回归工程实践的数字化项目综合训练

◆张晓青 孙 会 于忠海

回归工程实践的数字化项目综合训练

◆张晓青 孙 会 于忠海

回顾工程教育发展历程，回归工程实践是现代工程教育的发展趋势。本文分析了国内现有高等工程教育实践课程存在的不足，阐述数字化项目综合训练的内容模式、特色优势及实施注意事项，认为其能极大程度体现回归工程实践，并根据实践情况提出项目综合训练应在工程教育中推广应用。

工程教育；工程实践；数字化；项目综合训练

一、工程教育的发展起源

1.工程教育的起源

工程教育源自西方社会的“学徒制”，伴随工程师职业的发展于17世纪开始逐步形成，后成熟发展为真正意义上的高等工程教育。摒弃师傅带教模式的工程教育，最大限度地满足了当时工业革命的需求，顺应了教学社会化、标准化的历史潮流，教学效率达到了“学徒制”无法企及的高度。起源阶段的工程教育，本着“以科学为基础、面向工程实践”的指导思想开设课程，确立工程实践的核心地位与主导方向，强调科学理论知识在工程实践中的应用，培养适应社会生产及设施建设需求的工程人才。

2.工程教育课程的定义

工程教育课程设置以实践型课程为主，所开设的少量科学理论课程均服务于后续的实践课程，包括科学理论课程在内的全部课程教学目的并不在于学生掌握科学知识本身，而是以培养学生运用科学知识解决实际工程问题的能力为最终目的。

例如，1914年美国麻省理工学院机械工程专业所要求的全部80学分中，公共类课程、基础科学类课程、工程技术类课程的学分分别为18%、35%、47%，显然工程技术类课程占到了绝对多数。1925年法国里昂中央学校本科生课程计划中，学生在第一学年主要学习基础科学类课程，第二、三学年主要学习工程技术类课程，基础科学类课程与工程技术类课程总学时之比为1：1.5，第四学年开始包括实验、企业工作等不同形式共计18门课程，全部为集中实践环节。工程教育的出现，完成了培养人才从自然科学人员到工程技术人才的转型，很好地促进当时的社会化工业大生产。

3.工程教育课程的发展

20世纪中叶，由于科学知识的快速更新以及各种跨学科知识的发展，以及世界大战及超级大国军备竞赛等国际因素，工程教育被过度学术化，偏离了工程实践的核心发展轨道。一方面工程科学教育的重要性被无限放大，人文社科、基础科学理论课程的比重大幅增加，工程技术课程教学内容转为以工程科学为核心，更多地侧重于理论教学，针对工程实践的内容骤减，贯穿工程技术人才培养整个过程的实践教学环节沦为理论教学的附属物，完全服务于理论教学；另一方面，课程考试内容大多集中于原理性的理论知识，即便是工程技术课程，考核内容与工程实践相关度也极小，运用知识解决实际问题的能力在考核内容中也很少体现。

在此期间，偏离工程实践的工程教育虽然也为社会培养了大量的科技型人才，在一定程度上仍然推动了科学技术的进步，却以整个世界工业竞争力的集体下降作为赔付的代价。学生在学习期间花费大量的时间背记概念、原理及公式，对如何运用这些概念、原理于工程实践中解决问题知之甚少，高分低能现象相当普遍，拥有高等学历不等于能够胜任相应的工程实践岗位与工作。

20世纪90年代，西方发达国家发现工程技术人才质量上的短缺造成社会生产力无法与科技发展相适应，开始意识到偏离工程实践核心的工程教育不能与社会生产的发展相适应，必须予以纠正。于是，“回归工程实践”成为当前国际高等工程教育发展的总体趋势。美国、德国、法国、英国等西方发达国家的高等工程教育，均经历了面向工程实践、偏离工程实践、回归工程实践的相同发展过程。

