探索通识工程教育开放教学模式

韦思健 董宝光 张秀海 王蓓蓓 李屹 高英 彭进

摘 要：通识工程教育课程已成为大学通识教育课程的重要组成部分，与其他通识课程的区别在于是典型的实践课程，学生在做中学、学中做，动手为主、手脑并用。开放教学模式课程单元建设的难度在于开放与传统教学秩序的矛盾，通过优良的教学设计和组织执行，不断提炼开放模式的教学规律，以及多维度的评价体系，可实现学生自由组队开放创意选题，从市场调研和产品定位开始，经历CDIO等步骤，完成创意产品的设计与制作全生命周期的工程体验，塑造创造性劳动价值观，培养工程能力和工程思维。

关键词：通识教育；工程体验；开放教学模式

中图分类号：G642文献标识码：A

1 研究背景

通识教育越来越被国内外的大学所认可，且实施模式也越来越多，例如通识实验班——书院、通识教育平台课，但更多的通识教育内容则偏向于人文科学、社会科学和自然科学等类学科。随着社会与经济的发展，我国高等学校学生的专业分布开始发生一定的变化，越来越多的学生选择非传统工科专业，国外发达国家更是这样。大学通识教育的构成也在发生变化，通识工程教育课程也成为其中的重要组成部分。

清华大学制造工程体验课程面向全校不同院系学生，重点培养工程思维。课程通过在真实制造场景下制造全生命周期的体验，传授现代制造工程知识、培养工程思维和素养、塑造创造性劳动价值观。每个学生在课程中可以任选一个实践教学单元，体验了解各种制造技术与方法以及工程理念。

创意设计与原型制造实践单元是制造工程体验课程的一个实践单元，以一个智能电子产品（如蓝牙音箱、手机无线充电器）的设计制造为核心，引导每个学生学习和体验机械、电子设计技术以及机械电子原型制造技术，并适当引导学生发挥想象力开展一定的外延式创新设计。后期引入了项目选择投票模式，投票选择范围包括涵盖校园生活、学习、体育锻炼诸方面，如安全手机无线充电器、自行车发电码表、自动浇水的植物生长环境等。但学生的选择一旦确定，教学模式仍然偏向于传统的教与学的模式，教学内容相对固定，在开放、创新、学生自主参与、师生互动等方面相对欠缺。

2 研究思路

本次研究的目的是探索设计思维与传统实践教学相结合培养学生创新实践能力的教学方法和内容，试图在课程的开放创新等方面做一些有益的尝试。新的单元课程目标调整为以设计思维为指引，以校园生活更便捷、更舒适、更文创为主题，开展创意设计与原型制造实践教学。学生零距离接触个性化智能产品设计与制作，从创意和市场调研开始，经历产品构思C、设计D、实现I与运作O（展示发布）等步骤，完成一个个性化创意产品的设计与制作全生命周期的工程体验，学习中不限专业，课程设置零基础体验机械设计、电子软硬件设计、原型快速制造、新材料应用和制造工艺体验环节，课程内容结合设计与原型快速制造、机械与电子、艺术与工程，提倡团队合作，传授现代制造工程知识，培养创新思维、工程素养，塑造创造性劳动价值观。

基于上述目标教学内容做如下调整，拓展教学内容，更好地将设计思维教学与机械、电子设计和原型制造体验教学相结合，增加新技术、新工艺、新材料应用体验，给学生更系统的教学体验。改革教学模式，让同学们可以将自己的创意和想法付诸实践，制作出属于自己的独一无二的作品。鼓励和引导团队合作，增加互动、讨论，把简单的教与学变成学生充分参与的高效教学过程。

开放教学模式的最大问题就是开放与秩序的矛盾，具体则体现在以下矛盾中，传统的集中教学模式与学生个性化项目需求之间的矛盾；不同学科专业学生的知识结构与教学难度设置的矛盾，包括CDIO的全生命周期项目工作需求与教学时间和师资力量的矛盾。解决这个问题的核心在于做好教学设计和协调好教学组织与执行。

