现代工程训练与创新能力渐进式培养

宋凤莲， 盛宗建

(武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)



·实习与实训·

现代工程训练与创新能力渐进式培养

宋凤莲， 盛宗建

(武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)

以实现完整的育人功能为目标，以综合性及创新性为特征的现代工程训练，设置阶梯型多学科交叉融合的训练项目，遨游思维殿堂，使学生的创新能力得到渐进式提升。论文以“光机电一体化技术实训”课程为例推行多学科交叉融合的工程训练。对认知型训练，运用发散性思维+极限思维训练方法；对综合创新型训练，采用项目式的科学素养训练；对科技创新型训练，引入“大成智慧”教育思想，注重工程综合性与系统性，促进科学技术与艺术的结合。培养了具有社会责任的创新人才，可为其他高校的工程训练教学改革提供有益借鉴和参考。

现代工程训练; 学科交叉融合; 渐进式创新; 大成智慧

0 引 言

工程训练是近10年在我国迅速发展起来的独特的工程教育方式[1]，在高等院校质量工程的推动下，由单一技能训练即早期的金工实习演变成内涵丰富、内容综合、集知识、素质、能力融于一体的工程训练。因各校人才培养目标不同，工程训练模式及内容有较大差异，但其核心训练思想是一致的，工程训练旨在培养学生实践创新能力。随着国家对学生实践创新能力培养的高度重视及工程教育质量提高，逐渐显露出一些深层次的问题，具体表现为以下几个方面。

1 工程训练存在的问题

(1) 训练内容与工程实际脱节。工程训练指导教师长期脱离生产实际，难以发现工程实际问题，对学生疏于引导，或有引导难以向纵深方向，使得学生提不出问题，满足于照葫芦画瓢的技能训练。

(2) 学科交叉融合训练推行困难。由于认识上的误区及教育思想的束缚，实训模式单一，实训案例单一，忽略软环境开发，实训深度和广度十年如一日，停留在机械制造领域居多。

(3) 科学素养及人文精神训练被忽略。学生评价机制不够健全，忽略创新特点，对学生做简单统一的要求，个性化自由追求的环境缺失，学生独立思考、批判性思维及创新激情被抑制，团队协作、语言表达等综合素养训练缺失[2-4]。

2 “光机电一体化技术实训”教学改革

设置阶梯型多学科融合的课程实现渐进式创新，以面向全校开设的“光机电一体化技术实训”课程为例，见表1。

表1 “光机电一体化技术实训”课程改革教学方案

3 发散性思维+极限思维开展认知型工程训练

(1) 提出问题—运用发散性思维，学生自由思考讨论，教师不急于评判，充分营造百家争鸣的学术氛围。

(2) 分析问题—采用极限思维，由已知的感性知识，将问题和条件进行理想化假设，当假设被一步步推到极端时，问题便水落石出。学生的求知欲望被点燃，呈现出老师提问向学生踊跃提问反转的热烈气氛。

例如物流运输及自动装配系统，涉及知识点众多，而学生又无相关背景理论知识，且学时有限，如何在最短时间内让学生掌握相关元件、机构功能原理及各要素间的控制关系，笔者做了一些尝试。

(3) 过去：采用直接演示讲解，学生操作后完成实习报告。效果：课程结束后学生一片迷茫目光呆滞，提不起兴趣。

(4) 现在：指导教师演示时抛出若干问题让学生以小组为单位自主探索，一边查看相关资料一边展开自由思考讨论：

①气缸两端设置的电磁传感器检测什么信号？为什么要检测？

②每个单元设置两位三通控制阀在每个状态下通气口的导通关系？各控制阀作用？

③结合各单元运动现象，说说控制器的工作原理。

学生对以上问题有形形色色的回答，指导教师不过早评判，希望听到更多的声音，当达到一定的数量时，运用极限思维训练。

例如气缸两端设置的电磁传感器，不少学生说是检测气缸内压力的，分析时假设是检测气缸内压力的，然后让学生关闭阀门将缸内压缩空气卸掉(缸内处常压状态)，拨动活塞杆观察传感器的指示灯变化，发现传感器的信号输出与气缸内压力没有关系，与活塞杆的运动状态密切相关，由于传感器是装在缸套上，只能与活塞杆相连的缸套里的物体即活塞位置有关。此时假定条件已被推倒极致，答案就出来了，事实真相就还原了。

例如两位三通的通气口的关闭状态导通关系分析，先假设学生的猜想：在关闭时进气口与消音器相连，在此条件下会是什么结果呢？空压机一边工作一边排气，节能吗？合理吗？关闭时气缸里压缩空气要排掉，消音器必然打开，由于只有三个通气口，别无选择，排除进气口的另一个通气口与消音器势必形成一个通道。此时假定条件又被推倒极致，答案出来了，事实真相就还原了，问题便迎刃而解。

