动态融合项目式工程训练改革实践探索
时间：2023-06-27 08:15:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
宋佳秋，黄兆猛，侯培国，刘利刚
（燕山大学工程训练中心，河北秦皇岛 066004）
2017年2月，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，鼓励高校积极开展新工科的研究实践活动，深化工程教育改革。2018年9月印发的《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》重点部署了加快建设高水平本科教育，全面提高人才培养能力。新工科建设行动路线第4 条也明确了“问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段”。在此背景下，全国高校的工程训练中心积极研究实践教学的改革方法，落实以学生为中心的理念，形成以学习者为中心的实践教学新模式[1-6]。
随着“卓越工程师教育培养计划”“一流专业建设”等项目的开展，为适应新时代工科人才的培养，燕山大学把原分散在三个学院的金工实习、电子工艺实习、电工电子类实验、计算机基础等整合为新的工程训练中心，以促进工科大学生的工程能力、工程素质、创新能力、团队合作意识的全面提升。目前，中心的工程训练实践教学覆盖学校75 个专业，年均培训学生5 000 人（平均实训2 周/人）以上。中心于2020年秋季学期全面开展以综合实训项目为载体，多种项目形式并存的金工实习新模式。构建金工实习开放式实践教学模式，建立包含通识教育（基础层）、综合项目（提高层）、竞赛项目（创新层）的实践项目群，但在实践过程中仍然存在基础制造类各工艺间交融不深、竞赛项目覆盖面小、机电融合不足等情况。因此，分析工程训练课程的特点，针对现有项目驱动教学模式下存在的问题，提出进一步的改革方案并实践，为新工科背景下的工训实践类课程改革提供参考。
项目驱动教学法是在建构主义理论的指导下，将教学内容与教学目标分解成一个个富有趣味性的真实任务，学习者通过完成对应的任务从而获取相关知识与技能的一种开放式、探究式教学模式[7]。将这种教学方法引入到工程训练中，突破了传统的金工实习模式，强调以学生的主动学习为主，使学习者投入问题中，鼓励自主探究，鼓励对学习内容和过程的反思，通过多种学习途径相结合，把学习设置到复杂、有意义的项目情境中，在教师指导下，学习者通过团队合作来解决工程问题。
根据我校工程训练中心的特点，课程组经过认真筹划，引入“智能车创新项目”，将智能车的设计、制造、装配、控制以及创新竞赛内容融入实训课程的全过程，以学生为主体，以实训教师为主导，通过具体的项目实践方案，打通理论教学、基础工程训练和创新工程训练的壁垒，进而提升项目式工程训练实践教学对相关专业培养目标的支撑作用，使学生能够综合应用所学到的工程技术知识解决实践工程问题，全面提升学生的动脑、动手和创新能力。融合后的课程方案如表1所示。
表1 动态融合工程训练改革教学方案
“智能车创新项目”源自中国大学生工程实践与创新能力大赛，该赛事是教育部高教司主办的三大赛事之一，由教育部、工业和信息化部、中国工程院主办。本课程的“智能车创新项目”小车，是基于“智能+”赛事的搬运小车部分原理，根据课程的培养目标，结合工程训练中心在软硬件装备更新、基础训练、机电综合项目创新开展等方面的内容，引入工匠精神、劳动精神、职业素养等思政教学内容，进行创新设计而得来，设计小车样例供学生参考，原理如图1所示，实物如图2所示。
图1 直线运动四轮车结构图
图2 直线运动四轮车成品图
2.1 课程内容的改革措施
2.1.1 设计环节，增加机械设计三维软件实训内容，提升软件应用水平
