植入复杂工程问题的工程训练实践课程体系探索

郑红伟, 王 伟, 王明川, 师占群,, 戴士杰, 张艳蕊

(1. 河北工业大学 实验实训中心, 天津 300401; 2. 河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130)

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度[1-2],是提升工程人才素质的有效途径[3]。《工程教育专业认证标准》12条毕业要求中有8条涉及复杂工程问题[4]。获得解决复杂工程问题能力对学生达成毕业要求、促进就业具有重要支撑作用。因此,培养学生解决复杂工程问题能力[5-7]逐渐成为各高校工科类专业的核心任务。

工程训练作为一门集知识、素质、能力、创新于一体的实践课程,是高校对本科生实施工程教育、培养其工程素质和工程意识的有力抓手[8]。然而,在目前的工程训练实践课程体系中,通常只是对学生单一知识点、单一技能的训练,不能支持充分交叉与融合[9],虽然也涉及复杂工程问题,但仍面临训练门类少、专业覆盖率低、学生受益面窄等现状。如何构建植入复杂工程问题、培养学生多学科交叉融合能力的工程训练实践课程体系,是目前工程训练学科需要重点解决的问题。

鉴于此,围绕复杂工程问题的7个特征,基于成果导向工程教育[10-12]理念,对工程训练课程进行了研究与探索,构建了植入复杂工程问题的工程训练实践课程体系,并探索了课程体系的运行模式。

1 课程体系建设构想

1.1 复杂工程问题的7个特征属性

《工程教育专业认证标准》中指出,复杂工程问题必须首先具备“运用深入的工程原理,经过分析才可能得到解决”这一特征,同时应具备其他6个特征的部分或全部。这就要求学生在多学科交叉背景下,运用深入的工程原理解决工程实际问题,完成“理论指导下的实践”。复杂工程问题的7个特征属性如图1所示。

图1 复杂工程问题的7个特征属性

1.2 建设构想

成果导向理念是工程教育专业认证的重要指导思想,以具有工程背景的项目为工程训练实践教学的载体,参照复杂工程问题的7个特征属性,将涉及工程实际、教师科研、学生竞赛等方面的工程项目进行整合、设计,转换成多学科交叉融合的复杂工程问题,构建“模块化-项目式”的工程训练实践课程体系,并建成植入复杂工程问题的工程训练实践项目库。以课程、项目、课外实践等模式,让学生参与复杂工程问题实践训练,培养学生发现、分析、解决复杂工程问题的能力。

2 课程体系构建

2.1 基于成果导向工程教育理念的课程体系设计

基于成果导向工程教育理念,将复杂工程问题转化为工程训练实践教学载体,构建了植入复杂工程问题的工程训练实践课程体系,创建了传统机械设计与制作训练、电气控制与电工电子训练、新技术新方法创新训练、机械与电气结合训练4大模块,并设计了各模块下设的训练项目(见图2)。

图2 植入复杂工程问题的工程训练课程体系图

(1) 模块1:传统机械设计与制作训练。围绕从机械产品设计到产品运行的全过程,在现有传统机械加工工程训练模块基础上,增加机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定等训练内容,形成涵盖设计、加工、工艺、装配等四位一体的机械加工复杂工程问题训练载体。设计了鸭嘴榔头创新设计与制作(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、车削加工、铣削加工、热处理、钳工等)、颗粒输送装置设计与制作(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、车削加工、铣削加工、钳工、焊接、线切割等)、平口虎钳设计与制作(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、车削加工、铣削加工、钳工等)、基于机械加工的工艺品设计与制作(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、焊接、钳工装配等)等训练项目。

(2) 模块2:电气控制与电工电子训练。以电气控制与电工电子工程实践的工程实际应用为目标,将各知识点综合统一、有机联系,搭建涵盖检测、调试、控制、设计、制作等内容的电气控制与电工电子复杂工程问题训练载体。设计了基于PLC控制的交通灯系统设计与实现(元器件认知、功能分析、控制流程编写、系统设计与搭建、程序编写、系统调试等)、基于PLC控制的电梯系统设计与实现(元器件认知、功能分析、控制流程编写、系统设计与搭建、程序编写、系统调试等)、简易万用表的设计与制作(元器件认知、功能分析、系统设计、加工制作、功能调试等)、小型变压器的设计与制作(元器件认知、功能分析、系统设计、加工制作、功能调试等)等训练项目。

(3) 模块3:新技术新方法创新训练。与工业主流技术相衔接,将新技术新方法融入工程训练课程体系,有助于缩短校企之间的距离,促进毕业生就业。围绕3D打印技术、激光加工技术等主流技术,对已开设的部分训练项目进行整合与再设计,形成新技术新方法复杂工程问题训练载体。设计了艺术小台灯创新设计与制作(三维建模、3D打印、二维建模、激光加工、电子技术等)、复杂零部件逆向求解与3D打印(三维扫描、数据处理、三维建模、3D打印等)、基于激光加工的无碳小车设计与制作(机械设计、二维建模、激光加工、钳工装配等)等训练项目。

