工程創(chuàng)客教育模式下的綜合性工程訓練課程改革建設實踐

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革催生了新業(yè)態(tài)，新業(yè)態(tài)的發(fā)展對于工程教育的改革提出了新的要求[1]。2017年2月和4月，教育部在復旦大學和天津大學分別召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，形成了新工科建設的“復旦共識”和“天大行動”。同年6月，新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議在北京召開，與會專家審議并原則通過了《新工科研究與實踐項目指南》，形成了新工科建設“北京指南”，與“復旦共識”和“天大行動”共同構成了新工科建設的指導性文件[2-4]。在新工科建設背景下，工程人才培養(yǎng)結構的要素以及培養(yǎng)理念目標都發(fā)生了變化，工程實踐是工程教育的重要組成部分，工程訓練中心是實現(xiàn)工程實踐教育的重要載體。智能制造工程教育實踐性教學環(huán)節(jié)規(guī)范性要求指出：“工程訓練是培養(yǎng)學生工程實踐能力、系統(tǒng)工程意識的實踐性基礎課程，通過系統(tǒng)的工程實踐訓練，使學生獲得對機械、電子、信息、管理等專業(yè)技術在工程中融合和應用的感性認識和體驗，提高工程意識，質量、安全、環(huán)保意識和動手能力，為相關理論課和專業(yè)課學習奠定必要的實踐基礎，對培養(yǎng)學生工程實踐能力發(fā)揮著獨特作用?！盵5]2022年2月，清華大學基礎工業(yè)訓練中心牽頭成立教育部工程創(chuàng)客教育虛擬教研室，聯(lián)合全國200余所高校的工程訓練中心，共同推動工程創(chuàng)客教育的發(fā)展，深度融合工程實踐教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。燕山大學工程訓練中心積極響應虛擬教研室的建設，持續(xù)推進項目驅動式的實踐教學改革[6-8]，以培養(yǎng)新型高素質工程師人才為使命，積極開展基于工程創(chuàng)客的工程實踐教學改革，通過“1+2+5+N”的融合方式，建設具有“三融、三合、六創(chuàng)新”特色的實踐課程模式，面向新業(yè)態(tài)、新工科，探索“問題導向、項目驅動、賽教融合、跨專業(yè)創(chuàng)新實踐”的綜合工程訓練教學體系，服務國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略和制造強國戰(zhàn)略。1課程改革的理念與思路多專業(yè)融合是促使工科學生更廣泛接觸工程師相關業(yè)務概念的一種有效方式，其將參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相關的真實項目、體驗式活動納入高校工科人才培養(yǎng)實踐體系[9]。創(chuàng)客的特質是創(chuàng)新、實踐與分享，注重學生在實踐中學習并創(chuàng)造性地使用。高校需基于工程化項目主題導向，結合產(chǎn)業(yè)化實踐教學情境，開展工程實踐創(chuàng)客教育，使學生在基于創(chuàng)造的學習過程中，主動思考和自主探究，在分析與解決問題的過程中產(chǎn)生、驗證、實踐團隊的創(chuàng)新設計，在提高學生問題解決能力的同時培養(yǎng)其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的工程素養(yǎng)。大學生科技創(chuàng)新競賽作為面向在校學生的群體性科技創(chuàng)新實踐活動，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育緊密關聯(lián)，是大學生提高實踐能力、增強創(chuàng)新意識以及提高綜合素質的有效環(huán)節(jié)，在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)中具有重要作用[10]。