植入復雜工程問題的工程訓練實踐課程體系探索

鄭紅偉, 王 偉, 王明川, 師占群,, 戴士杰, 張艷蕊

(1. 河北工業大學 實驗實訓中心, 天津 300401; 2. 河北工業大學 機械工程學院, 天津 300130)

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度[1-2],是提升工程人才素質的有效途徑[3]。《工程教育專業認證標準》12條畢業要求中有8條涉及復雜工程問題[4]。獲得解決復雜工程問題能力對學生達成畢業要求、促進就業具有重要支撐作用。因此,培養學生解決復雜工程問題能力[5-7]逐漸成為各高校工科類專業的核心任務。

工程訓練作為一門集知識、素質、能力、創新于一體的實踐課程,是高校對本科生實施工程教育、培養其工程素質和工程意識的有力抓手[8]。然而,在目前的工程訓練實踐課程體系中,通常只是對學生單一知識點、單一技能的訓練,不能支持充分交叉與融合[9],雖然也涉及復雜工程問題,但仍面臨訓練門類少、專業覆蓋率低、學生受益面窄等現狀。如何構建植入復雜工程問題、培養學生多學科交叉融合能力的工程訓練實踐課程體系,是目前工程訓練學科需要重點解決的問題。

鑒于此,圍繞復雜工程問題的7個特征,基于成果導向工程教育[10-12]理念,對工程訓練課程進行了研究與探索,構建了植入復雜工程問題的工程訓練實踐課程體系,并探索了課程體系的運行模式。

1 課程體系建設構想

1.1 復雜工程問題的7個特征屬性

《工程教育專業認證標準》中指出,復雜工程問題必須首先具備“運用深入的工程原理,經過分析才可能得到解決”這一特征,同時應具備其他6個特征的部分或全部。這就要求學生在多學科交叉背景下,運用深入的工程原理解決工程實際問題,完成“理論指導下的實踐”。復雜工程問題的7個特征屬性如圖1所示。

圖1 復雜工程問題的7個特征屬性

1.2 建設構想

成果導向理念是工程教育專業認證的重要指導思想,以具有工程背景的項目為工程訓練實踐教學的載體,參照復雜工程問題的7個特征屬性,將涉及工程實際、教師科研、學生競賽等方面的工程項目進行整合、設計,轉換成多學科交叉融合的復雜工程問題,構建“模塊化-項目式”的工程訓練實踐課程體系,并建成植入復雜工程問題的工程訓練實踐項目庫。以課程、項目、課外實踐等模式,讓學生參與復雜工程問題實踐訓練,培養學生發現、分析、解決復雜工程問題的能力。

2 課程體系構建

2.1 基于成果導向工程教育理念的課程體系設計

基于成果導向工程教育理念,將復雜工程問題轉化為工程訓練實踐教學載體,構建了植入復雜工程問題的工程訓練實踐課程體系,創建了傳統機械設計與制作訓練、電氣控制與電工電子訓練、新技術新方法創新訓練、機械與電氣結合訓練4大模塊,并設計了各模塊下設的訓練項目(見圖2)。

圖2 植入復雜工程問題的工程訓練課程體系圖

(1) 模塊1:傳統機械設計與制作訓練。圍繞從機械產品設計到產品運行的全過程,在現有傳統機械加工工程訓練模塊基礎上,增加機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定等訓練內容,形成涵蓋設計、加工、工藝、裝配等四位一體的機械加工復雜工程問題訓練載體。設計了鴨嘴榔頭創新設計與制作(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、熱處理、鉗工等)、顆粒輸送裝置設計與制作(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、鉗工、焊接、線切割等)、平口虎鉗設計與制作(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、車削加工、銑削加工、鉗工等)、基于機械加工的工藝品設計與制作(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、焊接、鉗工裝配等)等訓練項目。

(2) 模塊2:電氣控制與電工電子訓練。以電氣控制與電工電子工程實踐的工程實際應用為目標,將各知識點綜合統一、有機聯系,搭建涵蓋檢測、調試、控制、設計、制作等內容的電氣控制與電工電子復雜工程問題訓練載體。設計了基于PLC控制的交通燈系統設計與實現(元器件認知、功能分析、控制流程編寫、系統設計與搭建、程序編寫、系統調試等)、基于PLC控制的電梯系統設計與實現(元器件認知、功能分析、控制流程編寫、系統設計與搭建、程序編寫、系統調試等)、簡易萬用表的設計與制作(元器件認知、功能分析、系統設計、加工制作、功能調試等)、小型變壓器的設計與制作(元器件認知、功能分析、系統設計、加工制作、功能調試等)等訓練項目。

(3) 模塊3:新技術新方法創新訓練。與工業主流技術相銜接,將新技術新方法融入工程訓練課程體系,有助于縮短校企之間的距離,促進畢業生就業。圍繞3D打印技術、激光加工技術等主流技術,對已開設的部分訓練項目進行整合與再設計,形成新技術新方法復雜工程問題訓練載體。設計了藝術小臺燈創新設計與制作(三維建模、3D打印、二維建模、激光加工、電子技術等)、復雜零部件逆向求解與3D打印(三維掃描、數據處理、三維建模、3D打印等)、基于激光加工的無碳小車設計與制作(機械設計、二維建模、激光加工、鉗工裝配等)等訓練項目。

