工程实训教学的探索与实践——工程科学前沿与实践课程设计与实施

叶回春，倪向贵，朱雨建

（中国科学技术大学a.工程科学实验教学中心；b.精密机械与精密仪器系，合肥230026）

0 引 言

在国际竞争日益激烈的知识经济时代，创新能力已经取代自然资源成为主导国家核心竞争力的决定性因素［1-3］。高等教育作为培养学生创新能力的主要阵地，肩负着科技兴国和人才强国的重任［4-5］。而实践教学作为高等院校教学不可或缺的重要组成部分，它在培养学生综合素质和创新能力方面所起的重要作用是其他任何教学形式都无法替代的［6-8］。

把更多的时间留给学生实践，从实践中加深对课程的理解，把实践教育作为理论知识传授的落脚点，是现今越来越多高校的共识，也是很多高校课程体系改革发展的趋势［9-11］。然而纯粹的工程实践课多数是让学生机械化地重复教师设计安排的固定实践任务，很容易造成学生学习兴趣低，学习劲头不足等问题，最终导致了学生创新思维培养受限、学生不会主动学习［12］。而且单一的培养模式与目前社会多样化的人才需求背道而驰［13-15］。此种形式下的实践教学，学生上课比较迷茫，没有方向感，不了解实践训练的意义，课程氛围沉闷，无法有效调动学生上课积极性，不利于学生创造能力的培养。

鉴于上述情况，重新规划设计工程实训课程体系内容与上课形式，建立多层次化的实践课程体系，在课程内容中增加学生自主创新设计的项目，同时在实践过程中穿插前沿讲座，并增加综合实践训练项目，以充分保障工程实践教育在培训学生动手能力、创新思维的作用，全面提升学生的综合素养，最终达到拔尖创新型人才培养的目的。此举措已在我校工程科学学院实施，并取得了良好效果。

1 课程背景与教学目标设计

工程科学前沿与实践定位为面向低年级本科生的工程科学（以力学、热学、能源、机械、测控、安全等学科为主）通识教育课程，是为满足现代先进制造技术发展与新时代学生培养需求而设立的课程，由原金工实习课程优化改革而成。课程分为理论部分与实践部分，理论授课部分围绕工程科学学院学科相关的若干前沿工程问题系统展开；实践部分将重点让学生接触现代加工制造及与工程问题相关的创新实践。目的是让学生在大一阶段能全面、直观地了解工程学科的前沿学科知识、应用前景，充分展示工程学科的魅力，尤其是通过实践课程让学生对现代工程技术有切身体会，激发学生学习兴趣，培养学生实践综合能力与创新能力。

2 课程内容体系

鉴于上述需求及考虑，课程体系内容按层次调整为3 部分。①前沿讲座。前沿讲座部分在课程穿插进行，每学期邀请4 ～5 位相关领域著名专家学者，亲临现场给学生做工程科学领域的专题讲座、专家报告，介绍工程科学各领域的科技前沿，以及学科知识在具体工程问题中的应用。从而解决学生实践教育中为什么学，学了有什么用的困惑，达到增强学生学习主动性的目的；②工程科学实践。工程科学实践部分除了传统的车铣刨磨、表面电化学、焊接外，增加三坐标测量、六自由度测量、反求测量等先进精密测量技术，并精心为学生设计了需自主设计模型、自主加工的环节，如3D打印技术、激光内雕、数控线切割、数控铣削等，学生通过已学习理论知识，充分发挥自己想象力，在给定尺寸的毛坯内设计作品，并操作设备仪器自行加工，达到提升学生创新思维能力的目的；③ 综合创新实践。学生在掌握了一定的实践技能及工程素养后，根据学院各专业性质，设置了工业机器人、智能机器人、小型飞行器及新能源等4 个实践项目，学生根据兴趣自由组队选择其中1 个，每组推荐组长，教师设定大致方向与考核要求，学生根据所学实践技能、编程语言、工程力学、机械制图等知识，分工协作进行作品设计并实现制作。此举不但能起到对前面学习效果的检验，更为重要的是在此过程中培养了学生的综合创新能力、项目组织能力及团队协作意识。课程体系具体内容及层级关系见图1。