高校需從學生“知識、能力和素養(yǎng)”全面發(fā)展著手，將競賽項目有機融入工程訓練教學過程，創(chuàng)建符合新工科“融合、集成、創(chuàng)新、共享、智能”特色的實踐項目課程，構建工程實踐與創(chuàng)新教育平臺。工程訓練中心是實現(xiàn)課程思政教育最有效的場景之一，無論是腦力勞動還是體力勞動，實踐性是其第一特性。在實踐環(huán)節(jié)，學生以完成項目為主線，在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)強化理論與實踐的結合，提高實踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。2課程改革的實施在學科交叉融合背景下，新工科工程訓練實踐創(chuàng)新教學的目標是培養(yǎng)具有動手能力、創(chuàng)新能力和解決復雜系統(tǒng)工程問題能力的人才[11]。一是以專業(yè)素養(yǎng)為核心，培養(yǎng)引領行業(yè)發(fā)展的復合型人才。目前側重“專才”教育的培養(yǎng)模式缺乏多學科交叉融合平臺，學科之間聯(lián)系較少，學生缺乏大局觀和學科引領意識，因此，高校應設立“跨專業(yè)+跨學科”的多元化培養(yǎng)體系。二是以鍛煉本領為導向，培養(yǎng)學生的科學實踐精神。鼓勵學生在理論學習和實踐探索過程中大膽創(chuàng)新、勇于創(chuàng)造，切實提高解決實際問題的能力，增強本領。三是以全面培養(yǎng)人才為指導，建立綜合素質養(yǎng)成機制。工程實踐教學內容豐富，具有綜合素質培養(yǎng)的屬性。圍繞以上目標，燕山大學工程訓練中心重構了課程的教學內容，改革了教學模式，確立了新的課程評價體系，并有效發(fā)揮思政教育的育人作用。2.1課程內容的改革措施綜合性工程訓練課程共240學時，其中金工實習部分為160學時，電子工藝實習部分為80學時。課程團隊32名教師中，14人負責課程教學和研討授課，全員參與小組實操實訓課程，為工科學生大三、大四的專業(yè)學習夯實工程實踐基礎。授課內容包括產(chǎn)品設計、軟件工具使用、制造技術、工藝知識、控制技術和工程倫理等。不同專業(yè)，如機械、電氣、材料等，對學生在金工實習、電子工藝實習課程的培養(yǎng)要求不同，因而，對不同專業(yè)學生，應采用不同的教學內容開展實踐教學。對于機械類學生，應側重機械設計、加工等環(huán)節(jié)的教學和實踐，以增強其綜合運用多種加工方法解決較復雜機械工程問題的能力；對于電氣和信息類學生，應重點進行電子元件的知識理解、功能模塊的設計組裝、控制方法學習、控制程序編寫等，以培養(yǎng)其綜合運用電工電子知識解決較復雜電控工程問題的能力。因此，實踐項目中的機械、電氣控制和程序控制三方面內容要具有開放性（或稱柔性），以促進不同專業(yè)學生實習實踐教學的有效開展。2.2課程的具體實施過程燕山大學工程訓練中心根據(jù)課程特點，面向同時開設金工實習和電子工藝實習的專業(yè)，通過“1+2+5+N”的實現(xiàn)方式開展動態(tài)融合課程改革的具體實施。課程以智能車創(chuàng)新項目為中心，融合金工實習和電子工藝實習兩個實踐教學課程，設置入眼、入心、入腦、入門、入行“五入”達成環(huán)節(jié)，融入“N”個思政元素，將智能車的設計制造、裝配、控制以及創(chuàng)新競賽內容融入實訓課程的全過程，培養(yǎng)學生對產(chǎn)品設計、制造全過程的認知、實踐和總結輸出能力，使理論教學、基礎工程訓練和創(chuàng)新工程訓練相結合。教師通過學習通平臺構建豐富、實用、共享的課程資源，引入線上線下混合教學模式，通過創(chuàng)客教室、加工社區(qū)，為學生開展自主探究式學習提供機會，促進師生交流，鼓勵學生課后在創(chuàng)新工坊開展實踐探索，拓展實踐教學的新渠道，具體的課程方案如表1所示，思政融入的詳細設計如表2所示。表1智能車項目“1+2+5+N”動態(tài)融合綜合訓練教學方案表2智能車項目各環(huán)節(jié)思政融入的詳細設計2.2.1項目前期：達成“入眼”教師通過學習通平臺提前布置預習任務，發(fā)布項目任務文檔、智能車項目指導書，展示前幾批學生的優(yōu)秀作品VLOG，提高學生的學習積極性和參與度。