工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的探索與實(shí)踐
——工程科學(xué)前沿與實(shí)踐課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

葉回春，倪向貴，朱雨建

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)a.工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；b.精密機(jī)械與精密儀器系，合肥230026）

0 引 言

在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，創(chuàng)新能力已經(jīng)取代自然資源成為主導(dǎo)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素［1-3］。高等教育作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的主要陣地，肩負(fù)著科技興國(guó)和人才強(qiáng)國(guó)的重任［4-5］。而實(shí)踐教學(xué)作為高等院校教學(xué)不可或缺的重要組成部分，它在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面所起的重要作用是其他任何教學(xué)形式都無(wú)法替代的［6-8］。

把更多的時(shí)間留給學(xué)生實(shí)踐，從實(shí)踐中加深對(duì)課程的理解，把實(shí)踐教育作為理論知識(shí)傳授的落腳點(diǎn)，是現(xiàn)今越來(lái)越多高校的共識(shí)，也是很多高校課程體系改革發(fā)展的趨勢(shì)［9-11］。然而純粹的工程實(shí)踐課多數(shù)是讓學(xué)生機(jī)械化地重復(fù)教師設(shè)計(jì)安排的固定實(shí)踐任務(wù)，很容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，學(xué)習(xí)勁頭不足等問(wèn)題，最終導(dǎo)致了學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)受限、學(xué)生不會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)［12］。而且單一的培養(yǎng)模式與目前社會(huì)多樣化的人才需求背道而馳［13-15］。此種形式下的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生上課比較迷茫，沒(méi)有方向感，不了解實(shí)踐訓(xùn)練的意義，課程氛圍沉悶，無(wú)法有效調(diào)動(dòng)學(xué)生上課積極性，不利于學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

鑒于上述情況，重新規(guī)劃設(shè)計(jì)工程實(shí)訓(xùn)課程體系內(nèi)容與上課形式，建立多層次化的實(shí)踐課程體系，在課程內(nèi)容中增加學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，同時(shí)在實(shí)踐過(guò)程中穿插前沿講座，并增加綜合實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，以充分保障工程實(shí)踐教育在培訓(xùn)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維的作用，全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，最終達(dá)到拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目的。此舉措已在我校工程科學(xué)學(xué)院實(shí)施，并取得了良好效果。

1 課程背景與教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

工程科學(xué)前沿與實(shí)踐定位為面向低年級(jí)本科生的工程科學(xué)（以力學(xué)、熱學(xué)、能源、機(jī)械、測(cè)控、安全等學(xué)科為主）通識(shí)教育課程，是為滿足現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展與新時(shí)代學(xué)生培養(yǎng)需求而設(shè)立的課程，由原金工實(shí)習(xí)課程優(yōu)化改革而成。課程分為理論部分與實(shí)踐部分，理論授課部分圍繞工程科學(xué)學(xué)院學(xué)科相關(guān)的若干前沿工程問(wèn)題系統(tǒng)展開(kāi)；實(shí)踐部分將重點(diǎn)讓學(xué)生接觸現(xiàn)代加工制造及與工程問(wèn)題相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)踐。目的是讓學(xué)生在大一階段能全面、直觀地了解工程學(xué)科的前沿學(xué)科知識(shí)、應(yīng)用前景，充分展示工程學(xué)科的魅力，尤其是通過(guò)實(shí)踐課程讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)代工程技術(shù)有切身體會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐綜合能力與創(chuàng)新能力。

