开放式工程训练教学探索与实践

2015-05-03魏领会徐宏海张超英胡福文

实验技术与管理 2015年11期

魏领会，徐宏海，张超英，胡福文

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）

工程训练中心是我国高校实施工程教育的实践教学基地，承载着本科阶段的必修实践教学任务，是工科类高校中教学规模最大、学生受众人数最多的实践教学平台［1］。近年来，高等工科院校增加对工程教育的投入，极大地促进了工程训练中心的硬件平台建设。在实习环境、设备更新等方面都有了长足发展。现代化的环境和加工设备，迫切需要丰富的教学内容和方法与之匹配，在学生综合能力培养、实现工程训练教学目标过程中更好地发挥作用。但工程训练教学大纲设定的课时有限，致使先进设备上课开出率较低，更新设备在教学内容的改革与完善方面也相对滞后，在培养学生的学习兴趣和主体性方面的作用尚不能充分发挥［2－5］。如何更好地提高设备利用率、完善工程实践教学环节、促进对学生工程实践能力和创造力的培养，是高校实践教学工作者长期探讨的重要课题之一［6－10］。

1 以必修实践为基础，推进开放式教学

开放式教学是提高仪器设备利用率的有效措施，可以为学生提供自主发展和实践锻炼的空间，可以充分发挥实践在学生素质教育中的重要作用，是近几年高校教学改革的重要体现［11－12］。

工程训练中心作为高校规模最大的实践教学平台，其人员、环境、设备等基础条件为推进并顺利实施开放教学提供了保证。

（1）实践教学团队。工程训练中心的前身为学校的校办工厂，过去曾承担过企业的生产任务，指导师傅具有相对真实的工程背景，但缺乏理论和教学方法的研究，过分强调技能，“一锤统打天下”。简单的产品复制或模仿的教学，很难激发学生的自主学习热情和思考力。近几年的发展中，学校引进一批具有硕士以上学历的年轻人充实实践教学队伍，他们在自身科研的同时，将丰富的理论和新的教学方法引入工程训练实践教学，在指导师傅的配合下付诸实施，这种理论指导实践、实践反馈理论的人员构成，是高校中比较具有特色的实践教学团队。

（2）设备环境条件。工程训练中心拥有现代化和传统制造的各种制造设备与厂房，可以模拟实现制造业的设计、制造、装配等典型工业环境，是一个浓缩的制造工厂。

（3）受众对象。以工程应用为背景，形式多样的制造业生产方式和工艺过程，给学生创设出思考和发挥的空间，可以在很大程度上调动学生的学习热情。

在教学大纲规定的金工实习内容结束后，学生可结合自己在实习过程中技能的积累和兴趣，继续进行提高实践、研究和探索能力的开放式工程训练。

2 开放式工程训练教学课程资源拓展

2.1 教学设计及目标

开放式工程训练教学以提高学生的综合能力为目的，融知识、能力、素质为一体。教学设计以基础工程应用为前提，围绕理论课程→金工实习→综合实训→选修课程→职业技能考证→工程训练竞赛→基于科研平台的开放训练这条主线，形成工程训练中心的实践教学体系。详细设计流程如图1所示。

图1 工程训练教学环节实施流程

教学设计充分考虑学生学习的渐进性、理论与实践的指导与反馈作用；开放式的工程训练过程，增设趣味性和研究探索性，培养学生积极主动、大胆尝试的探索精神；增设工业制造领域相关应用和场景，用于学生开阔视野、打开思路，达到使学生通过真正解决实际问题的过程，巩固所学理论知识、锻炼综合实践能力、培养和提升创造性的思考力和自主学习热情的目的。

2.2 开放式工程训练教学内容设计

我校开放工程实践教学分为基础开放工程训练和基于科研平台的开放工程训练2个层面（见图1），分别用于满足不同专业和工程背景的学生需求。

基础开放工程训练部分，基于主修理论课程，结合多媒体等先进教学手段，以典型机电产品、零部件等为载体，参考全国大学生工程训练综合能力竞赛、职业技能大赛、全国大学生机械创新设计竞赛、挑战杯竞赛等形式，以实践教师、各工种指导师傅和学生组成团队，进行早期的命题、资料收集、模型的设计和制作；技能部分以钳工为基础，充分考虑3D打印、数控加工、快速成型、线切割等体现现代加工的实训工种，然后将设计成熟的训练项目，按照实践认知规律，进行层次划分。同时还开设了拓展与自主选做题目，倡导创新理念，如IPAD创意支架的设计与制作、健身课桌等这类结合科技产品或生活需求的选做题目，为自主研究和创新设计留下足够的空间，激发学生兴趣，满足学生个性化发展的需求。

开放式工程实践训练随着教学开展，教学内容不断丰富并得到积累。目前开发出的供学生选作类题目包括“R机的设计与制作”、“变轴椭圆仪的设计与制作”、“家庭健身椭圆机制作”、“无碳重力势能小车”、“基于项目的数控加工过程仿真与实践”等10多类作品。这些作品涵盖了“机械设计”、“互换性与测量技术基础”、“金属工艺学”等多门课程中的常用机构、配合、传动形式、加工工艺、测量方法等内容，提升了学生对所学课程的理解。部分开放实验作品如图2所示。

