動態(tài)融合項(xiàng)目式工程訓(xùn)練改革實(shí)踐探索

宋佳秋，黃兆猛，侯培國，劉利剛

（燕山大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河北秦皇島 066004）

2017年2月，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》，鼓勵高校積極開展新工科的研究實(shí)踐活動，深化工程教育改革。2018年9月印發(fā)的《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》重點(diǎn)部署了加快建設(shè)高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力。新工科建設(shè)行動路線第4 條也明確了“問學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段”。在此背景下，全國高校的工程訓(xùn)練中心積極研究實(shí)踐教學(xué)的改革方法，落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，形成以學(xué)習(xí)者為中心的實(shí)踐教學(xué)新模式[1-6]。

隨著“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”“一流專業(yè)建設(shè)”等項(xiàng)目的開展，為適應(yīng)新時代工科人才的培養(yǎng)，燕山大學(xué)把原分散在三個學(xué)院的金工實(shí)習(xí)、電子工藝實(shí)習(xí)、電工電子類實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等整合為新的工程訓(xùn)練中心，以促進(jìn)工科大學(xué)生的工程能力、工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作意識的全面提升。目前，中心的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)覆蓋學(xué)校75 個專業(yè)，年均培訓(xùn)學(xué)生5 000 人（平均實(shí)訓(xùn)2 周/人）以上。中心于2020年秋季學(xué)期全面開展以綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為載體，多種項(xiàng)目形式并存的金工實(shí)習(xí)新模式。構(gòu)建金工實(shí)習(xí)開放式實(shí)踐教學(xué)模式，建立包含通識教育（基礎(chǔ)層）、綜合項(xiàng)目（提高層）、競賽項(xiàng)目（創(chuàng)新層）的實(shí)踐項(xiàng)目群，但在實(shí)踐過程中仍然存在基礎(chǔ)制造類各工藝間交融不深、競賽項(xiàng)目覆蓋面小、機(jī)電融合不足等情況。因此，分析工程訓(xùn)練課程的特點(diǎn)，針對現(xiàn)有項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式下存在的問題，提出進(jìn)一步的改革方案并實(shí)踐，為新工科背景下的工訓(xùn)實(shí)踐類課程改革提供參考。

1 課程改革的理念和思路

項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法是在建構(gòu)主義理論的指導(dǎo)下，將教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)分解成一個個富有趣味性的真實(shí)任務(wù)，學(xué)習(xí)者通過完成對應(yīng)的任務(wù)從而獲取相關(guān)知識與技能的一種開放式、探究式教學(xué)模式[7]。將這種教學(xué)方法引入到工程訓(xùn)練中，突破了傳統(tǒng)的金工實(shí)習(xí)模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，使學(xué)習(xí)者投入問題中，鼓勵自主探究，鼓勵對學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的反思，通過多種學(xué)習(xí)途徑相結(jié)合，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜、有意義的項(xiàng)目情境中，在教師指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)者通過團(tuán)隊(duì)合作來解決工程問題。

根據(jù)我校工程訓(xùn)練中心的特點(diǎn)，課程組經(jīng)過認(rèn)真籌劃，引入“智能車創(chuàng)新項(xiàng)目”，將智能車的設(shè)計(jì)、制造、裝配、控制以及創(chuàng)新競賽內(nèi)容融入實(shí)訓(xùn)課程的全過程，以學(xué)生為主體，以實(shí)訓(xùn)教師為主導(dǎo)，通過具體的項(xiàng)目實(shí)踐方案，打通理論教學(xué)、基礎(chǔ)工程訓(xùn)練和創(chuàng)新工程訓(xùn)練的壁壘，進(jìn)而提升項(xiàng)目式工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)對相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)到的工程技術(shù)知識解決實(shí)踐工程問題，全面提升學(xué)生的動腦、動手和創(chuàng)新能力。融合后的課程方案如表1所示。