二、我国高等工程教育课程体系中存在的不足

我国高等教育实现了从“精英教育”向“大众化教育”的战略性转移，高等工程教育正受到广泛的重视与关注。为贯彻落实 《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010-2020年)》和 《国家中长期人才发展规划纲要 （2010-2020年)》，教育部实施“卓越工程师教育培养计划”，服务于建设创新型国家和人才强国的国家战略，为我国高等工程教育指明了发展方向。我国高等工程教育，应顺乎国际工程教育的潮流，通过行之有效的改革举措，在人才培养目标、课程内容设置、人才评估办法等各方面也充分落实回归工程实践这一主旨。

现有高等工程教育课程体系由公共基础课程、专业基础课程、专业课程、实践类课程等组成，每一部分都应适应工程需求，依托一定的工程背景，回归工程实践，切实起到培养学生工程能力的作用。实践类课程由具体的实践活动构成，直接将学生理论知识所学与专业技术能力联系于一体，有别于其他以理论教学为主要形式的课程，其特殊性决定了其在回归工程实践教学改革中的重要地位。原有的实践课程受囿于教学目的、资源条件等因素，主要存在以下几方面不足：

1.实践教学多针对单门理论课程，割裂了专业知识体系组成部分之间的联系，实践内容仅仅是独立的能力碎片，缺乏对前后知识及应用技能衔接的关注，导致学生对工程技术前后各部分之间的相关性、连贯性缺乏认识。

2.实践多以假设情境为对象进行实施，多为单一的理论验证，与内容丰富浩瀚的工程实践相去甚远，学生从中得到的技能收获有限，主观能动性的发挥受到限制。

3.实践评价更多是对实践态度和验证结果的评判，不能客观衡量学生工程技术的应用状况，无法判断学生运用理论知识解决实际问题的能力状况。

三、数字化项目综合训练，工程教育课程改革新路径

在工程教育回归工程实践的改革探索中，项目综合训练是一种行之有效的实践教学形式。所谓项目综合训练，是在完成相关工程技术类课程教学的基础上，从企业具体实施的工程实践中遴选出合适的项目内容，学生采用团队协作的形式，综合运用对应若干门先修工程技术类课程的理论知识，自行将理论所学转化为处理解决工程问题的实际能力，共同完成所要求的工程项目。本文以数字化项目综合训练为例加以说明。

1.多项目融合，掌握各项数字化技术应用方法与核心

近二三十年来，机械工程借助于数字化技术焕发了适应于新时代发展的勃勃生机，而数字化技术也在与机械工程的结合中拓展了自身工程实践的应用领域空间，并不断地发展与壮大。在这个过程中，高校的机械类及各近机类专业最初仅开设数控技术、机械CAD/CAM等少量理论课程，分别配以机床操作、上机等少量学时供学生实验，有限的课时只能帮助学生简单了解相应知识点。近年来随着数字化技术的突飞猛进，有限元分析、运动分析、虚拟仿真、数字化制造、产品数据管理等数字化课程大量涌现，课内的实践环节依然屈指可数，有些课程甚至因课时有限而无法开设实践环节。在如今的实际生产中，数字化技术渗透到机械设计制造整个产品生命周期的各个环节，已形成了完整的数字化技术链，而现有数字化课程教学状况显然不能与实际生产现状相呼应，无法满足工程技术对专业技术人才数字化技能的需求。数字化课程的实践环节必须进行改革，打破现有模式重新构建，使学生所接受的数字化技能训练能够更好地与现实中的工程实践相适应。

数字化项目综合训练摒弃原有单课程的实践模式，将多门课程原先离散的工程技术实践汇聚到一个工程项目中，学生的各项数字化技能在项目的实施过程中得以综合运用，从而接受集中系统的训练。数字化项目综合训练整合机械制图、CAD/CAM、有限元分析、运动分析、虚拟仿真、数控技术等若干门数字化课程的教学成果，在上述所有课程教学活动结束后，要求学生团队以生产流水线步进机构、牛头刨床往复运动机构、靠模车削机构等小型设备或机构作为研究对象，先后完成三维建模、虚拟装配、有限元分析、运动分析、工程图处理、数控自动编程、数控加工、3D打印等一系列任务。整个综合训练周期为四至五周，具体的训练内容各院校专业可根据自身的课程设置与实际教学情况予以相应的调整。通过数字化项目综合训练，学生可掌握各项数字化技术的应用方法与核心关键，熟悉各数字化技术的功能及其不同应用状况对后续衔接部分的影响，从而对数字化技术在机械设计制造全过程中的作用与地位有全面了解，为日后参加数字化设计制造工作奠定基础。

