開放式工程訓練教學探索與實踐

魏領會，徐宏海，張超英，胡福文

（北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144）

工程訓練中心是我國高校實施工程教育的實踐教學基地，承載著本科階段的必修實踐教學任務，是工科類高校中教學規模最大、學生受眾人數最多的實踐教學平臺［1］。近年來，高等工科院校增加對工程教育的投入，極大地促進了工程訓練中心的硬件平臺建設。在實習環境、設備更新等方面都有了長足發展。現代化的環境和加工設備，迫切需要豐富的教學內容和方法與之匹配，在學生綜合能力培養、實現工程訓練教學目標過程中更好地發揮作用。但工程訓練教學大綱設定的課時有限，致使先進設備上課開出率較低，更新設備在教學內容的改革與完善方面也相對滯后，在培養學生的學習興趣和主體性方面的作用尚不能充分發揮［2－5］。如何更好地提高設備利用率、完善工程實踐教學環節、促進對學生工程實踐能力和創造力的培養，是高校實踐教學工作者長期探討的重要課題之一［6－10］。

1 以必修實踐為基礎，推進開放式教學

開放式教學是提高儀器設備利用率的有效措施，可以為學生提供自主發展和實踐鍛煉的空間，可以充分發揮實踐在學生素質教育中的重要作用，是近幾年高校教學改革的重要體現［11－12］。

工程訓練中心作為高校規模最大的實踐教學平臺，其人員、環境、設備等基礎條件為推進并順利實施開放教學提供了保證。

（1）實踐教學團隊。工程訓練中心的前身為學校的校辦工廠，過去曾承擔過企業的生產任務，指導師傅具有相對真實的工程背景，但缺乏理論和教學方法的研究，過分強調技能，“一錘統打天下”。簡單的產品復制或模仿的教學，很難激發學生的自主學習熱情和思考力。近幾年的發展中，學校引進一批具有碩士以上學歷的年輕人充實實踐教學隊伍，他們在自身科研的同時，將豐富的理論和新的教學方法引入工程訓練實踐教學，在指導師傅的配合下付諸實施，這種理論指導實踐、實踐反饋理論的人員構成，是高校中比較具有特色的實踐教學團隊。

（2）設備環境條件。工程訓練中心擁有現代化和傳統制造的各種制造設備與廠房，可以模擬實現制造業的設計、制造、裝配等典型工業環境，是一個濃縮的制造工廠。

（3）受眾對象。以工程應用為背景，形式多樣的制造業生產方式和工藝過程，給學生創設出思考和發揮的空間，可以在很大程度上調動學生的學習熱情。

在教學大綱規定的金工實習內容結束后，學生可結合自己在實習過程中技能的積累和興趣，繼續進行提高實踐、研究和探索能力的開放式工程訓練。

2 開放式工程訓練教學課程資源拓展

2.1 教學設計及目標

開放式工程訓練教學以提高學生的綜合能力為目的，融知識、能力、素質為一體。教學設計以基礎工程應用為前提，圍繞理論課程→金工實習→綜合實訓→選修課程→職業技能考證→工程訓練競賽→基于科研平臺的開放訓練這條主線，形成工程訓練中心的實踐教學體系。詳細設計流程如圖1所示。

圖1 工程訓練教學環節實施流程

教學設計充分考慮學生學習的漸進性、理論與實踐的指導與反饋作用；開放式的工程訓練過程，增設趣味性和研究探索性，培養學生積極主動、大膽嘗試的探索精神；增設工業制造領域相關應用和場景，用于學生開闊視野、打開思路，達到使學生通過真正解決實際問題的過程，鞏固所學理論知識、鍛煉綜合實踐能力、培養和提升創造性的思考力和自主學習熱情的目的。

2.2 開放式工程訓練教學內容設計

我校開放工程實踐教學分為基礎開放工程訓練和基于科研平臺的開放工程訓練2個層面（見圖1），分別用于滿足不同專業和工程背景的學生需求。

基礎開放工程訓練部分，基于主修理論課程，結合多媒體等先進教學手段，以典型機電產品、零部件等為載體，參考全國大學生工程訓練綜合能力競賽、職業技能大賽、全國大學生機械創新設計競賽、挑戰杯競賽等形式，以實踐教師、各工種指導師傅和學生組成團隊，進行早期的命題、資料收集、模型的設計和制作；技能部分以鉗工為基礎，充分考慮3D打印、數控加工、快速成型、線切割等體現現代加工的實訓工種，然后將設計成熟的訓練項目，按照實踐認知規律，進行層次劃分。同時還開設了拓展與自主選做題目，倡導創新理念，如IPAD創意支架的設計與制作、健身課桌等這類結合科技產品或生活需求的選做題目，為自主研究和創新設計留下足夠的空間，激發學生興趣，滿足學生個性化發展的需求。

開放式工程實踐訓練隨著教學開展，教學內容不斷豐富并得到積累。目前開發出的供學生選作類題目包括“R機的設計與制作”、“變軸橢圓儀的設計與制作”、“家庭健身橢圓機制作”、“無碳重力勢能小車”、“基于項目的數控加工過程仿真與實踐”等10多類作品。這些作品涵蓋了“機械設計”、“互換性與測量技術基礎”、“金屬工藝學”等多門課程中的常用機構、配合、傳動形式、加工工藝、測量方法等內容，提升了學生對所學課程的理解。部分開放實驗作品如圖2所示。

