阶梯式项目驱动的工程实践教学改革与探讨

高守锋，尚 妍，金 鑫，李占龙，李缘地，仇天阳

（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

0 引 言

当今世界，新一轮科技革命与产业变革持续向纵深演进，正深刻影响着经济社会运行方式、国际竞争范式乃至世界格局发展趋势［1］。在错综复杂的国际形势下，我国全面建成了小康社会，正在向全面建设社会主义现代化国家的宏伟目标迈进［2］。“科技兴则民族兴，科技强则国家强”，提高科技创新能力，人才是关键，而高素质、创新型人才的培养是21 世纪研究型大学的重要使命和根本任务［3-4］。

我国经济的飞速发展和许多重大工程项目的实施对工程领域的人才素质提出了新的要求，工程教育的重要性日益凸显，培养具有复杂工程问题解决能力的高素质人才将成为未来高等工程教育改革的核心和难点［5-8］。2016 年，我国正式成为《华盛顿协议》的第18个缔约国，标志着我国高等教育进入了新的发展阶段［9］。为了进一步提高我国高等工程教育质量，实现从高等教育发展趋势的跟随者向领跑者的加速转变，近年来，国家提出了“新工科”倡议，为我国高等工程教育改革指明了方向［10-11］。在新工科视域下，对于能力和素质的要求被提高到了前所未有的层次，未来工程技术人才除了要具备扎实的自然科学常识、工程科学基础知识、工程技术专业知识之外，还应具备分析和解决复杂工程问题的能力，这同时也是用人单位对于工科毕业生的迫切需求［12］。

本文以培养学生解决复杂工程问题的能力为主要导向，优化配置优势教学资源，搭建面向工程问题解决能力培养的综合实践教学平台，在此基础上，将具体工程问题加以分解、消化，最终以实验项目的形式有机融合到实践教学过程中，针对不同类别学生构建阶梯式、层次化实践教学体系，针对性完善教学模式和考评方式，探索将复杂工程问题有机融入工程实践教学的可行性和有效性。

1 新形势下实践教学改革重点

1.1 复杂工程问题的定位和属性

《华盛顿协议》和《工程教育认证标准》中均对培养学生解决复杂工程问题的能力作了明确要求，深刻理解和把握复杂工程问题的特征与内涵是全面提升实践育人质量的前提［13-15］。随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，开放性、多样性、综合性、多学科交叉逐渐成为现代工程问题的显著特征，而复杂工程问题即需要运用深入的工程原理，经过分析才能得到解决的综合、抽象、复杂工程问题，这类问题的解决往往涉及多学科的工程专业知识、原理和方法，需要处理多方面技术、工程和其他因素存在的冲突。为了解决复杂工程问题，学生应具备深厚的专业知识储备、灵活运用知识的能力、自主创新能力及良好的组织协调能力，相应地，工程训练中心实践教学平台建设及相关实践教学改革工作也需要以上述培养目标的达成为出发点和落脚点［16］。

1.2 工程实践教学现状

高校的工程训练中心多基于原校办实习工厂组建而成，随着国家对高等工程教育要求的不断提高和高校教学改革工作的不断深化，工程训练在教学模式和教学内容上相对于以往的金工实习都有了很大的改变［17］。以我校工程训练中心为例，依托前期的搬迁和扩建项目，实现了实践教学条件的全面升级，完成了测量反求、智能制造、精密铸造、增材制造、激光加工等一系列创新实践教学模块的建设。经改造升级后的工程训练中心已经成为学校开展工程实践教育的重要平台，现面向全校机械类、近机械类以及经、管、文、理等相关专业本科生开展工程训练、自主探究和创新创业实践活动，为学校人才培养工作和“双一流”建设提供了重要支撑。

然而，随着经济社会的飞速发展和国家对于高等人才培养目标的不断提升，中心目前存在的教学模块或工序间缺乏有效衔接、教学方法与组织形式缺乏创新、教学效果评价方法粗放等弊端逐渐显现，现有教学模式难以对复杂工程问题解决能力的培养目标形成有效支撑，相关教学改革工作亟待开展［18］。

1.3 问题梳理和改革策略

作为国家级实验教学示范中心，深化实验教学改革、探索创新性实验教学模式、优化实验教学资源、增强示范辐射能力是中心的责任和使命。为了进一步践行实践育人使命，中心依托各级各类教育改革项目，充分调动教师积极性，深入教学一线挖掘现有教学问题，调研论证教学方案和教学内容的改进措施，有序开展“教学学术”研究。

调研发现，中心现存的问题主要体现在教学模式、教学内容、师资力量及管理考核机制4 个方面：

（1）教学模式。工程训练中心改建自校办实习工厂，个别传统工种仍然沿袭“学徒制”教学模式，学生只需按部就班完成所布置的实训任务即可，教学内容缺乏创新，教学过程不够灵活，学生缺乏自主性和参与感，教学效果一般；此外，学生在学习能力、动手能力、沟通能力等方面存在明显的个体差异，以往的教学模式不能解决由此带来的学习进度不同步的问题，具体表现为有学生在完成阶段性实训任务后无所事事，从而导致时间和实验资源的大量浪费。

