能力输出和过程控制的实践教学改革探索

李翠超， 张培艳， 凌 芳

(上海交通大学 学生创新中心， 上海 200240)

0 引 言

实践教学是高等工程教育的重要组成部分，是学生通往现场工程师的一座桥梁。工程训练是覆盖面最广的实践课程，通常包括制造实践、工程实践和其他创新课程，是培养学生实践动手能力、综合工程能力、创新能力不可缺少的一步[1-2]。随着第四次工业革命到来，针对工程训练中目前存在的问题，如何提高工程训练教学品质，在中国制造从低端向高端转型过程中，培养适配产业需求人才，已成为亟待解决的问题。

1 工程训练教学中的问题

目前的工程训练教学中存在的主要问题可从4个方面来分析：

(1) 教学方法多为验证性实践，缺少探索性项目。在传统金工实习过程中，大多仍是老师演示操作后，学生按步骤重复操作，掌握动手技能，这是一种模仿式的师傅带徒弟式的学习，缺乏主动性及探究性，所学仅停留在某项工艺操作上，应用能力不足。因此有必要改变以往的模式，通过启发式的问题导向，让学生主动学习思考，培养解决实际问题能力。

(2) 单一的终结性评价，缺少过程考核。一些项目主要以实习报告来确定成绩，缺少对训练过程的评价和督促，导致训练中学习较为松散，不够扎实；另外也缺少精细化管理，在团队作业中，部分学生依靠团队中其他能力强的人完成项目，而导致其自身缺乏锻炼，能力培养不均衡。所以需增加形成性考核，以学生个体“能解决问题”为标准[3-4]，来评价实践效果，同时明确分工制度和契约制度，让每个学生得到锻炼。

(3) 实践项目按工艺分割，缺少系统性课程。实践教学各环节分割，传统单个零件加工的训练模式与生产实际脱节，忽视了产品全生命周期的统筹管理和工程意识，这难以让学生建立以工程项目为核心的系统思维方式。而现在高速发展的船舶、高铁、航空航天、电子工业等高端制造领域，都是极为复杂的系统，需要对整个过程进行综合协调控制，因此需要构建更真实完整的工程环境[5]，综合各个环节，对学生进行系统化全周期的训练，培养系统工程思维[6]。

(4) 质量意识的培养重视不足。在教学中缺少质量意识的培养，停留在教会怎么做，未明确要做到什么程度，以及怎么控制过程，往往只是了解某项工艺操作，却并不能做得精细深透，作品质量普遍较差，多数只能称为半成品。毕业学生在工作中，只是粗略知道大概怎么做，却不能真正做出好产品来，特别是对高精密零件，成果差强人意。中国制造总是给人成本低质量差的印象，现在我国已经不是能不能造出来的问题，而是造得精不精的问题，制造业正在转型升级，质量是个大问题，因此，实践教学应培养质量意识。

2 以工程能力输出为导向的实践教学改革

针对工程训练教学中存在的问题，以工程测量教学模块为对象，改变以往教学方法，以实际工程能力输出为导向，紧密衔接工程实际，过程控制，强化质量，创新探索新的教学思路。

2.1 从工程需求出发明确教学目标

教学目标要改变以往模糊不清泛泛而谈的情况，应明确规定工程训练实践教学的产出效果[7-8]，突出学生实践后具备什么样的能力，并从实际工程的需求出发，所设定的教学目标应可考核，具有可操作性。具体来说，以机械类学生为例，对测量实践教学，以实践后学生应具有:① 机械制造的精度和质量意识；② 独立使用一般生产现场常用量具测量零件基础尺寸(长度、轴径、孔径、角度、锥度)及表面粗糙度的能力；③ 对轴、盘、套、箱体类零件质量进行综合检测的能力，即：能识读零件图，并按图样技术要求(尺寸公差和形位公差)，正确选择量具对实习件或项目制作所加工的零件进行测量，并判断零件是否合格；④ 交流沟通与团队协作技能，能在各种测量任务中与他人合作；⑤ 系统思维，能在复杂系统中综合考虑各因素，进行系统测量与分析；⑥ 不断了解新测量技术及进行技术革新的意识，在实践中追求创新的态度等6种能力。

2.2 根据目标合理安排教学内容及项目

为了达到较好的能力目标训练效果，教学内容及项目作了下列改进：① 测量项目紧密结合工程主流测量技术，具有实际工程项目检测性质；② 教学案例采用实际工程产品；③ 教学内容从系统思维角度，注重产品全生命周期的质量检测意识；④ 实践项目考虑不同学生的专业背景，分类实施；⑤ 考虑工程训练中各环节之间的联系，系统整合相关的内容。