(4) 模块4:机械与电气结合训练。机电一体化技术将机械、电工、电子、传感器、信号等多种技术集于一体,已成为生产过程中的重要技术。依托中心骨干教师科研项目平台,以机电一体化技术为主线,将实际的机电工程项目转化为机电结合复杂工程问题训练载体。设计了零件自动测量系统的设计与实现(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、机械加工、钳工装配、PLC控制系统设计、传感测量技术、测量数据处理、人机交互系统设计等)、电控智能小车的设计与制作(机械设计、机械制图、机械加工工艺方案制定、机械加工、钳工装配、控制系统设计、信号识别与处理、人机交互系统设计等)、小型机器人系统的设计与实现(机械设计、模型搭建、路径规划、程序编写等)等训练项目。

2.2 训练项目的教学设计:以艺术小台灯创新设计与制作为例

围绕复杂工程问题的特征属性,以工程教育专业认证标准中的毕业要求为指导,进行了训练项目的教学设计,以艺术小台灯创新设计与制作项目为例,其教学设计如图3所示。

图3 艺术小台灯创新设计与制作项目教学设计

由图3可知,艺术小台灯创新设计与制作项目在综合3D打印技术、激光加工技术、电子技术基础上,设计了涵盖基本知识认知、软件使用、设备操作、创新实践等多个方面的教学内容。通过分析《工程教育专业认证标准》及复杂工程问题属性特征,设置了市场调研及文献研究、问题研究及技术知识学习、学生分组研究讨论、方案构思与设计、产品加工/制造、撰写文档及PPT、答辩等教学环节,并给出了各个教学环节与《工程教育专业认证标准》中的毕业要求及复杂工程问题属性特征之间的对应关系。

良好教学效果的取得与合适的教学方法运用密不可分,指导教师团队通过将“基于问题学习”和“任务引领”两者结合,形成了以解决问题、完成任务为主导的工程训练实践教学方法。该方法的实施步骤及师生主要活动如表1所示。

表1 “基于问题学习+任务引领”的教学方法实施步骤与师生活动

2.3 课程体系的运行模式

依据学校各专业培养方案中对工程训练环节的要求以及大多数学生对工程实践的需求,植入复杂工程问题的工程训练课程体系主要有以下3种运行模式:

(1) 工程训练必修模式。在工程训练课程已有的N个训练模块基础上,将植入复杂工程问题的部分训练项目作为综合训练内容,设置I个综合模块,形成“N+I”的工程训练课程新体系。参加工程训练的全部专业,可自主从N个训练模块中选择n个模块,从I个综合训练模块中选择i个模块,形成n+i=k的训练项目组合。但不管如何组合,要求k必须满足本科生院下达的教学任务中规定的训练周数。学生以班级为单位,在各模块配备的1名教师指导下,通过小组合作的方式完成训练任务。工程训练结束后,指导教师从实训表现、实习报告、理论考试等方面综合评定学生成绩。

(2) 自主创新开放选修模式。将植入复杂工程问题的训练项目转换为16/32学时的选修课程,学生根据自己的兴趣选择课程,并组成项目团队。在指导教师团队的组织和带领下,学生在8周时间内通过分散学习的方式,完成项目内容。为保障实践效果,指导教师在每周固定时间为学生提供1次统一指导。课程结束时,学生需要提交作品实物、设计说明书,并通过现场答辩考核。考核合格者可获得1个或2个创新学分。

(3) 匠心训练班模式。基于全国大学生工程训练综合能力竞赛等竞赛项目,中心向全校本科生发出竞赛报名通知,学生自愿报名,经过初步筛选之后组成匠心训练班。以竞赛命题要求为主线,涵盖与竞赛相关的所有内容,学员以3人为一个团队,经过1个学期的学习和实践,在竞赛指导组的组织和带领下,完成竞赛项目,提交作品实物、设计方案、研究报告等,并通过校内赛/省赛/国赛获得能力提升。

3 实践应用效果

作为工程训练课程改革的重要实践,植入复杂工程问题的工程训练课程体系已在我校工程训练中心实施。200余名学生按照工程训练必修课程的运行模式参加了改革后的工程训练,通过小组合作的方式圆满完成了所选的训练项目,部分优秀学生作品如图4所示。

4 结语

经过一个学年的实践,改革后的工程训练实践课程体系,有效提高了学生解决复杂工程问题的能力,提升了学生参加工程实践的积极性,很多学生表示,植入复杂工程问题的训练项目将对其今后的工作起到重要作用。实践证明,改革举措和方法可行,效果良好,可为其他普通高校的工程训练改革提供参考和借鉴。

图4 部分优秀学生作品选