(5) 效果：采用发散性思维+极限思维训练学生分析问题能力，课堂上气氛异常热烈，问题开始反转，由学生被动接受老师提问变为学生主动提问，课堂下意犹未尽，点燃了学生对知识进一步探索的激情。气缸两端的传感器为什么能检测活塞位置？机电一体化技术各要素之间信号如何传递？学生探索激情被点燃，创新意识被唤醒，实现了下一步多学科融合的项目式训练的无缝对接[5-8]。

4 创设阶梯型项目个性化训练，学做研一体化

4.1 编写教材

编写的阶梯型项目式训练教材《光机电一体化技术实训》，普通高等教育“十二五”规划教材，中国电力出版社出版。亚马逊网上书店(http://www.amazon.cn)客户评分“5星”。客户这样评价道：“这本书很好，把我们的思维从死板中拉出来啦”！

教材教材操作性强及拓展性广，有利于学生个性化学习。学生课前自主学习，课上实践与探究，课下与机电材料市场、网络媒体深度参透。教师在课堂上以答疑解惑为主，讲授原理概念为辅[9]。

开设了校公选课“光机电一体化技术实训”，设置不同梯度机器人项目，可根据学生专业结构不同及个性化需求不一，自主选择，实行课内与课外结合，校内与校外结合的开放教学模式[10-12]。学生一般通过教材课前预习及自主学习，可完成基础项目，对于综合性及探究型项目，学生可根据自身兴趣及未来职业发展规划进行选做，教师在课堂上不需费大量时间讲解，主要集中时间对学生答疑解惑。学生不局限于教材中制订的设计方案，可自主设计方案、拓展功能，并且教材中对功能拓展有知识引导，利于学生自主研究探求。同时学生可多渠道采购元器件，如校外电子市场、淘宝网等，在市场及网络中丰富知识，学生的知识结构及知识综合运用能力在项目训练中潜移默化地提升。阶梯型训练项目如图1所示：

图1 阶梯型项目个性化训练项目

在项目训练中常有学生思考问题不够全面，思维欠慎密，教师进行引导，对问题逐层提出，培养学生精益求精。例如避障机器人：①如果机器人进入了死胡同，即三面同时有障碍物，采取什么策略让机器人能顺利逃出？②机器人探测到了障碍物，出现避让动作响应缓慢现象是什么原因？在硬件和软件上如何优化使得机器人快速响应？

通过以上问题的探究，引导学生多角度全方位考虑问题，对待问题一丝不苟。学生不仅综合运用并系统巩固和提高了单片机及C语言编程方面知识，而且提高了分析问题解决问题能力。

4.2 建立科学的学生评价体系

全程考核，拔尖创新人才脱颖而出。学生通过机器人组装、编程、调试分析、PPT讲解、视频制作等综合训练，无论是广度还是深度都得到了全方位的锻炼，学生的分析解决问题能力、逻辑推理能力、交流沟通能力、组织能力得到全面提升。学生的评分因素为：分析解决问题能力30%+实物演示效果30%+ 语言表达能力20%+团队协作精神20%，为拔尖创新人才的脱颖而出创造。

4.3 教学效果

2009级国际软件专业学生夏平在课程交流中说“这门课给了我自由探索的天地，我的成就感是前所未有的”。做机器人循迹(黑胶带)时发现按常规的编程策略机器人运行时探测器指示灯常有误动作。他用了全新的编程思想，给每个探测器(共5个)指示灯设置一个权值(从左至右依次为100,10,0-10，-100)，程序中设一个变量SUM(初始为零),如探测到黑胶带就将相应的权值加到变量SUM中，然后依据SUM值做出行走方向判断。结果运行精准.

2010级测控技术与仪器专业程文强写道：在这个课上你真的可以按自己的想法去做自己想做的事，这里没有那么多的条条框框，你不必顾虑那么多，不必跟着老师的步子一步一步完成老师给定的实验。光机电一体化技术实训让我真正找到了实验课的感觉，找到了真正打开我们思维的一门课程。

2011级自动化专业学生写道：上这门课真是一件值得兴奋的事，对机器人产生了浓厚兴趣，激起了对本专业的热爱。与其说这一门课教会了我们一些知识，倒不如说教会了我们学习知识的方法、自己解决问题的能力。

2012级法学专业学生写道：同理科同学合作做机器人，感受到了合作的快乐。我们让机器人前进、拐弯、碰上障碍物会掉头……以前在电视上看到的那些机器人展示虽然复杂,可细细分析起来原理也就是这些.作为一个学法学的学生,了解光机电一体化技术很有必要,而这门课不仅打破了我在理科知识方面的空白,更是给我打开了一扇门,让我有兴趣进行更深的了解; 这门课带给我的不仅是知识和兴趣,更是给我将来的发展带来了指导。

5 践行“大成智慧“教育思想

多学科协同创新，理、工、人文、艺术各学科深度融合，注重工程的综合性与系统性、促进科学技术与艺术的结合，培养人文情怀及科学精神，培养社会责任感。

大成智慧”教育思想由钱学森院士提出，其显著特点是学科交叉和大跨度综合的现代科学技术体系相匹配，注重科学技术与艺术相结合，以此来教育培养学生具有大德、大智的思想。在各类学科竞赛中践行“大成智慧“教育思想，创新成果突出。