2 課程內(nèi)容體系

鑒于上述需求及考慮，課程體系內(nèi)容按層次調(diào)整為3 部分。①前沿講座。前沿講座部分在課程穿插進(jìn)行，每學(xué)期邀請(qǐng)4 ～5 位相關(guān)領(lǐng)域著名專家學(xué)者，親臨現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生做工程科學(xué)領(lǐng)域的專題講座、專家報(bào)告，介紹工程科學(xué)各領(lǐng)域的科技前沿，以及學(xué)科知識(shí)在具體工程問(wèn)題中的應(yīng)用。從而解決學(xué)生實(shí)踐教育中為什么學(xué)，學(xué)了有什么用的困惑，達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的目的；②工程科學(xué)實(shí)踐。工程科學(xué)實(shí)踐部分除了傳統(tǒng)的車銑刨磨、表面電化學(xué)、焊接外，增加三坐標(biāo)測(cè)量、六自由度測(cè)量、反求測(cè)量等先進(jìn)精密測(cè)量技術(shù)，并精心為學(xué)生設(shè)計(jì)了需自主設(shè)計(jì)模型、自主加工的環(huán)節(jié)，如3D打印技術(shù)、激光內(nèi)雕、數(shù)控線切割、數(shù)控銑削等，學(xué)生通過(guò)已學(xué)習(xí)理論知識(shí)，充分發(fā)揮自己想象力，在給定尺寸的毛坯內(nèi)設(shè)計(jì)作品，并操作設(shè)備儀器自行加工，達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力的目的；③ 綜合創(chuàng)新實(shí)踐。學(xué)生在掌握了一定的實(shí)踐技能及工程素養(yǎng)后，根據(jù)學(xué)院各專業(yè)性質(zhì)，設(shè)置了工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人、小型飛行器及新能源等4 個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)興趣自由組隊(duì)選擇其中1 個(gè)，每組推薦組長(zhǎng)，教師設(shè)定大致方向與考核要求，學(xué)生根據(jù)所學(xué)實(shí)踐技能、編程語(yǔ)言、工程力學(xué)、機(jī)械制圖等知識(shí)，分工協(xié)作進(jìn)行作品設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)制作。此舉不但能起到對(duì)前面學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)，更為重要的是在此過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力、項(xiàng)目組織能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。課程體系具體內(nèi)容及層級(jí)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 工程科學(xué)前沿與實(shí)踐課程體系內(nèi)容及層級(jí)關(guān)系

3 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

教學(xué)隊(duì)伍是課程實(shí)施的主體，教師素質(zhì)的高低直接決定了課程效果。而促進(jìn)教師隊(duì)伍發(fā)展、提升教師教學(xué)水平、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量與辦學(xué)水平，最有效的辦法就是進(jìn)行教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。目前很多高校的工程實(shí)踐中心普遍存在著師資力量不足、師資構(gòu)成不合理的窘境，為解決這個(gè)問(wèn)題，大膽提出了在現(xiàn)有師資基礎(chǔ)上，充分挖掘內(nèi)部師資力量組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)的辦法。學(xué)校工程實(shí)踐中心率先實(shí)施，組建了一支以中心在編老師為主導(dǎo)，以聘任退休返聘教師、教學(xué)科研崗兼職教師及助教等為輔的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。充分利用退休老教師豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)科研崗教師貼合前沿知識(shí)、理論知識(shí)更深入，再輔以與學(xué)生年齡相仿的優(yōu)秀助教，充分保障了課程教學(xué)的正常開(kāi)展與教學(xué)效果，同時(shí)對(duì)中心的發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用，教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)成及功能見(jiàn)圖2。