基礎工程訓練競賽是對開放式工程訓練及學生綜合實踐能力的檢驗，每年舉辦一次，由教務處主辦，工程訓練中心承辦。競賽分單向技能競賽和綜合能力競賽，分別針對開放式工程訓練中不同訓練專項的學生。單向技能競賽在單一工種完成，通過相關工藝內容、操作技能和測量方法體現出工程性考核要求；綜合競賽項目以創新機構或裝置的設計制作體現結構原理、工業制造相關工藝、裝配及應用等工程性要求。

基于科研平臺的開放式工程訓練項目，以教師現行科研項目為載體，選擇基礎開放訓練環節考核優秀的學生進入教師的科研項目組，幫助教師完成部分內容，直至課題完成。這也為學生畢業設計和繼續進行研究生學習奠定了基礎。目前為止，已有多名研究生在中心開發基于科研的開放實踐教學平臺完成課題，并順利畢業。已形成產品的立式玻璃磨邊機開放式科 研實踐教學平臺，如圖3所示。

圖2 部分開放實驗作品

圖3 立式玻璃磨邊機科研訓練平臺

3 開放式工程訓練教學實施辦法

經過理論設計和實踐摸索出相對成熟的開放訓練課題，按照學生學習、認知規律，分階段、預約制，在指導教師的指導下，自主實施完成。

（1）明確任務。指導教師通過多媒體和視頻短片等，介紹課題內容、要求，明確具體的目標、作品的考核指標等，學生通過學校的多模式教學網下載詳細資料，迅速了解任務，根據自身特點自由組合，3～4人組成一個學習小組，并完成選題任務。

（2）確定目標，制訂方案。學生選題后，首先是思想的轉變，要用所學理論解決從未遇到的實際問題。教師在這個過程需要盡力創設學生可理解的虛擬情境，提出啟發性的問題，使學生在獲得感性認識的基礎上明確探究的目標。然后，3～4人的學習小組，圍繞任務由淺入深獨立設計，并在要求的時間范圍內自行組織實施方案。首先搜集相關資料，包括相關工藝理論、結構原理、工業制造相關場景、原型及應用等，明確現有條件，咨詢指導教師；然后充分運用已有知識并再學習一定程度的新知識技能，調動想象力與創造力進行資源整合、小組討論，共同決策，精心設計、構思方案，經過反復討論、深入思考，在中心機房利用三維設計SolidWorks軟件完成零件的設計和裝配，并模擬運行，不斷完善，最終確定出可行方案。

（3）實踐技能訓練。每一個訓練課題都有明確的成果性作品，在實施技能訓練的過程中，考慮到學生的工程背景以及對工藝和設備的熟練程度有限，技能環節特設了加工過程的虛擬仿真平臺，包括工業版Vericut數控類加工虛擬仿真軟件、CAXA制造工程師、CAXA數控車床等。學生通過軟件反復練習，感受企業中CAD/CAM的數字化制造過程。然后，在指導師傅的指導下再次確定工藝的合理性，根據制定的加工工藝卡片，獨立完成機床操作，加工出測量合格的工件。實踐訓練過程的數字化制造和工程性的技能要求以及軟硬件結合的訓練，可以促進學生更好地理解企業生產方式和理論在解決實際工程問題中的指導作用，培養學生的工程觀念。

（4）考核評價。考核指標除滿足性能要求的作品外，還要以小組為單位撰寫匯總報告。查詢的資料、方案的設計與論證、繪制的設計圖紙、裝配作品效果等作為技術報告部分，另外，匯總報告還包括項目實施過程中遇到的問題和不同的解決方法，接觸到的各種設備和工藝方法、使用的各種工量具等。深入思考，提出問題，找出解決辦法，提出新的思路，寫出創新思維報告。最后，指導教師就項目的方案、過程實施和技能環節給出評價，而作品則由指導教師和學生組成評審團，設計小組以答辯的方式介紹作品、回答同學提問，然后評審團給出評審結果。

4 開放式工程訓練教學實踐效果

我校預約開放式工程訓練，采用基礎開放工程訓練、基礎工程訓練競賽和基于科研平臺的開放形式，極大地調動了學生的學習熱情，有效提升了學生的創新意識和實踐能力。近3年，我校工程訓練中心獲得國家和北京市級大學生工程訓練綜合能力競賽一等獎1項、二等獎7項，機械創新大賽北京市一等獎、國家級二等獎。針對勞動職業技能層面的數控加工綜合技術與應用培訓，每年都有60多人參加國家職業技能考核，并獲得由國家勞動部門頒發的職業技能資格等級證書，歷屆基礎工程訓練技能競賽都有近200人次的參與率，并為學生畢業設計、研究生面試、拓寬就業渠道發揮積極作用。2013年，我校工程訓練中心被評為國家級實驗教學示范中心。

工程訓練中心開放式工程實踐教學資源的工程作品庫，在開放教學的實踐中逐漸豐富，供金工實習的課內教學和后續開放實訓的學生研習，為下一輪次的開放式訓練營造更好的平臺。

5 結束語

我校開放式工程訓練教學，采用循序漸進的方式，充分考慮學生的認知與學習規律；結合興趣自主選題，充分調動學生的學習熱情；項目過程自主實施，用于鍛煉學生的創造性；盡力創設制造業企業的技能體驗，培養學生的工程實踐能力。實踐證明，在培養學生實踐能力、創新精神、團隊合作等綜合素質方面效果明顯。

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