(4) 模塊4:機械與電氣結合訓練。機電一體化技術將機械、電工、電子、傳感器、信號等多種技術集于一體,已成為生產過程中的重要技術。依托中心骨干教師科研項目平臺,以機電一體化技術為主線,將實際的機電工程項目轉化為機電結合復雜工程問題訓練載體。設計了零件自動測量系統的設計與實現(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、機械加工、鉗工裝配、PLC控制系統設計、傳感測量技術、測量數據處理、人機交互系統設計等)、電控智能小車的設計與制作(機械設計、機械制圖、機械加工工藝方案制定、機械加工、鉗工裝配、控制系統設計、信號識別與處理、人機交互系統設計等)、小型機器人系統的設計與實現(機械設計、模型搭建、路徑規劃、程序編寫等)等訓練項目。

2.2 訓練項目的教學設計:以藝術小臺燈創新設計與制作為例

圍繞復雜工程問題的特征屬性,以工程教育專業認證標準中的畢業要求為指導,進行了訓練項目的教學設計,以藝術小臺燈創新設計與制作項目為例,其教學設計如圖3所示。

圖3 藝術小臺燈創新設計與制作項目教學設計

由圖3可知,藝術小臺燈創新設計與制作項目在綜合3D打印技術、激光加工技術、電子技術基礎上,設計了涵蓋基本知識認知、軟件使用、設備操作、創新實踐等多個方面的教學內容。通過分析《工程教育專業認證標準》及復雜工程問題屬性特征,設置了市場調研及文獻研究、問題研究及技術知識學習、學生分組研究討論、方案構思與設計、產品加工/制造、撰寫文檔及PPT、答辯等教學環節,并給出了各個教學環節與《工程教育專業認證標準》中的畢業要求及復雜工程問題屬性特征之間的對應關系。

良好教學效果的取得與合適的教學方法運用密不可分,指導教師團隊通過將“基于問題學習”和“任務引領”兩者結合,形成了以解決問題、完成任務為主導的工程訓練實踐教學方法。該方法的實施步驟及師生主要活動如表1所示。

表1 “基于問題學習+任務引領”的教學方法實施步驟與師生活動

2.3 課程體系的運行模式

依據學校各專業培養方案中對工程訓練環節的要求以及大多數學生對工程實踐的需求,植入復雜工程問題的工程訓練課程體系主要有以下3種運行模式:

(1) 工程訓練必修模式。在工程訓練課程已有的N個訓練模塊基礎上,將植入復雜工程問題的部分訓練項目作為綜合訓練內容,設置I個綜合模塊,形成“N+I”的工程訓練課程新體系。參加工程訓練的全部專業,可自主從N個訓練模塊中選擇n個模塊,從I個綜合訓練模塊中選擇i個模塊,形成n+i=k的訓練項目組合。但不管如何組合,要求k必須滿足本科生院下達的教學任務中規定的訓練周數。學生以班級為單位,在各模塊配備的1名教師指導下,通過小組合作的方式完成訓練任務。工程訓練結束后,指導教師從實訓表現、實習報告、理論考試等方面綜合評定學生成績。

(2) 自主創新開放選修模式。將植入復雜工程問題的訓練項目轉換為16/32學時的選修課程,學生根據自己的興趣選擇課程,并組成項目團隊。在指導教師團隊的組織和帶領下,學生在8周時間內通過分散學習的方式,完成項目內容。為保障實踐效果,指導教師在每周固定時間為學生提供1次統一指導。課程結束時,學生需要提交作品實物、設計說明書,并通過現場答辯考核。考核合格者可獲得1個或2個創新學分。

(3) 匠心訓練班模式。基于全國大學生工程訓練綜合能力競賽等競賽項目,中心向全校本科生發出競賽報名通知,學生自愿報名,經過初步篩選之后組成匠心訓練班。以競賽命題要求為主線,涵蓋與競賽相關的所有內容,學員以3人為一個團隊,經過1個學期的學習和實踐,在競賽指導組的組織和帶領下,完成競賽項目,提交作品實物、設計方案、研究報告等,并通過校內賽/省賽/國賽獲得能力提升。

3 實踐應用效果

作為工程訓練課程改革的重要實踐,植入復雜工程問題的工程訓練課程體系已在我校工程訓練中心實施。200余名學生按照工程訓練必修課程的運行模式參加了改革后的工程訓練,通過小組合作的方式圓滿完成了所選的訓練項目,部分優秀學生作品如圖4所示。

4 結語

經過一個學年的實踐,改革后的工程訓練實踐課程體系,有效提高了學生解決復雜工程問題的能力,提升了學生參加工程實踐的積極性,很多學生表示,植入復雜工程問題的訓練項目將對其今后的工作起到重要作用。實踐證明,改革舉措和方法可行,效果良好,可為其他普通高校的工程訓練改革提供參考和借鑒。

圖4 部分優秀學生作品選