2.3 以问题导引过程，采取多样化的教学方法

一个工程师的价值在于能不断解决工程遇到的问题，因此通过问题导引式教学可以提高学生适应社会的能力[9-11]。以实际问题解决为牵引，不以讲授理论和演示操作为主线，让学生发现问题、分析原因、找出解决措施、并进行实施验证。教师只是引导和服务，让学生成为面对问题的主体，主动学习所需，综合应用各类知识来解决问题，可以按小组进行，开展团队合作。当然问题的选择要适当，太难会挫折积极性，太简单起不到锻炼效果，按照“最近发展区”理论，在新旧知识的结合点上提出问题，激发学生的认识冲突，不断突破自我。

2.4 以学生能力具备评价教学效果

在教学评价上，改革以往只是交一份实习报告的单一形式，变为形成性考核和终结性评价相结合的形式。通过形成性考核，在教学过程中及时地对学生的能力发展做出评价，它包括每一单元教学对学生的口头提问、小组学习、专题讨论、小作业、教学实践活动等，营造一种全程紧张的教学氛围，及时发现学生的薄弱点，提前采取有针对性的措施来弥补，同时指导学生调整学习方法，开展强化训练。另外也能及时发现教师授课中的欠妥之处，及时调整教学大纲、进度或方法，以适应不同专业和类别的学生群体，进一步针对不同个性发展的学生分类教学[12]，适当倾斜，因材施教。

在终结性评价中，坚持成果评价，即对学生在学习每个项目后的练习结果进行评价，考评要求明确、直观、实用、可操作性强，邀请产业界专家参与评价，以学生“会做什么、做得如何”为标准，以项目完成和作品质量进行客观的打分评价。

3 教学改革实施过程

3.1 面向实际工程需求，进行真实工业环境下的测量

在教学实施上，应紧密结合工程实际，创造真实的工业环境，测量项目来源于企业生产的基础零件，测量工具和方法都是工厂中使用的，使学生站在工业生产背景角度来开展“情景式”实践。让学生掌握工业常用量具的使用，并进行尺寸公差、形位公差等的检测。

(1) 选择Z4006高速台钻主轴(见图1)作为测量对象。

图1 Z4006高速钻床主轴

(2)以问题导引开展测量，以两个无法装配的零件来确定测量方法，判断是哪一个零件的原因，确定改进措施。为判断零件是否合格，自己选择量具，甚至自行设计定位工装，确保测量精度。

3.2 过程精细管理，开展自评互评评教

注意增加教学过程中的观察，积极参与课堂者适当予以加分，分组训练中，由教师编号随机组队，避免学生熟人组团，部分学生依赖其他学生完成任务。

开展自评互评评教。学生自我评价，分工协作，组员互相评价督促，通过控制过程，督促学生点滴进步，避免学生平时懒散、交报告前抄袭的问题。同时开展评教，反向推动教学改革和质量提高。

3.3 综合应用各种测量手段，进行零件质量的综合检测

综合应用各种测量手段，对各种测量设备及测量技术的特点及测量范围有全面的展示[13-15]，既有横向的比较又有纵向的深入；建立具有丰富资源的测量教学平台，形成常规测量、精密测量、先进手段测量相结合的完整体系(见表1)，拓展高效率、高精度、数字化的现代精密测量设备，如三坐标测量、万能工具显微镜测量，实现多种复杂几何形状的测量。同时对测量件进行全生命周期的测量检定，从毛坯到各加工环节的过程测量、零件成品测量及最终装配后的系统检测。案例中Z4006主轴，非常适合进行零件的综合检测。该零件经过落料、车、热处理、铣、磨等工序得到成品，在各个加工阶段进行检测，包括各轴段的尺寸检测及形状和位置误差检测、表面质量检测。

表1 多手段结合的测量体系

3.4 增加系统思维和质量意识的教学

制造是一个系统工程，需要学生系统思维和质量意识[16]，针对生产过程的现场质量控制，可以用某个典型的检测质量问题，来导引学生开展测量方法的研究，通过一个测量的失败案例反过来，系统地分析整个工程各环节出现的问题。通过测量统计，可以确定制造工艺的稳定性，如果不稳定，则可反向查找出那个环节出了问题，进行持续改进。

鼓励学生把产品做得跟艺术品一样精美，多快好省可能会造成粗制滥造，物美价廉多半只能是个营销口号，低廉的成本通常不能维持产品长期的高质量，项目制作中，要求学生付出足够的时间和成本，精工细作，严格管控，保证持续获得优质产品，只要做到物有所值，必然会获得长久效益。

4 实施效果及分析

通过每个项目的完成情况以及过程考核来了解学生测量能力达到的水平，分析目标达成情况；通过学生评教、学生课程前后调研，了解学生的需求和学习效果，并将改革前后的教学情况进行研究和对比，总结实践经验。通过工程训练中心信息化教学平台网上评教数据统计分析，教学改革后2016～2017学年授课人数将近600位同学，其中近150人做了教学评价打分，平均97.3，教学效果良好。