5.1 培养学生人文情怀

为展现机械学科魅力，激发新生认识 、热爱、献身“机械”。

科技创新作品“机械发展vista”——第六届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组(2014)一等奖。针对当前机械类学生对专业迷茫、转专业日益突出的现象，创作了尤如微型博物馆、寓教于乐的作品“机械发展vista”。该作品在2014年新生入学专业教育中达到了良好的专业教育效果。

5.2 注重工程的综合系统训练

推动创新训练的“工程化”。以科技创新大赛为契机，实现服务社会的“工程化”[13]。面向电力行业的节能减排，培养学生社会责任感。科技创新作品“火电厂输煤机械系统仿真模型”——第六届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组(2014)一等奖。大气污染的防治是一项系统工程，是社会高度关注的热点问题，火电厂燃煤被认为是PM2.5的罪魁祸首。而输煤机械系统又是火电厂粉尘污染的重灾区。“火电厂输煤机械系统仿真模型”展现了卸煤、运煤、筛碎煤、贮煤等环节煤尘产生的机理，激发学生研究煤尘防治的兴趣及肩负的社会责任。科技创新作品“火电厂去尘除气智能小车”——第四届全国大学生节能减排大赛(2011)二等奖。“去尘除气智能小车”涉及知识点多，如燃煤电厂运行、流体动力学、机械、材料、自动控制等，其主要功能是干式收集燃煤电厂的粉尘，去除SO2等废气，并能实现按预定规划路线除尘，同时避障。它改变了燃煤电厂现有高能耗重污染的水力除尘方式。

5.3 注重科学技术与艺术相结合

将机器人技术与民间艺术深度融合，科技创新作品“湖北大鼓表演机器人”——第五届全国大学生机械创新设计大赛(2012)二等奖。“湖北大鼓表演机器人”的创造成功，将光机电一体化技术应用得淋漓尽致，作品不仅涉及机械、微电子、控制、材料工程等学科知识，而且将机器人技术与面临失传的湖北大鼓民间艺术有机融合，使机电产品不再是冰冷的东西，生动展现了古老的湖北人文环境。创新团队领军人物是机械专业且有艺术特长的学生，其他成员是机械工程、电子信息、自动控制专业学生。该作品在2014和2012年的全国机械创新设计大赛中好评如潮。

6 结 语

尊重个性是培养创新人才的基础，实现培养创新人才的目标，创新人才培养模式、改革教学方法及内容和营造良好创新氛围十分重要。通过光机电一体化技术实训教学中的大胆探索与实践，由问题式的认知型训练、设疑布障，再通过交叉学科的项目式个性化训练、学做研一体化达到科学素养的培养，加强工程系统性与综合性、促进科学技术与艺术的结合，渐进式提升了学生创新能力。在后期教学改革活动中，如何为学生个性化培养、自主学习创造条件，为培养具有社会责任的创新人才提供肥沃土壤，将多维度谋求新突破。

[1] 孙康宁，傅水根，梁延德，等.浅谈工程实践教育中的问题、对策及通识教育属性[J].中国大学教学,2011(9):17-20.

[2] 朱高峰.中国工程教育的现状和展望[J].高等工程教育研究，2011(6)：1-4.

[3] 童幸生，傅水根，孙康宁，等.全国普通高等学校工程训练中心现状调查报告[J].高等学校理工科教学指导委员会通讯，2008(6)：12-14.

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[6] 闻星火，武晓峰，杨树国.创新机制建设公共科研条件平台[J].实验技术与管理，2015，32(10)：1-4.

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Modern Engineering Training and Innovation Ability Gradual Training of College Students

SONGFeng-lian，SHENGZong-jian

(Power and Mechanical College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to achieve the goal of the full function of educating people, the modern engineering training has the characteristics of comprehension and innovation. We set the ladder type interdisciplinary integration of modern engineering training, and note to promote gradual innovation ability of students. This paper takes course of “Light Mechanical and Electrical Integration Technology Training” as an example to use divergent thinking + limit thinking training method to train the cognitive innovation of students; to adopt scientific research project to train their comprehensive innovation; to introduce education thought of “great wisdom” to train the scientific and technological innovation. These methods promote the value of engineering system, students can understand the integration of science and technology and art. This paper can provide a useful reference for other universities in teaching reform of engineering training and the cultivation of innovative talents with social responsibility.

modern engineering training ;interdisciplinary fusion; gradual innovation; great wisdom incremental innovation

2015-10-22

2012年湖北省教育厅实验教学改革项目 (JG201223)

宋凤莲(1966-)，女，湖北新洲人，硕士，教授级高级实验师，主要研究方向：光机电一体化技术。

Tel.:13607192621；E-mail：FLS755@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0227-04