掃描建模與快速原型制造。教學內容的開發(fā)應秉承以興趣為導向、以實踐動手能力培養(yǎng)為重點的理念，實驗項目難度適宜。鑒于此，以常見的卡通玩具、汽車模型及雕塑作品等外形復雜對象的快速成型為主線，將測量技術、點云數(shù)據(jù)處理技術、逆向建模技術和增材制造技術相關理論、方法、知識點有機融入教學內容中，讓學生深度參與工程案例的三維空間數(shù)據(jù)獲取、處理以及最終的快速原型制造過程，寓教于樂，在輕松愉悅的學習氛圍中實現(xiàn)對于學生工程意識、科學研究態(tài)度和實踐動手能力的養(yǎng)成和提升。

（2）近機械類，非標機械零件的逆向建模與機械加工。對于我校而言，近機械類專業(yè)包括飛行器設計與工程、機械電子工程、測試技術與儀器等，機械原理、機械制造等均為重要的基礎理論課。對于此類學生而言，工程實踐教學旨在幫助其形成大工程觀、提高學生將基礎理論靈活運用于常見工程問題解決的能力。教學內容設計應注意聯(lián)系學生未來工作崗位的需求，結合本領域未來發(fā)展方向，從學科交叉角度針對性開發(fā)實驗項目。因此，該層次的實驗項目需落腳到近機械專業(yè)所涉及的機械設備上常見的典型非標準機械零件的改型設計與制造上。學生需要基于典型零件完成三維激光掃描、點云數(shù)據(jù)處理、三維實體逆向建模、增材制造成型、機械加工等任務，在實踐中體會綜合運用現(xiàn)代技術手段解決行業(yè)內具體工程問題的方法。

（3）機械類，復雜零部件的數(shù)字化設計與制造。機械類學生的就業(yè)去向多為科研院所及制造型企業(yè)，工作崗位對于解決復雜工程問題的能力有著很高要求。工程訓練是機械類專業(yè)學生的核心基礎課程，是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的重要依托。在教學內容設計中，需要體現(xiàn)實驗項目的難度，實現(xiàn)課內向課外的延伸以及課外向課內的反饋。為此，針對常見機械設備的典型零件的修復和改型生產(chǎn)問題，以車床尾架及臺虎鉗作為具體工程案例，通過對損壞部件的模擬修復、點云數(shù)據(jù)采集、逆向建模、產(chǎn)品樣件的增材制造、數(shù)控加工、精度測量、誤差分析及加工質量控制等實驗項目的開展，讓學生深度參與到現(xiàn)代機械產(chǎn)品的研發(fā)過程，深刻體會大工程背景下學科結構交叉和知識交融，在實踐中提出新的問題，并通過對相關理論知識的檢索共同協(xié)作解決問題，經(jīng)過系統(tǒng)訓練，促使學生掌握機械產(chǎn)品的常規(guī)研發(fā)流程，實現(xiàn)對靈活運用所學知識解決復雜工程問題的能力、科研能力、團隊協(xié)作能力的同步提升，為學生的專業(yè)課學習與工作夯實基礎。

2.3 構建適應項目式教學的教師團隊

基于具體工程案例的項目式教學在組織形式和教學內容設置方面均與傳統(tǒng)實踐教學模式存在巨大差異，為了達成實踐育人的總體目標，教學理念的革新、教學團隊的升級、教學效果的量化考評等工作也需要同步展開。為此，課題組深入教學一線，對現(xiàn)有教學模式進行了深入問題發(fā)掘與總結反思。

針對傳統(tǒng)教學模式下普遍存在的“教師填鴨式教學、學生機械式重復”的現(xiàn)象，從育人宗旨、教學目標、教學目的、教學要求等幾個維度出發(fā)，成立教學研究小組，幫助指導教師完成從“獨白式”向“對話式”教學模式的轉變，并基于此打造了年齡結構、學歷結構、職稱結構科學合理的專業(yè)教學團隊，最大限度發(fā)揮各類型指導教師的潛能，共同支撐人才培養(yǎng)目標。此外，為了保證教學過程安全有序，指導教師需全程參與教學，普及安全生產(chǎn)常識，為學生答疑解惑，詳細記錄學生實訓過程，注重非智力因素對實踐教學的影響，為教學效果量化考評工作的開展及教學模式的不斷完善和優(yōu)化提供依據(jù)。

3 結 語

工程訓練中心是我國高校開展工程教育的重要平臺，對于培養(yǎng)大學生實踐動手能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識均具有重大意義。針對以往基于單一模塊的實踐教學模式存在的弊端，本文以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力為教學改革導向，探討將復雜工程問題有機融入實踐教學的可能性，聚焦學生工程思維意識的培養(yǎng)和綜合運用知識能力的提升，以項目式教學案例開發(fā)、教學組織形式改革、教學效果考評機制完善為抓手，深挖實踐教學內涵，注重學科交叉與知識點融合，在逆向工程模塊基礎上建設現(xiàn)代制造綜合實踐教學平臺，并基于此構建了面向不同培養(yǎng)層次、不同專業(yè)學生“解決復雜工程問題能力”培養(yǎng)的實踐教學體系，開發(fā)了定制化、模塊化實驗項目。教學實踐表明，該教學方法具有極高的可操作性，大大提高了學生的學習興趣、參與度、獲得感，對于高素質、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有很好的支撐作用。