基于产品开发实践的卓越工程师动手能力培养

王双喜 牛小东 范衠 赵永杰

[摘 要]当前，我国实施“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略，对工程学科科技人才的培养提出了更高的要求。为了适应竞争日益激烈的全球化环境，一名卓越的机械产品开发工程师不仅要具备扎实的理论知识，更要具备较强的动手实践能力。根据“CDIO工程教育”及“卓越工程师教育培养计划”的目标要求，汕头大学近年来开展了大学生校外实践教学基地的建设。汕头大学与汕头轻工装备研究院联合建设了“粤东轻工装备制造技术校外实践教学基地” 的教学体系，探索了学科混合、年级梯度培养的动手实践培养模式，通过典型案例验证了在校高年级大学生参与产品开发提高动手能力这一实践教学模式的优越性，提出了目前实践教学基地尚需解决的一些问题。

[关键词]CDIO工程教育；卓越工程师；培养基地；产品开发；DIY实践

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）10-0179-04

○、引言

近年来，我国高等工程教育发展迅速，工程教育规模位居世界首位，随着社会对高素质工程技术人才的需求日益迫切，其对工程教育质量也提出了更高的要求。当前，我国实施“中国制造2025” 、“互联网+”等重大战略，对工程技术人才的培养提出了更高的要求。

为了促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，近年来，我国教育部先后实施了“CDIO工程教育”、“卓越工程师教育培养计划” （简称“卓越计划”）等一系列政策举措，有力地推动了我国工程教育的发展[1]。

CDIO工程教育最早于2000年由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学提出，是近年来国际工程教育改革的最新成果。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品从研发到运行的生命周期为载体 ，让学生以主动的、 实践的、 课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、 个人能力、 人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势[2]。

“卓越计划”是国家教育部贯彻落实《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）》的重大改革项目，其主要目标是面向工业界、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定坚实的人力资源优势，增强我国的核心竞争力和综合国力[3]。

汕头大学作为国内最先引进CDIO工程教育模式高校以及第一批“卓越工程师教育培养计划”试点高校，在工程教育领域进行了深入的改革探索，其中基于产品开发实践的卓越工程师校企联合培养模式成效显著[4]。本文详细介绍了汕头大学与汕头轻工装备研究院联合建设“粤东轻工装备制造技术校外实践教学基地”（以下简称“装备教学基地”）的工作，分析了基于产品开发实践的卓越工程师培养模式和教学体系，探索了学科混合、年级梯度培养的实践模式，通过典型案例验证了在校高年级大学生参与产品开发提高动手能力这一实践教学模式的优越性，提出了目前实践教学基地尚需解决的一些问题。

一、装备教学基地的教学体系与管理

（一）基地的教学体系

“粤东轻工装备制造技术校外实践教学基地”是汕头大学与汕头轻工装备研究院联合建立的实践教学基地。汕头轻工装备研究院成立于2006年，是粤东地区唯一的致力于轻工装备产品开发的省级新型研发机构，研究院拥有一系列先进的仪器设备、先进的实验室，以及完善的机械加工与装配车间，基本满足了大学生的教学实践要求，研究院每年承接有大量的科研项目及企业课题，为学生提供实际的项目设计及产品开发机会。基地结合自身资源优势，先后建立了多媒体培训教室、机器视觉技术实验室、数控技术实验室、加工装配车间等。按照大学生实践教学基地建设的规划，先后对研究院现有基础进行升级改造，引进西门子数控培训设备，使培训场地和设施设备满足学生实训的需求，让入住基地实践的大学生能够充分利用这里的设备和仪器资源，并在基地导师的指导下，完成装备的DIY研发，掌握结构设计、程序设计、自动控制、零部件选型和机械加工等工程知识。同时在基地实践的大学生也能够随基地工程师一起进入服务的企业生产第一线，实地调试自己开发的设备，并考察装备制造企业的运行管理，将理论和实践相结合，提高学习兴趣，提升教学质量。

“装备教学基地”采用“理论课程+技能培训+实操训练+项目设计” 的教学体系，学生的工程训练培养管理采用双导师模式，以项目设计为核心、理论课程为基础、技能培训为辅导、实操训练为手段，最终使培养的学生熟悉设备创新路径，掌握基本的加工和装配工艺技能，具备较强的团队精神。“装备教学基地”开设了一系列培训课程：1.實用数控系统培训：利用基地的数控培训室，按照印刷包装机械产品开发的要求，进行数控纠偏、张力控制等编程，并联合西门子公司等企业给考核合格学生授予证书。2.企业与项目管理：提高基地实习学生对企业管理的认知，课程中通过对制造类企业的基本运作形态和各关键环节的计划、组织、控制等内容的介绍，让学生初步熟悉实用的管理方法，使其具备运用项目管理工具进行设备开发与制造作业优化的技能。3.机械装备设计与装配中的常见问题：邀请基地资深工程师结合具体产品设备对机械零件设计、产品选材、产品装配与调试等进行系统讲授。4.工程师职业道德与责任：介绍工程师在社会发展中所扮演的角色、工程师的社会责任、职业道德以及工程师对于公众健康、安全、环境和可持续发展的责任。