基础工程训练竞赛是对开放式工程训练及学生综合实践能力的检验，每年举办一次，由教务处主办，工程训练中心承办。竞赛分单向技能竞赛和综合能力竞赛，分别针对开放式工程训练中不同训练专项的学生。单向技能竞赛在单一工种完成，通过相关工艺内容、操作技能和测量方法体现出工程性考核要求；综合竞赛项目以创新机构或装置的设计制作体现结构原理、工业制造相关工艺、装配及应用等工程性要求。

基于科研平台的开放式工程训练项目，以教师现行科研项目为载体，选择基础开放训练环节考核优秀的学生进入教师的科研项目组，帮助教师完成部分内容，直至课题完成。这也为学生毕业设计和继续进行研究生学习奠定了基础。目前为止，已有多名研究生在中心开发基于科研的开放实践教学平台完成课题，并顺利毕业。已形成产品的立式玻璃磨边机开放式科研实践教学平台，如图3所示。

图2 部分开放实验作品

图3 立式玻璃磨边机科研训练平台

3 开放式工程训练教学实施办法

经过理论设计和实践摸索出相对成熟的开放训练课题，按照学生学习、认知规律，分阶段、预约制，在指导教师的指导下，自主实施完成。

（1）明确任务。指导教师通过多媒体和视频短片等，介绍课题内容、要求，明确具体的目标、作品的考核指标等，学生通过学校的多模式教学网下载详细资料，迅速了解任务，根据自身特点自由组合，3～4人组成一个学习小组，并完成选题任务。

（2）确定目标，制订方案。学生选题后，首先是思想的转变，要用所学理论解决从未遇到的实际问题。教师在这个过程需要尽力创设学生可理解的虚拟情境，提出启发性的问题，使学生在获得感性认识的基础上明确探究的目标。然后，3～4人的学习小组，围绕任务由浅入深独立设计，并在要求的时间范围内自行组织实施方案。首先搜集相关资料，包括相关工艺理论、结构原理、工业制造相关场景、原型及应用等，明确现有条件，咨询指导教师；然后充分运用已有知识并再学习一定程度的新知识技能，调动想象力与创造力进行资源整合、小组讨论，共同决策，精心设计、构思方案，经过反复讨论、深入思考，在中心机房利用三维设计SolidWorks软件完成零件的设计和装配，并模拟运行，不断完善，最终确定出可行方案。

（3）实践技能训练。每一个训练课题都有明确的成果性作品，在实施技能训练的过程中，考虑到学生的工程背景以及对工艺和设备的熟练程度有限，技能环节特设了加工过程的虚拟仿真平台，包括工业版Vericut数控类加工虚拟仿真软件、CAXA制造工程师、CAXA数控车床等。学生通过软件反复练习，感受企业中CAD/CAM的数字化制造过程。然后，在指导师傅的指导下再次确定工艺的合理性，根据制定的加工工艺卡片，独立完成机床操作，加工出测量合格的工件。实践训练过程的数字化制造和工程性的技能要求以及软硬件结合的训练，可以促进学生更好地理解企业生产方式和理论在解决实际工程问题中的指导作用，培养学生的工程观念。

（4）考核评价。考核指标除满足性能要求的作品外，还要以小组为单位撰写汇总报告。查询的资料、方案的设计与论证、绘制的设计图纸、装配作品效果等作为技术报告部分，另外，汇总报告还包括项目实施过程中遇到的问题和不同的解决方法，接触到的各种设备和工艺方法、使用的各种工量具等。深入思考，提出问题，找出解决办法，提出新的思路，写出创新思维报告。最后，指导教师就项目的方案、过程实施和技能环节给出评价，而作品则由指导教师和学生组成评审团，设计小组以答辩的方式介绍作品、回答同学提问，然后评审团给出评审结果。

4 开放式工程训练教学实践效果

我校预约开放式工程训练，采用基础开放工程训练、基础工程训练竞赛和基于科研平台的开放形式，极大地调动了学生的学习热情，有效提升了学生的创新意识和实践能力。近3年，我校工程训练中心获得国家和北京市级大学生工程训练综合能力竞赛一等奖1项、二等奖7项，机械创新大赛北京市一等奖、国家级二等奖。针对劳动职业技能层面的数控加工综合技术与应用培训，每年都有60多人参加国家职业技能考核，并获得由国家劳动部门颁发的职业技能资格等级证书，历届基础工程训练技能竞赛都有近200人次的参与率，并为学生毕业设计、研究生面试、拓宽就业渠道发挥积极作用。2013年，我校工程训练中心被评为国家级实验教学示范中心。

工程训练中心开放式工程实践教学资源的工程作品库，在开放教学的实践中逐渐丰富，供金工实习的课内教学和后续开放实训的学生研习，为下一轮次的开放式训练营造更好的平台。