图1 工程科学前沿与实践课程体系内容及层级关系

3 教学团队建设

教学队伍是课程实施的主体，教师素质的高低直接决定了课程效果。而促进教师队伍发展、提升教师教学水平、提高人才培养质量与办学水平，最有效的办法就是进行教学团队建设。目前很多高校的工程实践中心普遍存在着师资力量不足、师资构成不合理的窘境，为解决这个问题，大胆提出了在现有师资基础上，充分挖掘内部师资力量组建教学团队的办法。学校工程实践中心率先实施，组建了一支以中心在编老师为主导，以聘任退休返聘教师、教学科研岗兼职教师及助教等为辅的教学团队。充分利用退休老教师丰富的教学经验，教学科研岗教师贴合前沿知识、理论知识更深入，再辅以与学生年龄相仿的优秀助教，充分保障了课程教学的正常开展与教学效果，同时对中心的发展起到了很好的促进作用，教学团队构成及功能见图2。

图2 教学团队建设及功能

4 教学设备与环境

先进的教学设备及良好的教学环境是实践教学开展的基础条件。为跟上当前日益更新的先进科学技术，同时匹配课程体系内容，有目的有规划地进行设备购置与研制是开展实践教学的必备条件及源动力。以我校工程实践中心为例，除配备传统的车铣钻磨焊等基本设备之外，还采购了美国Dimension FDM（熔融沉积）型3D打印机、3D System SLA（立体光固化）3D打印机、SLS（激光烧结）3D 打印机、先临激光内雕机、MAZAK 数控车床、DMU 五轴加工中心、ABB 工业机器人、苏州三光中走丝、慢走丝、三坐标测量机、六自由度测量仪、三维扫描仪等先进设备，设备总览图见图3，为了使学生能够更深广度地接受前沿学科知识，中心更是斥巨资购置了五轴单点金刚石超精密加工设备Freeform L，见图4。实践中心所购设备均放置于空调房内，并制定了完善的安全管理规定，充分保障学生的安全与上课环境。

图3 工程实践中心设备总览图

图4 单点金刚石超精密加工设备Freeform L

5 课程实施办法

实践课属于必修课程，没有足够的教师、场地及设备，对于课程的安排实施是非常困难的。大班教学、多人同时使用一台设备，显然这种授课方式的效果不理想，学生上课的兴趣会降低。因此，在条件允许下仍旧以小班、个性化的教学方式更受学生欢迎。具体形式为以小组方式上课，教师根据学生技能熟悉阶段及知识掌握程度适当调整教学进程与时间，此种方式能给予学生更多创新的实践机会巩固所学知识与实践手段。

我校工程科学前沿与实践课程在实施中，理论部分前沿讲座作为导向及工程实践的应用着力点，采用大班教学。每年邀请4 ～5 位国内外在工程领域知名专家学者给学生做前沿报告，每次约3 学时，介绍工程科学的发展概况、学科前沿、具体工程应用等。让学生在实践中切身体会工程科学的实用技术背景，激发学生对工程科学的兴趣；工程科学实践小组教学，每组6～8 人，每学期安排12 个左右的项目实践，培养学生的创新思维能力及动手实践能力；综合科学实践安排在整个课程中最后部分，学生可以根据自己的兴趣选择相应的综合实践项目，分工协作共同完成一个较为完整作品的设计、加工、组装过程，提高学生的综合能力，同时也能对后面专业课的学习起到引领作用。

6 结 语

创新性地提出在工程实践课程中增加前沿讲座与综合实践，很好地解决了学生为什么学、如何学、学有何效果的问题，激发了学生学习的兴趣。通过合理组织课程内容，将创新实践项目与传统实践项目结合，有利于学生实践动手能力与创新思维能力的培养。组建合理有效的教师团队，保障实践课程顺利实施。这些课程改革思路已经在我校工程科学学院工程科学前沿与实践课程中开展了一学期，学生反馈效果良好。在今后的教学活动中，将不断提高团队的教学水平，进一步提升工程实践课程的教学质量。