机械设计是机械生产的第一步，在机械设计中大量采用工程软件技术进行设计和系统分析，为了让学生尽早地接触机械生产的全流程，首先需要提高学生的实际工程设计能力[8]。课程改革前，实行各工种的项目轮训，没有涉及三维设计软件应用。如在制造小榔头的实训任务中，仅按示例图纸加工即可；
线切割工艺上使用的是设备配套CAXA 软件，也仅是进行简单的图形编辑和手工指令。实行项目驱动式课程改革后，在实训项目的初期阶段，虽然有部分学生通过自主学习了Solidworks 等工程软件，但是大部分学生还是需要教师引导。教师通过制作典型案例工程相关资料、快速入门学习视频等，利用学习通平台信息化工具，进行了软件学习的数字化建设，从而使学生利用课余时间针对性学习，加快项目设计环节的进度，最大限度地释放教与学的能量。小组研究讨论小车的整体设计和零部件的加工方案，通过三维软件完成整车建模，并结合制图原理完成零件图的绘制，通过工艺编制，最后完成了零件的加工及整车的装配。
2.1.2 增加激光加工先进制造技术，紧跟制造业发展前沿
中心自2015年就十分关注先进的激光加工技术，开设了激光打标实训教学模块，取得了良好的实训教学效果。2021年新增设了金属类激光切割设备，与企业联合主办了激光加工技术培训活动，为金工实习项目驱动式教学改革的开展提供了助力。在课程改革之前，学生如在项目中遇到一些传统加工设备无法加工的复杂零件，常常通过更改工艺或调整成标准件的方法解决，耗时长且缺乏先进制造的实训体验。在课程改革引入激光切割工艺之后，与理论知识有机结合，通过对设备操作和工艺知识的学习，学生既可以实现创新创意零件，又可提升自身的创新设计和工程实践能力，符合新工科背景下多学科交叉的实践教学改革趋势。
2.1.3 补充多种毛坯材料，拓展学生在机械制造空间的眼界和视野
随着新技术的不断发展，越来越多的新型材料被研究出来，这些新型的材料不但在性能上非常优越，而且在机械加工制造中有广泛的应用空间。机械装备由一个一个的零件装配而成，因此为了更好地提升零件的综合性能，目前新材料在机械生产制造中的应用也是非常广泛的。新材料、新工艺为机械零件的加工提供了更大的创新空间。课程改革之前，项目中广泛使用传统的材料，如钢板（棒）料、铸铁料、尼龙板（棒）料等，作为毛坯料，不能很好地调动学生的主动性去创造性地进行加工实践，也限制了学生对加工制造中所用刀具、卡具等工具的认识。在课程改革进程中，先后增加了不锈钢料、铝合金板（棒）料、有机玻璃亚克力板料、玻璃纤维板料等，作为项目制作的毛坯料，供学生选择，常规的机械加工方法工艺也大多通用，有利于学生对比分析不同的材料和加工工艺在加工零件上的优势和局限。
2.2 教学模式的改革
2.2.1 以项目框架为主线重构课程结构
动态融合项目驱动式金工实践的过程如图3所示，力求金工实习课程与生产项目全周期结合，课程涉及10 个工种，在通过基础通识教学环节全面了解材料成形、切削加工、特种加工工艺理论和应用的基础上，本着保证产品质量、降低生产成本和提高生产效率的原则，在指导教师引导下，学生完成项目设计、零件的加工装配及验收答辩等过程。
以金工实习4 周为例，第1、2 周：基础通识教育，熟悉各种加工工艺和方法，构思综合项目并形成初步实施方案，参加线上理论测验，同步完成智能车整车设计，其中机械类专业要求智能车具有抓取机构等控制附件的项目方案设计；
第3、4 周：完成综合项目涉及的工件加工及装置装配等工作,撰写综合项目报告，一般在实习的最后一天进行项目答辩考核工作。采用导师制，提供个性化的指导，从入场实习开始，进入中心开放项目平台的学生都有导师对其进行（一般每组学生人数不超过6 人）指导，最终的考核取决于项目的难易度和完成度。工程训练中心提供完成项目所需的条件，包括设备、仪器、工具、原材料、标准件等。从课程建设上，项目实施包含了从选题到完成的全过程，要求学生形成小组团队，团结合作，分工明确，为达到预期项目效果，可按图3步骤具体实施。