（二）基地的管理架构

汕头轻工装备研究院是汕头大学主导建设的具有独立法人资格的广东省级新型研发机构，因而在基地建设上能够按照汕头大学的培养计划无缝对接。实践基地建设模式采用汕头大学指导、依托单位汕头轻工装备研究院主办的方式。对于低年级学生，实训基地可以作为机械制造、工业装备、产品开发认知教育基地；对于高年级本科生和研究生，学生在基地主要能完成机械、电子等方面的一级项目作品设计与制造、数控技术培训等课程训练；通过参加企业设备开发项目，熟悉产品开发流程，掌握实用的设计知识和初步加工技能。基地组织管理架构如图1所示。

（二）基地队伍建设与教学管理

汕头大学工学院有一批教师从事与轻工装备及智能制造相关的科研工作，形成了具有轻工特色的研究基础。为了支持“装备教学基地”的建设，汕头大学工学院指定9名教师参与基地的实践教学工作。学院指导老师的工作形式分为几种：1.与基地专业人员合作，根据学生实践需求，联手推出新课程或者短期培训课；2.在寒暑假期间担任基地实习学生的项目指导老师；3.承担基地的科研任务并吸收学生参加。汕头轻工装备研究院筛选出实践经验丰富、表达能力较好的职业工程师兼职指导学生的实习，在基地形成一支教学与工程实践互补的教学队伍。基地负责人根据汕头大学学生工程实践的教学要求，总体规划和协调在基地建设范围内所开设的课程和培训内容；制订设备使用制度、基地科研项目管理办法、基地指导教师考核条例、基地学生管理条例等。为鼓励教师和基地工程师参与教学实践基地的建设，汕头大学工学院指导老师、汕头轻工装备研究院及其合作企业的指导工程师将被授予“装备教学基地”指导老师的称号，并按照指导工作量由汕头轻工装备研究院提供一定的劳务补贴和交通补助。

二、装备教学基地培养模式

（一）基于CDIO工程教育的职业道德培养

CDIO是一种以工程项目设计为导向、工程能力培养为目标的工程教育模式，其特点在于所有需要学习和掌握的内容都围绕项目设计这个核心，形成一个有机的整体[5]。目前年轻大学生普遍存在个性突出、团队意识不强的问题，频繁跳槽成了大学生毕业初期的一个普遍现象。这样的行为，既给企业生产管理和人才建设带来了巨大压力，同时也对毕业大学生自己的成长非常不利。这种现象的出现，除了社会浮躁风气的影响外，也反映出近年来我国工程教育重知识、轻技能与德育培养的倾向。针对这种教育缺失，汕头大学提出了EIP-CDIO培养模式，即在CDIO工程教育培养体系中融入职业道德（Ethics）、诚信（Integrity）和职业素质（Professionalism）的培养[6]。在教学基地实习期间，邀请企业家和技术骨干现身说法，通过了解他们的成长经历，理解企业对卓越工程师的目标要求，理解诚信、职业素养对自己成长的重要性，在成功者的模范教育下，形成回报社会、建立无我的高尚道德标准。

（二）梯度培养

随着社会竞争的日益激烈，对工程应用型人才的要求越来越高，一名卓越的产品开发工程师不仅要求具备扎实的专业基础、过硬的理论知识，同时还应具备较强的动手实践能力。近年来，汕头大学先后联合多家企业，实行校企联合培养，在汕头、珠三角等地建立了多家实训基地[6]，让学生有机会到企业一线实习并参与产品开发。但这些实践安排，由于地理空间限制，仅适用于四年级本科生。那些对科研有浓厚兴趣的二、三年级学生基本上没有机会参与到这种实践培训中。

汕头轻工装备研究院距离汕头大学约2公里，二年级学生完成了本专业的基础课程、具备一定的专业基础知识后，便可以利用周末、假期、实习学期等时间，进行参观实训。二、三、四年级的学生可以组成兴趣小组，参与企业项目设计、产品开发等实践。同时，基地邀请工程师或专家对学生作相应的专业技能培训，按照“学习助成长、实践促成才”的工程教学理念在汕头大学的合作指导下开展基地教学工作。不同年级的梯度混合培养，使产品开发具有了更好的传承性，可以依托实习学生一代一代的升级。