表1 動態(tài)融合工程訓(xùn)練改革教學(xué)方案

“智能車創(chuàng)新項(xiàng)目”源自中國大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽，該賽事是教育部高教司主辦的三大賽事之一，由教育部、工業(yè)和信息化部、中國工程院主辦。本課程的“智能車創(chuàng)新項(xiàng)目”小車，是基于“智能+”賽事的搬運(yùn)小車部分原理，根據(jù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合工程訓(xùn)練中心在軟硬件裝備更新、基礎(chǔ)訓(xùn)練、機(jī)電綜合項(xiàng)目創(chuàng)新開展等方面的內(nèi)容，引入工匠精神、勞動精神、職業(yè)素養(yǎng)等思政教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)而得來，設(shè)計(jì)小車樣例供學(xué)生參考，原理如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 直線運(yùn)動四輪車結(jié)構(gòu)圖

圖2 直線運(yùn)動四輪車成品圖

2 課程改革的實(shí)施

2.1 課程內(nèi)容的改革措施

2.1.1 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，增加機(jī)械設(shè)計(jì)三維軟件實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，提升軟件應(yīng)用水平

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，在機(jī)械設(shè)計(jì)中大量采用工程軟件技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析，為了讓學(xué)生盡早地接觸機(jī)械生產(chǎn)的全流程，首先需要提高學(xué)生的實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力[8]。課程改革前，實(shí)行各工種的項(xiàng)目輪訓(xùn)，沒有涉及三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用。如在制造小榔頭的實(shí)訓(xùn)任務(wù)中，僅按示例圖紙加工即可；線切割工藝上使用的是設(shè)備配套CAXA 軟件，也僅是進(jìn)行簡單的圖形編輯和手工指令。實(shí)行項(xiàng)目驅(qū)動式課程改革后，在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的初期階段，雖然有部分學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)了Solidworks 等工程軟件，但是大部分學(xué)生還是需要教師引導(dǎo)。教師通過制作典型案例工程相關(guān)資料、快速入門學(xué)習(xí)視頻等，利用學(xué)習(xí)通平臺信息化工具，進(jìn)行了軟件學(xué)習(xí)的數(shù)字化建設(shè)，從而使學(xué)生利用課余時間針對性學(xué)習(xí)，加快項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的進(jìn)度，最大限度地釋放教與學(xué)的能量。小組研究討論小車的整體設(shè)計(jì)和零部件的加工方案，通過三維軟件完成整車建模，并結(jié)合制圖原理完成零件圖的繪制，通過工藝編制，最后完成了零件的加工及整車的裝配。

2.1.2 增加激光加工先進(jìn)制造技術(shù)，緊跟制造業(yè)發(fā)展前沿

中心自2015年就十分關(guān)注先進(jìn)的激光加工技術(shù)，開設(shè)了激光打標(biāo)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊，取得了良好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。2021年新增設(shè)了金屬類激光切割設(shè)備，與企業(yè)聯(lián)合主辦了激光加工技術(shù)培訓(xùn)活動，為金工實(shí)習(xí)項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)改革的開展提供了助力。在課程改革之前，學(xué)生如在項(xiàng)目中遇到一些傳統(tǒng)加工設(shè)備無法加工的復(fù)雜零件，常常通過更改工藝或調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)件的方法解決，耗時長且缺乏先進(jìn)制造的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)。在課程改革引入激光切割工藝之后，與理論知識有機(jī)結(jié)合，通過對設(shè)備操作和工藝知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生既可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)意零件，又可提升自身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力，符合新工科背景下多學(xué)科交叉的實(shí)踐教學(xué)改革趨勢。

2.1.3 補(bǔ)充多種毛坯材料，拓展學(xué)生在機(jī)械制造空間的眼界和視野

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新型材料被研究出來，這些新型的材料不但在性能上非常優(yōu)越，而且在機(jī)械加工制造中有廣泛的應(yīng)用空間。機(jī)械裝備由一個一個的零件裝配而成，因此為了更好地提升零件的綜合性能，目前新材料在機(jī)械生產(chǎn)制造中的應(yīng)用也是非常廣泛的。新材料、新工藝為機(jī)械零件的加工提供了更大的創(chuàng)新空間。課程改革之前，項(xiàng)目中廣泛使用傳統(tǒng)的材料，如鋼板（棒）料、鑄鐵料、尼龍板（棒）料等，作為毛坯料，不能很好地調(diào)動學(xué)生的主動性去創(chuàng)造性地進(jìn)行加工實(shí)踐，也限制了學(xué)生對加工制造中所用刀具、卡具等工具的認(rèn)識。在課程改革進(jìn)程中，先后增加了不銹鋼料、鋁合金板（棒）料、有機(jī)玻璃亞克力板料、玻璃纖維板料等，作為項(xiàng)目制作的毛坯料，供學(xué)生選擇，常規(guī)的機(jī)械加工方法工藝也大多通用，有利于學(xué)生對比分析不同的材料和加工工藝在加工零件上的優(yōu)勢和局限。