图3 动态融合项目驱动式金工实践课程过程
2.2.2 结合竞赛，重视团队的分工协作，强化大工程素养的培育
工程训练实践教学改革必须适应新形势下工程教育和新工科的发展要求。多年来，金工实习的主要内容还都是学生按图纸加工的教学方式，技能训练使学生获得的是知识和操作水平而不是创新能力，学生缺乏对实习过程的主动思考，不考虑工艺之间的关联性[9-11]。改革后的课程，由学生建立小组团队，完成从项目立项到产品制成的全过程，通过完成综合项目，将多种加工方法和加工工艺有效结合，使学生在掌握基本操作技能的同时，了解产品设计、工艺设计、零部件制造和整机装配等生产全过程。另外创新竞赛的引入，充分激发了学生的创新热情和动力[12]。
3.1 实施效果
3.1.1 合理的课程结构，线上线下混合式的教学方式，有效保障了小车项目的顺利完成
原金工实习有14 个单向工种实训任务，存在填鸭式教学的情况，学生缺乏对实习过程的主动思考，更较少考虑工艺之间的关联性，在项目驱动式改革初期，学生自选工种加工，往往在工艺选择上“避重就轻”，喜欢选择3D 打印、线切割等操作技能相对容易的工种。通过本次“智能车创新项目”的引入，拟合不同大类专业的培养计划，对设计内容和加工工艺进行了合理组合，见表2。
表2 小车部分加工零件工艺
将传统学习环境和网络信息化环境相结合，实现两者的相互补充、相互促进。改革和转变教师主导、学生被动的实践教学方式，依托学习通平台，搭建丰富、实用、共享的教学课程资源，实现开放式的学习空间，不再囿于实验室和限定的学习时间，为学生的自主探究式学习提供机会，鼓励学生在实习期间开展前置式、交互式的创新实践探索。
3.1.2 赛教融合项目的引入，充分激发了学生的主观能动性，展现了学生较强的工程实践能力
项目驱动式教学关注学生的“做中学”，注重理论与实践的结合，符合 CDIO 工程教育理念，有利于创新人才的培养，已成为实践教学的有效手段。在这个过程中强调学生的自主学习意识，积极开展小组讨论，协商、制定合理可行的解决方案，培养学生合作与协调能力[13]。在工程训练实践教学中引入项目驱动教学法，并将其与大学生工程训练综合能力竞赛两级驱动有机结合[14]，通过项目驱动融入知识点，通过竞赛驱动拓宽知识深度和广度，打破原来大三再开始参与竞赛活动的惯例，使训练内容变单一为综合，从而使学生的综合工程应用能力得以提高。
3.2 课程总结与反思
机-电深度融合综合项目是在完成公共基础课(或专业基础课)学习后在金工实习和电子工艺实习阶段设计的一个综合实践教学环节，是培养学生应用所学到的理论知识创新解决复杂工程问题的一次综合工程训练，并为毕业设计奠定基础。经过总结与反思，该课程依然存在一些问题，比如在金工和电工实训上，受学生课程安排限制，金工实践环节和电工实践环节分别在不同学期进行，这就存在综合项目在空间和时间上融合紧密度不足的情况，另外金工实训工种在项目工艺上具有一定的不平衡性，这些问题有待进一步探索实践。
为了适应新工科建设需求，基于工程训练中心整合新平台，充分践行赛教融合的实践教学理念，对金工实习课程体系进行重建，对实践教学方法进行重组，改变了传统的单一技能训练模式，以动态融合工程训练综合项目为主线的实践教学体系自构建以来产生了明显的积极效果，知识技能覆盖全面，提高学生实践创新能力和工程素养的同时使其树立崇高的劳动观念，培养专精的工匠品格，让工程实训的劳育价值得到提炼和传承。
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