4.1 按“最近发展区”理论进行有效教学

课前调研学生的已有基础，已具备的实践能力，以及掌握相关知识的程度，学习的期望和学习方法，通过课前的调研，发现不同专业学生有明显的差异，根据其已有基础，因材施教，按 “最近发展区”理论进行周边知识刺激学习。

总体来说，对于医学等非工科专业，由于缺少基本的工程知识，在教学时不能直接进行过深的教学，需要先铺垫一些基本的知识点，扩展其知识面，不能直接进行过于专业复杂的项目。但针对船建等工科专业，已经接触过不少基本测量工具，不需要浪费时间介绍基本内容，从专业深度进行学习，拓展一些专业化测量工具，进行探索挑战性学习。

4.2 真实零件测量让教学更有意义和挑战性

本课程原来有基本件测量，本次选择了台钻Z4006主轴，在教学过程中调研学生对教学项目和内容的意见，调研结果如下。

在测量项目的调研中，医学学生75%希望选用典型简单件测量，而船建学院则更多的约35%～38%的学生希望能够进行单独复杂件的测量，更具挑战性，以便提高自己的能力水平。对于测量件选择上(见图2)，多数学生选择真实部件作为测量对象。由于缺乏技能储备，医学院25%学生希望从标准教具开始，学习好后，再进行高阶学习。而船建的学生62%以上学生希望采用真实工厂件，19%～35%的学生希望采用自制件学习，通过自制自测量，综合工程能力得到有效锻炼，鼓励学生按自己兴趣设计作品，并进行质量判断。

(a) 船建1班

(b) 船建2班

(c) 医学班

图2 测量件来源比较

对于企业角色体验(见图3)，让学生提前了解企业角色分配，70%以上学生认为应当以质检员的角色开展测量，其次是设计员，然后是工艺员。通过站在工业生产背景角度开展测量训练，建立起以工程项目为核心的系统思维方式，能够对产品全周期全系统进行综合检测控制，在面对复杂系统问题时，能将各方要素综合考虑，使学生更能适应以后进入工作岗位遇到的实际工程问题。

图3 企业测量角色

对于制造质量不佳的原因，调研结果显示部分学生仍对质量重视不足，理解不够准确。基本上判断加工质量、设计不合理、测量监控不足是质量问题的主要原因，而设备条件差不是主因，经过这些年的发展，目前的设备水平已经比较领先，只要培养学生的质量意识，精湛设计，精细制造，有效保障产品的质量，就能逐步走出低成本、低质量、低效益的制造怪圈。

4.3 自评、互评、评教三角循环，动态推进学习效果

(1) 自评学习所得。自我总结是否学到相关知识，从调研的结果看，多数学生的测量能力得到了提高，质量意识得到了加强，但一部分学生在判断产品是否合格上没有把握，不能直接判断工业产品合格与否，还需要更多的现场实践。

(2) 互评项目表现。组员进行互相评价(见表2)，组员间督促通过网上课堂、预习，避免课前无准备、课上听天书、作业靠抄袭、结课全忘记的不良情况发生。促进学生在整个项目过程中积极表现。为避免打分流于形式，要求学生打分时必须根据实情有所差别，完全一摸一样的分数则视为无效。

表2 测量项目小组成员参与度及工作质量评估表

(3) 评教提出建议。课后组织学生对课程进行评价，反向推动教学改革，对课程的建议，对于本课程没涉及的项目，希望增加相应项目的学习，包括增加激光测量、旋转机械振动测量、水准测量、万能工具显微镜、螺纹测量等。

5 结 语

在测量为例的教学尝试中，以能力输出为导向，模拟真实企业环境，开展探索性学习，使得实践教学具备磁性和实际价值。通过增加过程性考核，激励学生积极性，形成一个全员参与、全程紧张的教学氛围，最终改善学习效果，使得学生实践能力水平得到明显提高。为使实践教学改革行稳致远,还有以下一些建议：

(1) 以工业品为牵引，重视系统综合性。采用复杂综合的工业品为教具，用一个工业项目牵引整个教学过程，让教学具备系统性和一贯性，学生充分了解产品背景、工艺过程，熟悉企业角色定位情况，为就业做准备。

(2) 减少按部就班，问题试错强化记忆。除了教会必要安全规程，不按部就班讲授操作步骤，而是告诉学生一个目的，让学生自学基本步骤，自行探索工具的使用，组织资源完成任务，课堂中，对学生操作的部分关键环节进行监控指导，学生犯错再去纠正，错误更能加深他们对正确流程的理解和掌握。

(3) 精工细作保质量，鼓励学生做工匠。“工于末有高求，求精与极，求美与华”。在实习中，光搭建出作品并不足够，应要求学生重视细节，精雕细琢，提高作品质量，鼓励在专业领域中一以贯之地专注，一丝不苟地标准，追求设计精巧，技艺精熟，产品精美，潜移默化地培养工匠精神。