（2）教学内容。传统的车削、铣削、钳工、铸造、焊接等实训模块仍占有较高比例，教学活动中所用的图纸、材料、工艺方法等资料均由中心提供，教学过程侧重技术传授，对作件背后的工程应用背景、加工质量要求、工艺技术特点、相关技术的国内外发展现状等内涵元素的发掘远远不够。对于自动化、电子信息工程、计算机科学与技术等近机械类和非机械专业学生而言，学科跨度较大，在短期内难以达成操作技能训练的教学目标；对于新设立的先进制造技术相关教学模块而言，新入职的青年教师在教育理论知识和实践经验的积累方面存在不足，围绕先进仪器设备开展的实验项目开发工作较为有限，从而导致一定的资源浪费现象；此外，与其他学科的交叉与融合不能在课堂中很好体现，理论知识的传授不系统、不全面、无条理。

（3）师资力量。对于占中心人数一半的工勤技能系列中老年指导教师而言，积极性普遍不高，思想观念较为保守，知识体系陈旧，缺乏冲劲和创造力，难以满足新形势下高素质复合型人才的培养要求。

（4）考核机制。学生实训成绩主要由平时成绩和考试成绩构成，其中，平时成绩由各模块指导教师考虑学生出勤情况、日常表现、作品质量等因素给出，成绩的给定缺乏统一的标准，带有明显的主观性；对于结课考试而言，题型多为客观题，缺乏对学生实践过程中非智力因素的考虑，不能很好地体现学生的综合实训效果。

上述问题的存在直接影响着实践育人目标的达成，因此，针对以上突出问题，深入挖掘现代工程实践教学的丰富内涵，探寻问题根源，从新理念、新模式、新方法、新内容等维度出发，将具体工程实际问题引入教学，立足中心现有教学资源及典型工种，开展试点改革，构建综合创新型工程实践教学平台，针对不同类型学生定制开发教学内容，以点带面，以期最终实现中心实践教学水平的整体提升和育人模式的全面优化。

2 平台建设及教学项目开发

2.1 综合实践教学平台建设

基于具体复杂工程问题的项目式教学是对工程教育专业认证标准深刻解读后形成的重要决策，是提升学生综合实践能力的有效途径。本中心现有的逆向工程实训模块具有知识点密集、学生参与度高、多学科交叉、贴近生产实际等诸多特点，是项目式实践教学开展的良好载体，为此，课题组以逆向工程模块为基础，向传统加工、数控加工、增材制造、加工质量表征等模块作了进一步拓展和延伸，搭建了可覆盖典型工业产品全部工艺流程的现代制造综合实践教学平台（见图1）。

图1 基于逆向工程的现代制造综合实践教学平台

为了保证实践教学活动的顺利开展，围绕平台构建了项目式实践教学培养体系（见图2），为基于项目的“一体化、全流程、贯通式”实践教学活动开展提供了有力保障。该培养体系面向机械类、近机械类、非机械类3 个不同类型的学生群体，以难度不同的3 类具体工程问题衍生的实验项目为主线，将测量技术、逆向建模、增材制造、传统加工、数控加工等实践教学模块有机串联，打通不同工艺方法和上下游工序间的壁垒，最终基于现代测量手段对作品的加工质量进行检测，形成教学过程的闭环反馈机制，引导学生深入理解加工质量的溯源分析和控制策略。教学内容丰富多彩，仪器设备利用率高，教学组织紧张有序，让学生沉浸式体验现代工业产品研发过程，在不知不觉中实现工程意识的养成以及实践动手能力和分析解决问题能力的有效提升。

2.2 平台的个性化实践教学开展

实验项目是贯穿实践教学的主线，如何实现将实验项目与人才培养目标及工程实际的有机衔接是关键。为此，针对非机械类、近机械类、机械类学生分别设计了3 个工程场景，将具体工程问题分解为若干个涉及单一学科的子问题，基于平台的各教学载体针对性开发了一系列实验项目，基于对实验项目的选择、重组可面向不同学生开展个性化实践教学，从而实现多层次、差异化人才培养（见图3）。

对于非机械类同学，主要侧重机械制造基本知识的掌握、工程实践能力和工程意识的培养，通过实训可了解制造领域的工程文化，熟悉机械制造过程相关的基本概念。对于近机械类学生，主要侧重机械类相关先修课程理论的夯实、验证及创新意识的培养，通过实训，可进一步提高学生对于具体工程问题的分析和解决能力。对于机械类同学，主要侧重培养学生灵活运用理论知识解决复杂工程问题的能力，进一步提高学生的创造力和自主性，为后续专业课程学习和职业生涯发展打下良好的基础。