2.2 教學(xué)模式的改革

2.2.1 以項(xiàng)目框架為主線重構(gòu)課程結(jié)構(gòu)

動態(tài)融合項(xiàng)目驅(qū)動式金工實(shí)踐的過程如圖3所示，力求金工實(shí)習(xí)課程與生產(chǎn)項(xiàng)目全周期結(jié)合，課程涉及10 個工種，在通過基礎(chǔ)通識教學(xué)環(huán)節(jié)全面了解材料成形、切削加工、特種加工工藝?yán)碚摵蛻?yīng)用的基礎(chǔ)上，本著保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的原則，在指導(dǎo)教師引導(dǎo)下，學(xué)生完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)、零件的加工裝配及驗(yàn)收答辯等過程。

以金工實(shí)習(xí)4 周為例，第1、2 周：基礎(chǔ)通識教育，熟悉各種加工工藝和方法，構(gòu)思綜合項(xiàng)目并形成初步實(shí)施方案，參加線上理論測驗(yàn)，同步完成智能車整車設(shè)計(jì)，其中機(jī)械類專業(yè)要求智能車具有抓取機(jī)構(gòu)等控制附件的項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)；第3、4 周：完成綜合項(xiàng)目涉及的工件加工及裝置裝配等工作,撰寫綜合項(xiàng)目報(bào)告，一般在實(shí)習(xí)的最后一天進(jìn)行項(xiàng)目答辯考核工作。采用導(dǎo)師制，提供個性化的指導(dǎo)，從入場實(shí)習(xí)開始，進(jìn)入中心開放項(xiàng)目平臺的學(xué)生都有導(dǎo)師對其進(jìn)行（一般每組學(xué)生人數(shù)不超過6 人）指導(dǎo)，最終的考核取決于項(xiàng)目的難易度和完成度。工程訓(xùn)練中心提供完成項(xiàng)目所需的條件，包括設(shè)備、儀器、工具、原材料、標(biāo)準(zhǔn)件等。從課程建設(shè)上，項(xiàng)目實(shí)施包含了從選題到完成的全過程，要求學(xué)生形成小組團(tuán)隊(duì)，團(tuán)結(jié)合作，分工明確，為達(dá)到預(yù)期項(xiàng)目效果，可按圖3步驟具體實(shí)施。

圖3 動態(tài)融合項(xiàng)目驅(qū)動式金工實(shí)踐課程過程

2.2.2 結(jié)合競賽，重視團(tuán)隊(duì)的分工協(xié)作，強(qiáng)化大工程素養(yǎng)的培育

工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)改革必須適應(yīng)新形勢下工程教育和新工科的發(fā)展要求。多年來，金工實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容還都是學(xué)生按圖紙加工的教學(xué)方式，技能訓(xùn)練使學(xué)生獲得的是知識和操作水平而不是創(chuàng)新能力，學(xué)生缺乏對實(shí)習(xí)過程的主動思考，不考慮工藝之間的關(guān)聯(lián)性[9-11]。改革后的課程，由學(xué)生建立小組團(tuán)隊(duì)，完成從項(xiàng)目立項(xiàng)到產(chǎn)品制成的全過程，通過完成綜合項(xiàng)目，將多種加工方法和加工工藝有效結(jié)合，使學(xué)生在掌握基本操作技能的同時，了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、零部件制造和整機(jī)裝配等生產(chǎn)全過程。另外創(chuàng)新競賽的引入，充分激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新熱情和動力[12]。

