新工科背景下提升学生创新实践能力的探究

高 波， 霍 凯， 陈 羽， 陈亚琼， 陈宇飞， 张少康

（北京交通大学机械工程国家级实验教学示范中心，北京 100044）

0 引 言

为深入贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，积极应对新一轮科技和产业革命，教育部积极推进“新工科”建设［1］，引领国内高校分层面分阶段探索中国特色工程教育的发展模式。在“新工科”理念指引下，高等工程教育通过重构人才知识体系、强化实践创新能力培养、改革创新评价体系等途径，积极探索新时代工程教育强国建设新体系。

高校实验中心作为人才培养的创新实践平台，尤其在高素质人才的综合培养中起到举足轻重的作用［2］。但是，目前各高校实验教学培养的学生创新实践能力和分析解决实际问题的能力还有待进一步提高，部分毕业生未得到用人单位的普遍认可。为此，有必要开展新工科背景下高校实验中心提升学生创新实践能力方法的研究，以适应新工科背景下对工程专业学生的要求。

1 新工科背景下学生创新实践能力培养现状

1.1 创新实践能力培养体系欠佳，考核方法缺乏标准

随着技术的不断发展和知识的更新不断加速，对工科类专业人才培养提出更高的目标和要求，目前的创新实践教学体系并不完善、创新实践教学内容之间缺乏持续性和系统性，只侧重锻炼学生的某一方面的知识或能力，缺乏足够的工程应用背景做支撑［3］。当前创新实践教学的考核方式，绝大部分以实验考试成绩或实验报告成绩为主体，及实践课出勤和平时表现为参考，考试手段单一，不注重过程考核，忽视了学生在实验过程中参与及动手过程中的知识内化过程，不利于对学生进行全面评价和创新实践能力培养，必须积极对创新实践能力培养体系和实践课考核方法进行必要的改革。

1.2 创新实践教学内容更新不够，教学方式单一

当前“新工科”背景下，高校创新实践教学内容和教学方式主要存在以下问题：①部分高校专业实践课程内容过于陈旧，没有做到与时俱进，未结合最新的科学技术前沿等；各专业课程的实验内容之间缺乏统筹布局、不成体系，致使部分课程出现内容重复、前后脱节等问题。②创新实践教学手段仍旧传统单一，主要采用教师讲授原理结合现场演示，学生处于被动操作重复实验内容的学习状态，忽视了学生的主动探究、动手实践过程。

1.3 创新实践平台开放力度和信息化建设需改进

创新实践平台主要依托高校实验中心教学实验室，各高校教学实验室仍然存在实验面积小、实验室开放力度不够、缺乏科学的管理机制等问题，还需挖掘潜能，进一步提高实验室使用效率，实现有条件的实验室对本校师生开放服务，为学生提供课前实验准备和课后实验复习机会和保障，从而充分调动学生参加创新实践和创新设计的积极性［4］。同时，高校创新实践平台信息化建设仍存在基础薄弱，不够规范化等问题［5］，相关专业软件、实验室优质资源共享存在局限性，不利于学生自主学习，高校实验室信息化建设还需进一步加强。

1.4 创新实践教师队伍建设有待加强

“新工科”建设要求产教融合、校企合作，但高校实验中心的专业教学教师绝大多数是从高校毕业后直接走上实验教学工作岗位，缺乏企业实践经验，加上高校对专业教师进行企业培训缺乏激励和奖励制度，导致教师提高工程操作能力缺乏动力和条件。另外，校企双向师资交流机制和工学结合机制不够完善，未能形成一支既有丰富扎实的理论知识又有娴熟生产实践经验的专业师资队伍。

2 新工科背景下提升学生创新与实践能力

新工科背景下，创新实践能力的人才培养需根据用人单位实际需求和专业课程体系架构等问题，将理论教学、工程实践、创新能力培养交互融合构成一个有机整体，进而形成相应的创新实践能力人才培养机制。

为此，机械工程实验中心在新工科背景下提升学生创新实践能力培养方法探究过程中，就如何提升学生工程实践能力，进行深入思考并开展具体工作。

2.1 构建“智能设计、智能制造、智能感知、机器人技术”四位一体整体布局

作为国家级实验教学示范中心，机械工程实验中心主要承担机电学院6个专业的实验教学与面向全校的机械工程基础实验工作，一直秉承“集中建设、共享资源、提高质量”的建设理念，逐步完善管理制度，对实验室不断进行优化整合，集中资源优势。从规划建设、教学质量及对外辐射作用。基于新工科背景下的目标要求，机械工程实验中心依据2020培养方案和教学大纲建设规划提出以“智能设计、智能制造、智能感知、机器人”等方向进行实验中心重新布局并组织实施（见图1）规划待开发的虚拟仿真实验项目；这对于提高学生的创新素养以及实践能力有着事半功倍的效果。

图1 机械工程实验中心四位一体建设方案

机械工程实验中心通过分析“围绕智能制造国家战略”“满足智能制造产业需求”“面向科技前沿社会发展”的新工科需求，以机械工程和人工智能为智能装备的载体，构建智能感知、智能设计、智能制造、机器人技术实践体系，通过打造“机械创新设计”“现代制造技术基础”等设计制造综合实践课程和“Python编程基础”“人工智能基础及应用”等信息控制实践课程，分阶段设置设计模块、制造模块和机电系统集成设计综合实践环节，实现智能装备设计、制造和运维的核心任务。

