基于工程創客教育的工程訓練教學改革與探索

錢俊，沈洪垚，唐潔

（1.浙江大學 工程訓練中心，浙江杭州 310058；2.浙江大學 機械工程學院，浙江杭州 310058）

推動創新創業教育發展、培養大學生創新創業素養，是政府、高校、社會的共同責任[1]。工程創客教育契合以學習成果為導向的教育理念（OBE，Outcome-Based Education），從強調“教”到重視“學”，從強調投入資源到重視學習成效，從強調主觀感受到重視客觀證據，從強調典型和個例到重視全體和共性。工程創客教育旨在用創客文化、理念和方式去改造傳統的工程教育[2]。一般認為，創客精神的突出特征是首創與開源、協作與分享，注重企業家與團隊精神，并強調將夢想變成現實[3]。工程創客教育的目的是在經濟全球化、智慧經濟與互聯網信息時代的背景下，面向創新型國家建設與制造強國戰略培養具有“工匠精神、設計思維、創造性、批判性思維、實踐智慧”等創客核心素養的工程科技創客[4]。

工程訓練課程面向全校學生開設，貫穿學生學業全程，以工程教育為基礎任務，以實踐教學為主要特征，其豐富的軟硬件資源和開放的教學體系是培育創新實踐活動的天然土壤[5]。在工程訓練教師的指導下，學生學習工藝知識，操作儀器設備，感受制造過程，接受系統化實踐教育[6]。工程創客教育所倡導的培養具有“工匠精神、設計思維、創造性、批判性思維、實踐智慧”等創客核心素養的工程科技創客新型人才，與高校工程訓練的目標和宗旨一致，二者有機融合可以促進工程技術人才培養質量的提升[7]。

近年來，隨著工藝技術、設施裝備、教學理念的快速發展，傳統的工程訓練課程設計已經無法滿足產業對技術人才的高標準要求，無法適應新工科理念的教學需求，傳統人才培養模式與創新創業素質目標漸漸脫節[8]。具體而言，當前工程訓練課程教學存在的主要問題包括：（1）設計環節覆蓋內容窄，以幾何模型設計為主；（2）設計理念和方法缺乏創新，以單機軟件和正向設計為主；（3）部分裝備陳舊、形式單一，傳統工藝環節裝備數字化率低；（4）質量評價缺位、方法更新滯后，以手工方式簡單測量為主；（5）裝備間孤立無串聯性，各工種裝備分別開展訓練；（6）制造數據自動采集缺位，運行過程數據被忽視；（7）項目載體涉及技術領域窄，課程成果以機械載體為主；（8）止步于教學，忽視產品化，僅以完成訓練教學為目標。

針對以上問題，教師可探索以工程創客教育模式，推動工程訓練教學改革。在實現工程訓練基礎教學目標的基礎上，以培養本科生工程創客能力為主線，拓展技術涉獵面，注重前端設計能力培養，強化大系統理念，引導制造技術與虛擬現實、大數據、云計算、人工智能技術等的有機結合，通過設備體系更新、訓練科目優化、訓練內容串聯等方式進行常規課程設計，通過聚焦技術主題、設計綜合集成訓練項目加強創新課程設計，通過設置場景、系統整合等方式搭建創新競賽類活動平臺，通過開放場地、開放設備、提供經費等方式建設學生自治創客工作室，通過引入固定或動態基金的方式推動創新成果的創業化，使工程創客教育成為培養實踐能力強、創新能力強、國際競爭力強的高素質復合型新工科人才的重要渠道，為浙江大學工程創客教育提供基礎原動力。

1 課程綜合改革措施

1.1 新工科理念主導的基礎創新實踐課程改革方案

近年來，隨著基礎辦學條件的不斷改善、工程創客基地建設成果的日益豐富，浙江大學工程訓練中心在裝備體系工藝覆蓋度上也得到了極大改善，裝備的性能和數字化水平得到顯著提升。得益于新型軟硬件系統的引入，新的教學體系可以滿足從設計到系統應用的多環節多層次實踐訓練教學要求，新課程體系可以有效實施加工代碼設計、零件測量評價、大系統及車間級的應用實踐，并且引入了設計軟件云架構、虛擬現實、設備互聯等多種面向新工科要求的教學形式[8]。新老課程教學體系軟硬件差異具體情況如圖1 所示。

圖1 新課程體系軟硬件覆蓋度分析

依托新裝備條件支撐，圍繞新工科教學對學生工程創新訓練的能力培養要求[9]，擬對原實訓項目體系進行重新梳理整合。訓練項目調整的具體原則如下：（1）在有限的課堂時間內，將偏理論的基礎原理、裝備、工藝、方法及典型案例遷移至線上教學；（2）在盡可能保證金工實習工藝體系的完備性、不出現工種大幅缺項的前提下，壓縮傳統工藝課時和項目數；（3）補充或豐富與制造緊密相關的先進設計、測量、集成等內容，豐富系統級集成應用的綜合案例；（4）體現新工科教學要求，體現機器人、工業互聯網、人工智能、大數據、云技術、虛擬現實、3D 打印等重要元素[10]；（5）在難以開展完整實操訓練的場合，采用演示+局部環節實踐的方式實施；（6）增加綜合創新實踐，將零散項目訓練進行串聯。

