机械电子工程专业本科生工程能力的培养与实践

2019-06-20杨秀萍郭津津胡文华王收军

中国现代教育装备 2019年11期

杨秀萍郭津津胡文华王收军

1.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津 300384

2.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津 300384

2013年我国签约《华盛顿协议》，表明中国工程教育认证体系获得了国际上的认可[1-2]。工程教育认证要求毕业生除了要掌握扎实的知识基础、树立正确的工程态度、具备必要的通用能力外，还必须具备适应职业发展的工程能力。所谓工程能力，即针对复杂工程问题，应用数学、自然科学和工程科学的基本原理、使用现代工具，开展工程实践的能力[3]。

高校在制订工程类专业培养方案时，必须充分考虑和体现工程能力的培养[4]。针对我校机械电子工程专业，在本科生培养方案中构建工程能力培养的结构模型，建立课程与工程能力达成的关系矩阵以及闭环质量监控机制等方面进行研究，并在教学过程中进行实践。

1 工程能力培养的结构模型与要求

工程能力的培养旨在培养解决复杂工程问题的能力[1,3]，应贯穿于整个本科教育中，将工程知识用于解决复杂工程问题，并在实践教学环节中融入复杂工程问题。

根据行业对技术人员专业能力的要求，以培养学生解决复杂工程问题能力为目标，构建了机械电子工程专业本科生工程能力培养的结构模型，如表1所示。工程能力包括工程知识、问题分析能力、设计/开发解决方案能力、研究能力、使用现代工具能力和项目管理能力。提出如下培养要求：除应掌握数学、自然科学、工程基础、专业基础和专业知识，还能应用工程知识并使用现代工程工具和信息技术工具，识别、表达机电产品及系统中的问题；设计满足特定需求的机电产品、系统、单元(部件)，机电产品及系统的问题调查分析、理论分析、数据分析与实验验证，从而得到有效的结论；理解并掌握机电装备制造业及相关行业中涉及的工程管理原理与经济决策方法。

表1 机械电子工程专业本科生工程能力结构模型

2 课程与工程能力达成的关系矩阵

根据上述培养要求对本专业培养方案进行修订，基于OBE理念设计课程体系。构建了由数学与自然科学类、工程基础类、专业基础类和专业类课程及实践环节构成的课程体系。为有效评价工程能力的达成，将工程能力细化为可衡量、可评价的21项能力指标点，每个能力指标点由3～5门课程来支撑，充分考虑课程支撑各指标点间分配的合理性与均衡性。同时，为支撑同一指标点的课程进行权重分配，考虑每门课程在该指标点知识和能力递进体系中的相对地位、支撑多个指标点之间的相对轻重和平衡关系、学分占比、课程性质等因素。表2为课程与设计/开发解决方案能力要求指标点达成的关系矩阵、支撑强度及权重值。

表2 课程与设计/开发解决方案能力要求指标点达成的关系矩阵、支撑强度及权重值

3 工程能力达成的闭环质量监控机制

建立了工程能力达成的闭环质量监控机制(如图1所示)。基于教学管理制度，制订了教学环节质量评价标准，使工程能力的培养落实到每门课程和每位教师。实现了由“评教”转向“评学”，将学生学习成果的评价结果用于持续改进教学，为培养学生工程能力提供了保障。

图1 工程能力达成的闭环质量监控机制

工程能力指标达成的评价方法有考核成绩法、评分表法以及问卷调查法。

以液压传动课程支撑能力指标“问题分析能力”中2.2 “能够针对机电产品及系统中的复杂工程问题进行表达与建模，并选择可用的模型”达成的评价为例，该课程对该指标点的权重系数为0.25，抽取机械电子工程专业2012级1班35人作为样本(见表3)。表3为达成评价结果。

表3 液压传动课程对工程能力指标2.2达成评价表

4 强化综合实践环节

实践教学环节是培养学生工程能力的重要教学环节，按照工程教育认证要求，将实践教学体系进行优化、整合，构建了包括各类“实习→训练→实训→设计”等不同层次的工程实践能力培养体系，贯穿1～4学年(不少于18周)，覆盖了人才培养的全过程。通过建立“专业设计工作坊”，开设创新设计、学生创新实践活动等实践教学课程，强化综合能力训练，提升学生解决复杂工程问题的能力。

以创新设计实践教学课程为例，该课程以乐高机器人为实践平台，通过系列机械设备原型(机器人)的机构设计、控制流程和程序设计等步骤，培养学生发现、分析和解决问题的能力及团队合作的能力。通过综合实践环节使学生解决复杂工程问题的能力得到提高。学生在3周时间内进行难度不同的6个设计项目，同时完成3D打印机拆装和零件设计打印环节实践。

图2给出了创新设计课程中双足机器人设计项目的教学实施过程。通过设计实践，学生能够锻炼查阅资料、问题分析、方案选择、机构设计组装、样机调试、语言表达等综合能力。