（三）多学科混合培养

由于管理体制和习惯的关系，在大学内部，学生实习或项目兴趣小组往往是以专业为边界各自组织实施的。装备教学基地打破了原来学校内部的院系边界，承接的科研项目涉及机械、电子、计算机等不同工科专业，以项目为核心，形成了跨专业混合培养的良好平台。计算机、电子系的学生在互联网技术、传感与视觉等方面基础较好，机电系学生在机构设计、自动控制等方面优势较明显。不同学科学生的混合，与以前单一同专业学生的项目开发和实习相比，开发的作品新颖性更突出，如WiFi控制技术、机器识别技术与机械装备有机的结合；不同工科专业的學生在项目开发过程中分别参与不同的模块，加强了学生跨专业之间的知识体系的交流，更可以接受其他专业的相关知识的训练，在项目实战中不断拓展自己的知识视野。

三、装备基地教学的典型案例

近年来，随着汕头大学推行CDIO工程教育改革和卓越工程师培养计划，工学院每年有30多名本科生、20多名研究生在粤东轻工装备制造技术校外实践教学基地实习或参与项目的开发，多名研究生、本科生以汕头轻工装备研究院及合作企业的产品开发为毕业选题。基地培养的学生作品先后获得2015大学生国际创新工程设计竞赛金奖、广东省挑战杯三等奖等佳绩。一些以汕头大学学生为主力军开发的产品在企业生产线或教育培训机构中得以应用。

（四）基于机器视觉的手机触摸屏检测设备

基于机器视觉的手机触摸屏检测设备，是2015年以汕头大学2011级机电系四年级学生邹阮兵、崔敬麟以及2名三年级电子系学生和1名二年级机械系学生为主体，在教学基地开发的一种适用于智能手机触摸屏邦定引脚质量检测的自动化检测设备。2014年暑假期间两名即将进入四年级的学生随基地售后服务工程师一起在汕尾市信利光电股份公司进行自动清洗去污检测设备的调试。秋季学期开学后，他们便与电子系、机电系的师弟师妹自组团队，结合信利企业手机触摸屏电极印刷质量自动检测的新需求，在基地老师和工程师的指导下，设计了一套基于机器视觉技术的自动在线检测流程。设计的手机触摸屏检测设备包括邦定机械手自动上料、检测滑台移动、视觉模块检测以及自动分拣等功能。该设备具备自动检测引脚水平偏移及垂直偏移、ACF（Anisotropic Conductive Film，各向异性导电膜）缺胶等缺陷的功能。实现了±0.01mm的检测精度、4秒/片的检测速度、0.32%的误检率，检测效率是工人检测的2倍左右，达到了代替人工对触摸屏引脚邦定质量的全自动在线动态检测要求。该项目荣获2015年广东省挑战杯大学生课外科技作品竞赛三等奖。

（二）移动服务机器人

移动服务机器人是2016年汕头大学2013级电子系学生陈文钊以及机电系学生郑浩东等人在基地暑期實习期间开发的项目，他们在学校已经开发过移动机器人作品。在基地辅导老师的引导下，他们团队以在学校累积的技术为基础，分析市场的需求，开发了一款面向医院、养老院的移动服务机器人。该产品主要基于他们自有技术的全向轮自主导航机器人平台，通过嫁接激光扫描、机器视觉、自动避障、网络互联等先进技术，实现安防监控、物品送取、看护照顾以及医疗消毒等应用功能，老人通过手机语音识别就可以控制机器人。通过移动服务机器人项目，团队新吸收了3位分别来自电子、机械、计算机专业的二年级学生，大家取长补短，在产品开发过程中互相学习，该作品获得了2016年全国智能制造创新创业大赛的金奖。

四、结语

汕头大学工学院联合汕头轻工装备研究院建立的校外实践教学基地，在基于产品开发的卓越工程师培养中取得了一定的成效，受到了在基地实习学生的广泛欢迎。同时其培养的学生动手实践能力、职业素养较高，受到了用人单位的高度评价。然而需要指出的是，在目前教育体制下，校外实践教学基地建设工作依然存在许多需要进一步解决的问题。例如，校外实践教学基地培训的长期资金投入并没有形成机制保障、校外实践教学基地指导教师的工作考核以及交通伙食补贴与现行高校管理政策协调不足等。这些都需要在政府和学校层面进一步出台政策和保障措施，以利于校外实践教学基地的健康发展。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 林健.面向世界培养卓越工程师[J].高等工程教育研究，2012（2）：1-15.

[2] 顾佩华，包能胜，康全礼，陆小华，熊光晶，林鹏，陈严.CDIO在中国（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[3] 林健.高校“卓越工程师教育培养计划”实施进展评析（2010～2012）（上）[J].高等工程教育研究，2013（4）：1-12.

[4] 顾佩华，胡文龙，林鹏，包能胜，陆小华，熊光晶，陈严.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[5] 康全礼，丁飞己.中国CDIO工程教育模式研究的回顾与反思[J].高等工程教育研究，2016（4）：40-46.

[6] 顾佩华，李昇平，沈民奋，陆小华，范颖晖.以设计为导向的EIP-CDIO创新型工程人才培养模式[J].中国高等教育，2009（Z1）：47-49.

[责任编辑：刘凤华]