3 教学设计与组织执行

创意设计与原型制造实践单元是一个涉及创意、机械结构、电子软硬件、艺术造型设计与实现的实践教学单元，项目要求自主创意。选课学生来源于清华、北大两校的各个专业，如美术、社科、新闻、外语、管理、经济、法律、电子、计算机、自动化、机械、车辆、能源等，即使是工科院系的学生，也往往是低年级的，技术基础也很薄弱。因此，我们的教学设计采取的原则是集中讲授实验与个别讨论指导相结合，团队分工与基础普遍体验相结合，自己设计制作和外购零部件相结合。

3.1 单元教学第一阶段：启发思维与创新

本阶段的教学目标是学生初步确定项目目标并组成团队，教学设计从工程认知、创新思维、导引交流三方面着手。

在工程认知方面，通过概论课使学生初步了解课程目标建立制造工程的概念，并通过参观训练中心各个实验室首次对各种机电加工技术有一个初步、全面的感性认知。

在创新思维方面，通过实物感受和设计思维讲授与入门实践环节进行，在实物感受环节根据单元主题（校园生活）选取购买了一大批市售的优秀智能家居产品，这些产品均较好地将物联网等电子信息技术和产品痛点需求相结合，学生通过产品的使用，体验、了解智能电子产品的优势；往届优秀项目介绍则使学生对项目研究流程有更清晰的认识。设计思维讲授与入门实践环节理论与实践相结合，学生不仅可以系统了解产品设计基本概念及创意设计的思路和方法，还可以进行初步尝试。

導引交流方面是本阶段落实阶段成果的重要手段，教师和学生团队开展讨论和交流，通过激发创意、组织团队、市场调研、完善目标等步骤，最终完成立项报告的撰写和讨论分析。

每次课程结束前预留15分钟进行总结并记日志，这是保障进度的关键手段，也是督促学生初步建立良好工作习惯、提升工程素养的基本步骤。

3.2 单元教学第二阶段：建立创意目标与实现之间的桥梁

本阶段的教学目标是学生通过学习和体验各种设计和原型快速制造技术，完善项目实现方案，落实材料、模块购买和自主加工设备和工艺选择，最终形成项目中期报告。教学设计从如何构造机电产品讲授与实践、机电设计与原型制造技术体验、智能电子技术实践体验三方面着手。

在如何构造机电产品讲授与实践方面，首先，通过讲授使学生初步建立系统分析的理念，初步了解电子信息新技术（如物联网、人工智能、大数据、自动控制等）、传感检测技术、机械技术在项目中的作用，认知典型的控制和计算核心、传感器、执行器、电源、电池等零部件和零部件选择思路。其次，通过典型智能产品拆装实践与分析进一步加深对上述问题的理解。

在机电设计与原型制造技术体验方面，包括机械和电子两个环节。机械环节的重点在于3D设计和快速原型制造技术体验，3D打印和激光切割两种常用快速原型制造技术的掌握为学生项目中机械结构和外形个性化制造打下良好的基础，更复杂的常规机械制造手段将根据项目情况由教师个别指导学生运用。电子环节的设计部分的学习通过体验和展示相结合的方式完成，电路原型制造与调试实践则结合新材料（液态金属）展示未来电子智造技术，这些安排则充分考虑了不同专业学生的基础和需求，项目实现时则根据学生需求灵活使用外购和自制电子模块。

在智能电子技术实践体验方面，包括物联网技术应用实践和人工智能技术应用实践两个体验环节。这两个环节让学生充分感受电子信息新技术对世界的改变和建立在项目中使用这些技术的信心。

本阶段的要点在于提高讲授和实践环节的教学效率，将更多的时间留给学生。教师课前要充分准备，选取高效有趣的教学实例，以讲授为辅、实践为主，并做好充分交流和讨论以及良好的时间管理。

3.3 单元教学第三阶段：创新目标的实现

本阶段的教学目标是学生在教师指导下逐步完成创新产品的构建。教学设计从零部件的制造和运用学习、个性化软件和电路设计与实现、产品原型组装调试三方面着手。

在零部件的制造和运用学习方面，教师指导学生运用前期学习的设计技术（如SolidWorks软件和3D结构设计方法）设计个性化产品结构或外壳，制造更多使用前期学习或体验过的典型原型制造技术（如3D打印、激光切割等）。在设计制造过程中，注意结合讲解和迭代体会工艺（如公差等）对设计与制造的影响。同时，根据学生产品的需求不排除外购和外加工等零部件实现手段，对于外购的零部件，需要通过查找获取资料、学习、师生探讨等步骤逐步了解、掌握乃至运用到产品中。不管是自己制造还是外加工、外购都是对学生自己解决问题能力的一个锻炼。