2.以工程实践为背景，凸显数字化项目综合训练特色优势

数字化项目综合训练中的项目，出自实际工程，鲜明的工程背景能够为训练提供真实的工程实践情境，增加学生运用数字化技术解决问题的工程现场真实性。训练也不像以往按图索骥般地使用特定的命令构建指定的三维模型、执行特定的数控代码完成零件加工等简单验证，更不是以往数个实践环节的简单叠加，其综合性在于学生需独立思考，将多门工程技术课程知识分别转化为对应的数字化技术共同作用于同一工程项目，合力解决一个完整的数字化设计制造实际工程问题。相比以往的实验模式，数字化项目综合训练具有以下特色优势：

（1)工程背景：综合训练来源于实际生产中的项目，内容涵盖构思、设计、运行整个过程，执行要求和验收标准与工程实践验收标准相符，接近工程实践的训练情境有助于培养学生的工程意识。

（2)内容综合：项目内容涵盖专业教学中包含的多种理论知识及数字化技术，各种技术协同运用确保学生全面地掌握各项数字化技术。

（3)多维关联：综合训练本身强调科学与技术、知识与能力的关联，团队合作的执行方式强调个人能力与团队协作能力、工程实践能力与人际交往能力的关联。多维度关联为学生日后更好地适应工程实践提供了智商、情商的锻炼机会。

（4)独立创新：项目的构思与实施需要小组团队独立思考合力安排，课题内容和训练环节不同程度地吸收数字化领域的最新技术与机械行业中的最新科技成果，能有效激发学生的学习兴趣和创新意识，帮助其自发了解并学习新知识新技术，对专业知识与工程技能形成很好补充。

3.师资培训，为项目综合训练实施提供保障

当然，项目综合训练在具体实施过程中，对师资力量与教学管理也提出了更高的要求。首先，指导教师应具备一定的工程背景，需要有工程实践经历人员甚至企业在职技术人员对学生进行指导；其次，需多位教师共同参与指导，不同训练内容的日常管理也可能有所不同；再次，综合训练的评价体系同样应该具有一定的工程特质，不能等同于普通的实践课程，应接近企业的验收标准。

具体的教学实践表明，数字化项目综合训练能帮助学生更好地知行统一，对数字化技术的专业知识与技术应用不再是原先的碎片式了解，对数字化技术整体的理解更加具象与清晰，并对数字化技术中每一环节的执行情况及其对后续工作的影响有直观的了解，有助于学生更有效地掌握数字化技术，积极主动地将之运用于解决实际问题的工程实践中。在锻炼工程实践能力的同时，团队合作沟通、科技创新、终身学习等工程所需的“非技术”能力也得到相应的提高。

综上所述，数字化项目综合训练符合“回归工程实践”的工程教育发展趋势，能够有效地培养学生运用专业知识解决工程实际问题的能力，并提高工程技能、激发创新意识，值得在工程教育实践中推广应用。

[1]崔军.中外高等工程教育课程研究[M].南京：南京大学出版社,2013.

[2]李曼丽.工程师与工程教育新论[M].北京：商务印书馆,2010.

[3]黄正荣,汪应洛,李伯聪,等.工程哲学[M].北京：高等教育出版社,2007.

（编辑：王春兰）

张晓青，男，硕士，上海电机学院副教授。研究方向：数字化设计与制造；孙会，女，博士，上海电机学院机械学院副院长。研究方向：数字化设计与制造；于忠海，博士，上海电机学院教授。研究方向：数字化设计与制造。

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