3 實(shí)施效果及反思

3.1 實(shí)施效果

3.1.1 合理的課程結(jié)構(gòu)，線上線下混合式的教學(xué)方式，有效保障了小車項(xiàng)目的順利完成

原金工實(shí)習(xí)有14 個單向工種實(shí)訓(xùn)任務(wù)，存在填鴨式教學(xué)的情況，學(xué)生缺乏對實(shí)習(xí)過程的主動思考，更較少考慮工藝之間的關(guān)聯(lián)性，在項(xiàng)目驅(qū)動式改革初期，學(xué)生自選工種加工，往往在工藝選擇上“避重就輕”，喜歡選擇3D 打印、線切割等操作技能相對容易的工種。通過本次“智能車創(chuàng)新項(xiàng)目”的引入，擬合不同大類專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃，對設(shè)計(jì)內(nèi)容和加工工藝進(jìn)行了合理組合，見表2。

表2 小車部分加工零件工藝

將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)信息化環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)。改革和轉(zhuǎn)變教師主導(dǎo)、學(xué)生被動的實(shí)踐教學(xué)方式，依托學(xué)習(xí)通平臺，搭建豐富、實(shí)用、共享的教學(xué)課程資源，實(shí)現(xiàn)開放式的學(xué)習(xí)空間，不再囿于實(shí)驗(yàn)室和限定的學(xué)習(xí)時間，為學(xué)生的自主探究式學(xué)習(xí)提供機(jī)會，鼓勵學(xué)生在實(shí)習(xí)期間開展前置式、交互式的創(chuàng)新實(shí)踐探索。

3.1.2 賽教融合項(xiàng)目的引入，充分激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，展現(xiàn)了學(xué)生較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力

項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)關(guān)注學(xué)生的“做中學(xué)”，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，符合 CDIO 工程教育理念，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，已成為實(shí)踐教學(xué)的有效手段。在這個過程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，積極開展小組討論，協(xié)商、制定合理可行的解決方案，培養(yǎng)學(xué)生合作與協(xié)調(diào)能力[13]。在工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)中引入項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法，并將其與大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽兩級驅(qū)動有機(jī)結(jié)合[14]，通過項(xiàng)目驅(qū)動融入知識點(diǎn)，通過競賽驅(qū)動拓寬知識深度和廣度，打破原來大三再開始參與競賽活動的慣例，使訓(xùn)練內(nèi)容變單一為綜合，從而使學(xué)生的綜合工程應(yīng)用能力得以提高。

3.2 課程總結(jié)與反思

機(jī)-電深度融合綜合項(xiàng)目是在完成公共基礎(chǔ)課(或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課)學(xué)習(xí)后在金工實(shí)習(xí)和電子工藝實(shí)習(xí)階段設(shè)計(jì)的一個綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)到的理論知識創(chuàng)新解決復(fù)雜工程問題的一次綜合工程訓(xùn)練，并為畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過總結(jié)與反思，該課程依然存在一些問題，比如在金工和電工實(shí)訓(xùn)上，受學(xué)生課程安排限制，金工實(shí)踐環(huán)節(jié)和電工實(shí)踐環(huán)節(jié)分別在不同學(xué)期進(jìn)行，這就存在綜合項(xiàng)目在空間和時間上融合緊密度不足的情況，另外金工實(shí)訓(xùn)工種在項(xiàng)目工藝上具有一定的不平衡性，這些問題有待進(jìn)一步探索實(shí)踐。

4 結(jié)語

為了適應(yīng)新工科建設(shè)需求，基于工程訓(xùn)練中心整合新平臺，充分踐行賽教融合的實(shí)踐教學(xué)理念，對金工實(shí)習(xí)課程體系進(jìn)行重建，對實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行重組，改變了傳統(tǒng)的單一技能訓(xùn)練模式，以動態(tài)融合工程訓(xùn)練綜合項(xiàng)目為主線的實(shí)踐教學(xué)體系自構(gòu)建以來產(chǎn)生了明顯的積極效果，知識技能覆蓋全面，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的同時使其樹立崇高的勞動觀念，培養(yǎng)專精的工匠品格，讓工程實(shí)訓(xùn)的勞育價(jià)值得到提煉和傳承。