在个性化软件和电路设计与实现方面，基于前期智能电子技术实践体验环节的学习，结合各个项目的个性化需求，指导学生更多使用开源软硬件（如Arduino等）完成项目的智能化设计。

在产品原型组装调试方面，强调分级目标的实现与迭代相结合，引导学生先完成基本目标，并在课程时间允许的条件下，逐步向更高级、更完善的目标努力。

本阶段的要点在于需要指导教师充分参与到学生团队的工作过程中，师生共同讨论和交流，实施个性化指导，同时每课总结，确保课程进度和目标的完成。

3.4 单元教学第四阶段：思考、总结和展示

项目制课程的组织与竞赛团队指导有很多相似之处，除了学生基础和参与面不同之外，教师更多地引导学生进行思考和总结也是重要的不同之处。在结课前专门安排时间用于思考和总结，要求学生在结课时提交作品设计与制作创新报告、项目汇报视频和汇报PPT，同时进行产品展示与答辩，单元课程的全体学生和教师都参加展示与答辩。通过对每个项目的点评、思考、讨论、交流，不仅使得各个项目的收获、体会乃至教训分享给更多的人，而且对学生的工程思维、工程素养、创造性劳动价值观的建立和提升起到尤其重要的作用。

4 教学评价和课程延续培养探索

4.1 评价方式创新

实践性课程常见的评价方法包括过程评价和结果评价两种模式，兼顾过程和结果的评价方法较少。评价的主体一般是教师，也有少量的学生互评，相对而言评价的视角较窄。在上述单元课程的期末产品展示与答辩环节的评价中采取了投票模式，兼顾了过程评价和成果评价。

投票是一种简化评价模式，参与者更容易表达倾向性。具体执行时，评价对象为单元某课号的各个项目组学生，评价人为单元某课号各个项目组学生、指导教师、单元其他课号项目组学生。某课号各个项目组学生在同一时间段上课，他们的评价包含学生自评和互评因素，指导教师的评价包含指导者、产品受众两个角度，而单元其他课号项目学生的评价则属于受众角度，但比一般受众对项目理解得更深。学生和教师投票总权重设定为1∶1，使得投票结果包含更丰富的评价信息，评价更真实、公平。

4.2 课程延续培养

除了用于课程成绩的评价投票外，课程还举办最佳项目的评选投票，全体教师和学生都是一人一票，更多的是体现了教师和学生从产品受众角度对项目的认可程度，尤其在项目的创新性和可实现性方面的认可程度。根据投票结果，课程尝试继续支持学期最佳项目评选前三的项目，指导学生开展后续的研究与完善，进行课程延续培养。

5 思考与结语

通识教育中的通识工程教育是通识教育的重要组成部分，通识工程教育有很多形式，对于非工科和低年级学生，基于实践的通识工程教育是一个很好的形式，对于培养学生的工程思维、工程素养、创造性劳动价值观具有非常重要的作用。对于通识工程教育，仅仅说教是不够的，一定要从现实问题出发，分析问题，解决问题，激发学生的兴趣和参与积极性。但如何设计课程尤其是其中的实践教学单元仍然有很多问题需要解决，虽然在之前的工作中做了一些尝试，并取得了一些成果，但是如何在教学中契合课程目标，引导学生兴趣并挑战自我，还有很长的路要走。希望通过我们的持续努力，给学生提供更好的课程。

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基金项目：2021年度清华大学本科教育教学改革项目“构建通识工程教育课程单元——创意设计与原型快速制造”（编号：ZY01_02）

作者简介：韦思健（1967— ），男，壮族，江苏扬州人，工学士，高级工程师，研究方向为电子实践教学、电子设计自动化、物联网、虚拟仪器等。