調整后的項目方案如圖2 所示。

圖2 常規工程創新訓練綜合課程改革項目調整方案

1.2 基于工程創新項目制的課程改革方案

改革方案的主要思路是摒棄單一工種能力強化訓練，以項目制為抓手，從“創新設計—數字制造—機電集成—軟件控制—樣機演示”的創新能力訓練鏈條展開，采用基于學習產出的教育模式[11]，清晰地聚焦和組織教育系統，使之圍繞確保學生在未來工作中獲得實質性成功的經驗。以協作機器人作為項目載體，完成協作機器人的設計制造與樣機演示，如圖3 所示。

圖3 工程創新實踐課程模塊設計方案

1.3 面向熱點主題的創新競賽活動設計方案

面向熱點主題，結合工程訓練中心裝備和技術優勢，每年舉辦固定及動態主題的創新競賽活動，對競賽活動設置與實施的方案作如下表述：

（1）圍繞熱點需求和技術趨勢；（2）面向全校開放，鼓勵校外人員參與；（3）重點推動依托制造技術實現實物化作品的競賽主題；（4）設計多種形式的激勵措施，包括認可學分、保研加分、經濟獎勵；（5）與國內外大型賽事銜接，作為主賽事的內部培訓選拔賽事。

1.4 基于學生自治管理的創客工作室設計方案

廣泛吸引優秀學生入駐，建立學生自治工作室可持續運營的管理機制，通過激勵機制增強入駐群體的穩定性，提升整體管理水平。利用兼職教師項目制實踐創新活動以及開放空間的學生工作室，廣泛吸引優秀學生入駐工程訓練中心。學生自治工作室以開展自主創新實踐活動為主要工作內容，具有固定工作空間，由學生責任人、成員組成，是能夠實現自我管理和動態發展的創新實踐學生小組。對于吸納學生及學生自治工作空間的管理，初擬工作方案如表1 所示。

表1 基于學生自治管理的創客工作室設計方案

1.5 依托社會力量的創業引導平臺設計方案

創新思想的產品化和創業落地將是工程創新創業訓練課程的重要目標。工程創新創業訓練綜合改革將協調對接外部資本組織創新創業大賽，提升創新活動的社會認可度，以制造技術為門檻、融合新興技術為定位進行創業項目引導，打造特色創業大賽品牌。創業引導平臺設計方案要點如下：（1）平臺采用多種形式并存的模式，包括創業引導培訓類課程、講座，創業類路演、比賽等；（2）平臺依托的教師包括工程訓練中心現有的教、輔資源，以及固定、非固定的校內外創業導師資源[12]；（3）通過將企業需求轉化為創新創業主題、合作企業優先享有成果轉化權等措施，與一定數量、規模的國內外相關行業內的重要企業形成長期穩定的合作關系；（4）與企業、地方政府、投資機構建立長期合作關系，保證創業項目的資金支持，提升創新創業項目的成功率[13]。

2 實踐探索成果

在課程改革探索過程中，浙江大學工程訓練中心獲批國家工程創客示范基地重點工程項目——“浙江大學IBE 工程創客實踐基地”建設[14]，批復項目資金2 000 萬元，工程訓練中心作為工程創客實踐主承載平臺，重點建設創新設計云中心、數字化制造中心、虛實融合實踐中心、綜合工程創客空間四個特色功能平臺，目標是打造浙江大學工程創客教育主窗口。同時，工程訓練中心為工程訓練國家級實驗教學示范中心單位、“十二五” 機電類專業國家級實驗教學示范中心合作單位；相關教學團隊為國家級教學團隊；工程訓練課程獲評中國大學精品資源共享課、國家級精品課程、浙江省一流本科線上線下課程、浙江省一流勞動教育課程，教學資源改革建設成果如圖4 所示。

圖4 教學資源改革建設成果

3 結語

工程訓練課程作為大學生工程實踐教育的重要載體，其教學內容和形式也必須根據科學技術的發展和社會對人才的需求及時更新調整。工程創客教育理念引導下的工程訓練課程改革，以培養本科生創新創業能力為主線，拓展技術涉獵面，注重前端設計能力培養，強化大系統理念，解決當前工程訓練教學過程中存在的八大突出問題，取得了良好的教學成果，為工程創客教育理念在高校工程訓練課程中的貫徹實踐提供了有益參考。