针对各层次学生开发的具体教学内容如下：

（1）非机械类，复杂工艺品的扫描建模与快速原型制造。教学内容的开发应秉承以兴趣为导向、以实践动手能力培养为重点的理念，实验项目难度适宜。鉴于此，以常见的卡通玩具、汽车模型及雕塑作品等外形复杂对象的快速成型为主线，将测量技术、点云数据处理技术、逆向建模技术和增材制造技术相关理论、方法、知识点有机融入教学内容中，让学生深度参与工程案例的三维空间数据获取、处理以及最终的快速原型制造过程，寓教于乐，在轻松愉悦的学习氛围中实现对于学生工程意识、科学研究态度和实践动手能力的养成和提升。

（2）近机械类，非标机械零件的逆向建模与机械加工。对于我校而言，近机械类专业包括飞行器设计与工程、机械电子工程、测试技术与仪器等，机械原理、机械制造等均为重要的基础理论课。对于此类学生而言，工程实践教学旨在帮助其形成大工程观、提高学生将基础理论灵活运用于常见工程问题解决的能力。教学内容设计应注意联系学生未来工作岗位的需求，结合本领域未来发展方向，从学科交叉角度针对性开发实验项目。因此，该层次的实验项目需落脚到近机械专业所涉及的机械设备上常见的典型非标准机械零件的改型设计与制造上。学生需要基于典型零件完成三维激光扫描、点云数据处理、三维实体逆向建模、增材制造成型、机械加工等任务，在实践中体会综合运用现代技术手段解决行业内具体工程问题的方法。

（3）机械类，复杂零部件的数字化设计与制造。机械类学生的就业去向多为科研院所及制造型企业，工作岗位对于解决复杂工程问题的能力有着很高要求。工程训练是机械类专业学生的核心基础课程，是培养学生理论联系实际的能力、创新意识和创新能力的重要依托。在教学内容设计中，需要体现实验项目的难度，实现课内向课外的延伸以及课外向课内的反馈。为此，针对常见机械设备的典型零件的修复和改型生产问题，以车床尾架及台虎钳作为具体工程案例，通过对损坏部件的模拟修复、点云数据采集、逆向建模、产品样件的增材制造、数控加工、精度测量、误差分析及加工质量控制等实验项目的开展，让学生深度参与到现代机械产品的研发过程，深刻体会大工程背景下学科结构交叉和知识交融，在实践中提出新的问题，并通过对相关理论知识的检索共同协作解决问题，经过系统训练，促使学生掌握机械产品的常规研发流程，实现对灵活运用所学知识解决复杂工程问题的能力、科研能力、团队协作能力的同步提升，为学生的专业课学习与工作夯实基础。

2.3 构建适应项目式教学的教师团队

基于具体工程案例的项目式教学在组织形式和教学内容设置方面均与传统实践教学模式存在巨大差异，为了达成实践育人的总体目标，教学理念的革新、教学团队的升级、教学效果的量化考评等工作也需要同步展开。为此，课题组深入教学一线，对现有教学模式进行了深入问题发掘与总结反思。

针对传统教学模式下普遍存在的“教师填鸭式教学、学生机械式重复”的现象，从育人宗旨、教学目标、教学目的、教学要求等几个维度出发，成立教学研究小组，帮助指导教师完成从“独白式”向“对话式”教学模式的转变，并基于此打造了年龄结构、学历结构、职称结构科学合理的专业教学团队，最大限度发挥各类型指导教师的潜能，共同支撑人才培养目标。此外，为了保证教学过程安全有序，指导教师需全程参与教学，普及安全生产常识，为学生答疑解惑，详细记录学生实训过程，注重非智力因素对实践教学的影响，为教学效果量化考评工作的开展及教学模式的不断完善和优化提供依据。

3 结 语

工程训练中心是我国高校开展工程教育的重要平台，对于培养大学生实践动手能力、创新思维、创新意识均具有重大意义。针对以往基于单一模块的实践教学模式存在的弊端，本文以培养学生解决复杂工程问题的能力为教学改革导向，探讨将复杂工程问题有机融入实践教学的可能性，聚焦学生工程思维意识的培养和综合运用知识能力的提升，以项目式教学案例开发、教学组织形式改革、教学效果考评机制完善为抓手，深挖实践教学内涵，注重学科交叉与知识点融合，在逆向工程模块基础上建设现代制造综合实践教学平台，并基于此构建了面向不同培养层次、不同专业学生“解决复杂工程问题能力”培养的实践教学体系，开发了定制化、模块化实验项目。教学实践表明，该教学方法具有极高的可操作性，大大提高了学生的学习兴趣、参与度、获得感，对于高素质、创新型人才的培养具有很好的支撑作用。