課程同步建立“理論+實驗”“雙師型”指導團隊，保障每個班、每個組都有專業(yè)教師負責指導。2.2.2項目基礎實訓階段和方案設計階段：達成“入腦”金工實習有鑄造、車削、銑削、3D打印、激光切割、加工中心等10多個基礎實踐教學模塊，在基礎實訓環(huán)節(jié)中，教師主要讓學生熟練掌握各種工具的使用方法，樹立安全操作的意識。在實訓中，教師以解決問題為抓手，培養(yǎng)學生的動手能力，鼓勵學生多觀察、多提問、多創(chuàng)新，嵌入6S管理理念，培養(yǎng)學生的規(guī)范意識，樹立正確的勞動價值觀，養(yǎng)成好的勞動品質。方案設計階段包括智能車方案結構設計及工藝編制，采用教師講解導入和學生自主探究學習的教學模式。教師講解剖析典型智能車結構設計和加工工藝，要求學生完成自主創(chuàng)新設計，在現(xiàn)有成本的（固定虛擬貨幣）條件下，完成產(chǎn)品的加工制作，培養(yǎng)學生成本意識。2.2.3項目加工制作、裝配階段：達成“入心”項目的加工過程是以學生獨立自主動手操作為主的教學環(huán)節(jié)，要求學生在智能車的主體結構包括車體和車載附件兩部分，實現(xiàn)簡單的電氣控制，體現(xiàn)機械和電氣的交叉融合。車體的加工制作必須融合傳統(tǒng)加工工藝和現(xiàn)代加工工藝（既要包括傳統(tǒng)的普通車床、銑床、鉗工等加工方式，也要包括先進的數(shù)控機床、多軸加工中心、激光切割特種加工等）?？傃b環(huán)節(jié)是加工制作的最后一道工序，所有的加工問題會在該環(huán)節(jié)集中體現(xiàn)。通過該環(huán)節(jié)，引導學生明白什么是加工精度、裝配精度，建立精度意識，發(fā)揮課程思政育人作用。2.2.4項目電控調試階段：達成“入門”智能車機械部分的加工和裝配完成以后，進入電控環(huán)節(jié)，即傳統(tǒng)課程中對應的電子工藝實習部分。電控環(huán)節(jié)實現(xiàn)的主要功能為：使用手機藍牙App控制智能車前進、后退，并具有屏幕指示功能和信息采集功能。在項目實施過程中，核心板為STM32F4X1系列，開發(fā)環(huán)境為MicroPython，系統(tǒng)板固件集成數(shù)碼顯示管、點陣、液晶屏、溫濕度傳感器等模塊的初始化程序，后續(xù)添加按鍵、藍牙、霍爾傳感器等模塊。模塊搭建需要學生綜合考慮車架面積及空間，合理安排各模塊位置，因此，學生還需要掌握一定的布線和焊接技術。2.2.5項目答辯：達成“入行”考核方式為金工和電工單獨考核，采用項目答辯、推優(yōu)評選并舉的考核方式。該環(huán)節(jié)考核學生工程素養(yǎng)，包括團隊合作、協(xié)調交流、寫作表達等綜合能力。2.3課程的教學方法和手段以學生為中心，重組教學模式，采用多種先進的教學方式，充分調動學生的學習積極性，提高教學質量和教學效果。2.3.1混合式教學模式混合式教學模式充分利用了碎片化時間學習，將傳統(tǒng)課堂教學和在線教學兩者優(yōu)勢相結合。學生分組完成小車制作任務，且每組制作小車各不相同，師生之間和生生之間以方案分析為切入點開展可行性討論，通過討論、思辨過程，教師引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決復雜工程問題。2.3.2項目驅動式結合情境教學法項目驅動式教學關注學生在“做中學”，注重理論與實踐的結合，符合新工科背景下的工程教育改革理念，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，已成為實踐教學的有效方式。在這個過程中，教師要強調學生的自主學習意識，積極開展小組討論、協(xié)商，幫助學生制定合理可行的解決方案，培養(yǎng)學生合作與協(xié)調能力[12-15]。教師還需融合創(chuàng)客教室和加工社區(qū)，模擬企業(yè)真實的場景，設置具體的小組討論、設備租賃、成本分析及質量檢驗等環(huán)節(jié)，深度開展抽象思維與形象思維結合的情境式教學。