圖2 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)及功能

4 教學(xué)設(shè)備與環(huán)境

先進(jìn)的教學(xué)設(shè)備及良好的教學(xué)環(huán)境是實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展的基礎(chǔ)條件。為跟上當(dāng)前日益更新的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，同時(shí)匹配課程體系內(nèi)容，有目的有規(guī)劃地進(jìn)行設(shè)備購(gòu)置與研制是開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的必備條件及源動(dòng)力。以我校工程實(shí)踐中心為例，除配備傳統(tǒng)的車銑鉆磨焊等基本設(shè)備之外，還采購(gòu)了美國(guó)Dimension FDM（熔融沉積）型3D打印機(jī)、3D System SLA（立體光固化）3D打印機(jī)、SLS（激光燒結(jié)）3D 打印機(jī)、先臨激光內(nèi)雕機(jī)、MAZAK 數(shù)控車床、DMU 五軸加工中心、ABB 工業(yè)機(jī)器人、蘇州三光中走絲、慢走絲、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、六自由度測(cè)量?jī)x、三維掃描儀等先進(jìn)設(shè)備，設(shè)備總覽圖見(jiàn)圖3，為了使學(xué)生能夠更深廣度地接受前沿學(xué)科知識(shí)，中心更是斥巨資購(gòu)置了五軸單點(diǎn)金剛石超精密加工設(shè)備Freeform L，見(jiàn)圖4。實(shí)踐中心所購(gòu)設(shè)備均放置于空調(diào)房?jī)?nèi)，并制定了完善的安全管理規(guī)定，充分保障學(xué)生的安全與上課環(huán)境。

圖3 工程實(shí)踐中心設(shè)備總覽圖

圖4 單點(diǎn)金剛石超精密加工設(shè)備Freeform L

5 課程實(shí)施辦法

實(shí)踐課屬于必修課程，沒(méi)有足夠的教師、場(chǎng)地及設(shè)備，對(duì)于課程的安排實(shí)施是非常困難的。大班教學(xué)、多人同時(shí)使用一臺(tái)設(shè)備，顯然這種授課方式的效果不理想，學(xué)生上課的興趣會(huì)降低。因此，在條件允許下仍舊以小班、個(gè)性化的教學(xué)方式更受學(xué)生歡迎。具體形式為以小組方式上課，教師根據(jù)學(xué)生技能熟悉階段及知識(shí)掌握程度適當(dāng)調(diào)整教學(xué)進(jìn)程與時(shí)間，此種方式能給予學(xué)生更多創(chuàng)新的實(shí)踐機(jī)會(huì)鞏固所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐手段。

我校工程科學(xué)前沿與實(shí)踐課程在實(shí)施中，理論部分前沿講座作為導(dǎo)向及工程實(shí)踐的應(yīng)用著力點(diǎn)，采用大班教學(xué)。每年邀請(qǐng)4 ～5 位國(guó)內(nèi)外在工程領(lǐng)域知名專家學(xué)者給學(xué)生做前沿報(bào)告，每次約3 學(xué)時(shí)，介紹工程科學(xué)的發(fā)展概況、學(xué)科前沿、具體工程應(yīng)用等。讓學(xué)生在實(shí)踐中切身體會(huì)工程科學(xué)的實(shí)用技術(shù)背景，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程科學(xué)的興趣；工程科學(xué)實(shí)踐小組教學(xué)，每組6～8 人，每學(xué)期安排12 個(gè)左右的項(xiàng)目實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力及動(dòng)手實(shí)踐能力；綜合科學(xué)實(shí)踐安排在整個(gè)課程中最后部分，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇相應(yīng)的綜合實(shí)踐項(xiàng)目，分工協(xié)作共同完成一個(gè)較為完整作品的設(shè)計(jì)、加工、組裝過(guò)程，提高學(xué)生的綜合能力，同時(shí)也能對(duì)后面專業(yè)課的學(xué)習(xí)起到引領(lǐng)作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

創(chuàng)新性地提出在工程實(shí)踐課程中增加前沿講座與綜合實(shí)踐，很好地解決了學(xué)生為什么學(xué)、如何學(xué)、學(xué)有何效果的問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)合理組織課程內(nèi)容，將創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目與傳統(tǒng)實(shí)踐項(xiàng)目結(jié)合，有利于學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。組建合理有效的教師團(tuán)隊(duì)，保障實(shí)踐課程順利實(shí)施。這些課程改革思路已經(jīng)在我校工程科學(xué)學(xué)院工程科學(xué)前沿與實(shí)踐課程中開(kāi)展了一學(xué)期，學(xué)生反饋效果良好。在今后的教學(xué)活動(dòng)中，將不斷提高團(tuán)隊(duì)的教學(xué)水平，進(jìn)一步提升工程實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量。