机械工程实验中心通过系统仿真工具如Matlab、Protus，硬件设计工具如AD、FPGA，软件设计工具如C、Python、PLC和NI等现代工具构建集信息获取、信息处理、信息传输、先进控制和智能决策于一体的智能感知实践体系，有效满足本学院测控技术与仪器等专业的分类培养个性化方案要求。

2.2 组织实践技能竞赛促进学生创新实践能力

实践技能竞赛是实现新工科人才培养目标的重要手段，已成为高校专业认证、教学质量考核的重要内容［6］，学生在参加实践技能竞赛过程中可以提高创新热情、团队协作、各学科交叉运用等方面的能力，对突破学科专业壁垒，培养工程领军人才，服务国家战略新发展、构筑国际竞争新优势具有重要的意义［7］。

机械工程实验中心积极研究分析新工科人才培养目标与各类实践技能竞赛之间的关系，结合各专业最新培养方案实施情况，组织制定适合不同学科、不同年级学生参与的实践技能竞赛以及相应学分管理政策，鼓励学生积极参与实践技能竞赛并精心组织专业实践教师进行全程指导，切实培养提高学生创新精神和实践能力。机械工程实验中心2020年承办参加实践技能竞赛情况如表1所示。同时，通过调研不同学科实践技能竞赛对创新能力提高的实际作用进而形成反馈来调节指导后续竞赛形式，最终建立赛后评价机制（见图2），可以看出，机械工程实验中心赛后评价机制的建立不仅有利于指导教师在赛前明确参赛目标、赛后总结参赛经验，而且通过反馈调节在提高实践技能竞赛成绩、分析评价创新实践能力提高水平等方面具有实际意义。

表1 北京交通大学机械工程实验中心2020年承办／参加竞赛情况

图2 北京交通大学机械工程实验中心学科竞赛赛后评价机制流程图

研究总结机械与电子控制工程学院参赛学生近3年参与全国大学生机器人大赛ROBOCON赛事及成绩数据情况，2018年至2020年参赛学生平均成绩在毕业设计、课程设计、生产实习方面相较于班均分提高率分别为21.7%、28.9%、29.4%，可以发现参赛学生在实践教学环节的成绩普遍高于所在班级平均分数，尤其在生产实习期间参赛学生成绩相对更高，可见通过实践技能竞赛锻炼后的学生掌握技能和解决实际工程问题的能力大有提高，已得到实习公司负责人的高度评价和普遍认可。

2.3 加强实验室开放促进学生创新实践能力提高

实验中心实验教学对于“新工科”建设培养应用型创新人才和提高工程教育质量具有不可替代的作用［8］。积极探索可行的实验室开放管理模式、建立健全实验室开放规章制度能够有效促进学生创新实践能力的培养［9-12］。机械工程实验中心根据学生实际需求、实践教学内容和多年实验室开放模式的探索经验，形成一套适合自身实际情况的实验室开放管理模式和运行机制。①实验内容引导型。校内学生可根据自身需求在课余时间申请进入实验室进行实验内容预习、实验设备调试和实验项目补做等工作，极大地提高了实践兴趣和自由度；②实验项目引导型。实验中心在实验室开设了大学生创新训练项目、综合性实验研究项目、学科竞赛类项目等设计类专题研究活动，根据实验室条件，在实践专业教师指导下或自行开展发明制作、专利论文等科研活动［13］；③实验自习引导型。实验室除了利用现有条件开展创新实践活动之外，还专门设立学生自习区供学生自习学习使用，不仅提高了实验室使用效率而且缓解了学期末自习室学生扎堆复习的压力，可谓一举两得；④实验设备引导型。为满足开放性实验要求，实验中心推出新进设备参观和常规设备实验验证等服务，学生可通过申请参观诸如虚拟仿真、库卡（KUKA）机器人等新型实验设备又可以通过常规实验设备验证专业理论课相关知识原理，激发了学生实践创新的兴趣，提高了实验设备利用率。

2.4 通过虚拟仿真等信息技术改革实验教学方式

实验中心积极推进虚拟仿真等信息化建设，现建有国家级虚拟仿真实验项目：高速动车组检修工艺虚拟仿真实验平台［14］。该虚拟仿真系统紧跟高速动车组最新发展，利用虚拟仿真技术和任务驱动方式构建实验教学项目，学生针对多场景、多输入的实验环境，开展自主探究式实验，大大地激发了学生参与实践创新活动的主动性和积极性。同时该项目将进行持续建设，不断更新、丰富动车组车型案例资源，优化仿真实验操作过程，增加交互环节，同时改善软硬件条件（如购置高性能服务器和网络设施等），结合使用者反馈意见，不断提高网络连接速度和用户体验效果。同时面向全国的高校、特别是针对中西部高校相关专业师生和轨道交通行业的社会人员开放，有效提高各类学生创新实践能力。

3 结 语

“新工科”建设是新时代高等工程教育深化改革应对新环境新技术的重要实现途径［15］，而高校实验中心作为“新工科”背景下培养学生创新实践能力的实际基地，对于本科教育和人才培养具有主要支撑作用。

实验中心在构建“智能设计、智能制造、智能感知、机器人技术”四位一体整体布局方面、学科竞赛开展情况、实验室开放管理和虚仿项目建设等建设规划取得了一定实施效果，今后将进一步探究“新工科”建设背景下提升学生创新实践能力的方法，全方位服务大学生创新实践活动的开展工作，培养更多服务经济发展的新工科人才。同时为国内同类兄弟院校提供可以参考借鉴。