2.3.3團隊式教學法建立“雙師型”教師指導團隊，全方位保障學生在金工實習部分完成設計、加工、裝配、運行任務，在電子工藝實習部分完成硬件電路設計焊接、模塊編程、整車功能調試任務。2.4課程的考核評價課程采用多元評價方法，運用過程性評價與終結性評價相結合的課程考核方式，具體分為金工實習實踐課程考核、電子工藝實習實踐課程考核和優(yōu)秀項目團隊評選。2.4.1金工實習課程考核在線預習與理論考試占10分；課程過程考核占40分，考核的內容主要包括設備和工具的安全操作，學習紀律，小組進度安排，討論交流參與度，智能車設計、圖紙規(guī)范、工藝編制、成本預算等內容；智能遙控車機械加工與匯報占50分，包含思政教育、勞動表現(xiàn)、答辯與表述等內容。各部分成績由指導教師團隊綜合給定，分A、B、C、D四個等級，每個等級對應相應分值。實習結束后，教師將學生所有評價點得分相加，給出最終成績。2.4.2電子工藝實習課程考核功能電路焊接技術基礎練習占20分、智能車控制方案制定占40分，包括基于STM32嵌入式開發(fā)系統(tǒng)板的學習、功能模塊的調試使用等；整車組裝調試與匯報占40分，包括實踐課堂表現(xiàn)、調試時間、故障分析、報告規(guī)范等內容。各部分成績也由指導教師團隊綜合給定，分A、B、C、D四個等級，每個等級對應相應分值。實習結束后，教師將學生所有評價點得分相加，給出最終成績。2.4.3優(yōu)秀作品評選組織動態(tài)融合綜合項目答辯，評選出優(yōu)秀項目作品、優(yōu)秀小組和優(yōu)秀指導教師團隊，在中心的公眾號等平臺推優(yōu)展示，使師生獲得成就感，提高學生的學習積極性與參與度，同時正向激勵指導團隊的教師。3課程的實施效果及反思3.1課程的實施效果3.1.1建設具有“三融、三合、六創(chuàng)新”特色的課程模式，保障課程目標的順利達成長期以來，金工實習、電子工藝實習各自的實踐教學內容相對獨立，中心設備資源和指導教師工程背景豐富的優(yōu)勢并未得以充分發(fā)揮，學生在工程實踐教學上的能力培養(yǎng)效果未充分體現(xiàn)。經(jīng)過課程團隊的精心設計，以智能車綜合項目為統(tǒng)一載體，通過“1+2+5+N”的過程，實現(xiàn)了跨學科交叉融合、教師教學資源的融合、創(chuàng)新競賽和教學項目融合的“三融”；開展了創(chuàng)客空間、加工社區(qū)和創(chuàng)新工坊的深度合作，即“三合”；其具有工程教育改革的新理念、新模式、新內容、新方法、新課程體系和新的課程考核方式六個創(chuàng)新性特征，如圖1所示，充分發(fā)揮了工程訓練中心在培養(yǎng)大學生工程創(chuàng)新實踐能力方面的作用。圖1“三融、三合、六創(chuàng)新”的特色課程模式3.1.2學生展現(xiàn)出較強的創(chuàng)新實踐能力2022年秋季學期，開放式智能遙控車機械加工和程控設計訓練項目正式投入教學，從教學效果來看，機電一體化綜合實踐項目極大調動了學生的學習積極性，對學生和教師團隊進行了多方面鍛煉，學生反饋教學內容新穎有趣且豐富。結合創(chuàng)新工坊，學生積極參加課后拓展活動，部分學生完成的作品如圖2所示，師生都感受到了實踐環(huán)節(jié)教學改革帶來的變化。圖2學生的綜合項目作品3.2課程的總結與反思3.2.1課程的成果習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“堅持為黨育人、為國育才，全面提高人才自主培養(yǎng)質量，著力造就拔尖創(chuàng)新人才，聚天下英才而用之?！盵16]改革后的課程，從頂層規(guī)劃了高素質工程師培養(yǎng)體系的架構，全方位培養(yǎng)了學生的工業(yè)軟件應用、機械設計加工、團隊協(xié)作等實踐能力，提高了學生參與創(chuàng)新競賽的積極性。課程組教師指導學生參與多項學科競賽：在2021年中國大學生工程實踐能力與創(chuàng)新大賽中獲國家金獎1項、一等獎1項；在2022年河北省工程實踐能力與創(chuàng)新大賽中獲特等獎5項。課程團隊榮獲了首屆全國高