综合性大学工程训练与创新实践教学体系研究与应用

石端伟，廖冬梅，王忠华，宋崇杰，王 伟，汪言人，陈 东

综合性大学工程训练与创新实践教学体系研究与应用

石端伟1,2，廖冬梅1，王忠华2，宋崇杰2，王 伟1，汪言人1，陈 东2

（1. 武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学 大学生工程训练与创新实践中心，湖北 武汉 430072）

为满足综合性大学不同专业工程训练与创新实践需求，构建了“工程认知与工程基础实训”“工程技能与工程设计训练”和“工程综合与科技创新创业实践”3个层次的教学体系，搭建了9个实践教学平台，组建了跨学科的专兼职师资队伍，完善了质量保证体系，建设了“创新与实践”“动力工程装备技术实践”“智能制造实训”和“大学生机器人大赛”等金课，实践教学成效显著。

综合性大学；工程训练；创新实践；教学体系；金课

1 问题的提出

1828年的《耶鲁报告》中就提出，研究型大学培养目标应该集中关注学生思维能力的训练，强调人才的培养与发展，强调大学教育的结束意味着毕业生终身教育的开始[1]。哈佛、耶鲁、普林斯顿等知名大学的工程教育发展历程充分体现了综合性大学开展工程教育是回应社会需求的必然选择[1-2]。包括宋健[3]、朱高峰[4]等院士在内的国内学者都十分关注我国工程教育发展。文献[5-6]呼吁将工程教育置于国家优先发展的地位，倡导全面工程教育理念，并提出工程素养的培养对象不仅是工科大学生，而应强化“工程为人人，人人知工程”的理念，提升非工科学生甚至其他公民的工程素养。10多年来，我国几乎所有的综合型大学都先后在原来理工科大学机械厂、实习工厂基础上，建立了规模更大、门类更全、师资水平更高、实验设备更先进的工程训练中心。大连理工大学[7-8]、山东大学[9-10]、清华大学[11]、武汉大学[12]等综合性大学对工程训练的教学模式与管理体制进行了改革和探索，有力推动了我国高校工程训练教学的创新发展。

然而，我国综合性大学的工程素养类通识课程以及工程实践类课程体系并非完全一致，也不可能同时满足不同专业的工程训练需求，对相关教学方法的研究也还很欠缺。如何满足不同学科专业学生的个性化工程训练需求，既体现研究型大学的学术深度，又发挥综合性大学的学科综合优势，是我们一直在探索的问题。

我校拥有人文、社科、理科、信息、工科、医学6个学部36个学院，共120多个本科专业。2018年招收7231名本科生，其中人文社科类约占28.56%，理工、信息、医学类约占71.44%，生源综合素质较高。但是，人文社科类的培养方案中，几乎不包含着眼工程素养培育的实践教学环节；理工、信息及医学类的实践教学环节仍未体现大工程理念；原有的工程训练场所、设备、实践教学课程设置及师资队伍等与需求相比尚有很大差距。尽管“武大通识3.0”建设了10门工程科技课程和7门IT课程[13]供学生选修，但对学生工程素养培养仍远远不够。

为此，我校2016年在原综合工程训练中心（省级实验教学示范中心）基础上，组建了的新的大学生工程训练与创新实践中心（简称中心）。中心的目标是，建成国际先进、国内一流、具有武大特色的、进行高端人才培养的工程训练与创新实践中心，以及工程素质、工程文化和“三创”（创新—创造—创业）教育基地，全面提升本科人才培养质量。通过多年的改革实践，我校构建了“工程认知与工程基础实训”“工程技能与工程设计训练”“工程综合与科技创新创业实践”3个层次的工程训练与创新创业教学体系和质量保障体系，相继建设了9个实践教学平台和23门课程，满足了我校人文、社科、理科、信息、工科、医学对“大工程”实训的基本需求。

2 工程训练与创新实践教学体系

2.1 三层次的工程训练与创新创业教学体系

遵循创新型人才培养规律，中心突破实验教学依附于理论教学的传统观念，对实验课程进行了全面整合与重建，在实验教学与理论教学有机结合的基础上，构建了体现工程认知、实验技能系统训练与科学研究能力培养相结合的“工程认知与工程基础实训”“工程技能与工程设计训练”“工程综合与科技创新创业实践”3个层次、多教学平台相互衔接的工程训练与创新创业教学体系（见图1）。初步形成了“纵向层次化、横向模块化、整体综合化”的工程训练教学体系。

图1 三层次的工程训练与创新创业教学体系

为了满足我校不同专业的工程实训需求，建设了9个实践教学平台和23门课程（见表1）。

表1 三层次的实训课程设置与教学平台

2.2 实践教学平台

2.2.1 认知展示平台

认知展示平台承接我校一年一度的“三创”教学成果展示，是集文本、图片、动画及视频多种资源于一体，实物作品与数字化展示相结合的开放型教学场所，主要展示3个方面的内容：（1）百年辉煌、大师巨匠、杰出校友、珞珈文化；（2）“三创”优秀作品实物、图片；（3）三峡工程、汽车自动生产线、无人机、电子封装、生物工程、微纳材料等教学视频及发电站（火电、核电、水电）虚拟漫游。

2018年11月全校32个院系通过970多个项目展品，充分展示了我校本科生2年内自主创作的具有创新性的科学技术成果，包括4届“互联网+”大学生创新创业大赛金、银、铜奖作品，接待本校师生5000人次，同时接待其他参观人员1000余人次。

2.2.2 基础制造实习平台

基础制造实习平台包括机械切削加工基础和材料成型与热处理两部分，前者含车削、铣削、磨削、钳工4个模块；后者含铸造、焊接、钣金与热处理4个模块。

该平台可以让学生了解机械制造的常用工艺方法、零件加工工艺过程及装配基本知识，完整认识机械制造工艺过程，增强对工作环境的适应性。该平台每年可满足2000人次的实训需求。

2.2.3 电工电子实验平台

电工电子实验平台包括电工基础实训、电力电子技术、电子电路设计、电工电子系统及工程应用4方面内容。该平台旨在让学生充分了解模拟电路、数字电路、FPGA与EDA、集成电路工程、电子元器件及相关产品生产装配调试工艺及过程，熟悉电压调节技术、电源逆变、无线充电、分布式电源并网控制等技术，掌握电路与系统综合设计、嵌入式系统与微控制器、检测与控制系统设计、消费电子平台、现代电子技术应用与发展等。该平台每年承担近600人次的实训。

2.2.4 先进制造训练平台

先进制造训练平台包括激光加工、3D打印、智能机器人、数控加工4个实验室，实现了工程训练由传统的单机加工制造和单一教学实训向多专业、多领域、多学科的综合技能实训的转型。该平台运用信息技术对传统制造业设计方法、加工工艺、加工装备、质量监控等进行渗透和改造，以期达到融柔性化、智能化、敏捷化、精益化和人性化于一体的教学目标。该平台每年承担近500人次的实训。

2.2.5 智能制造实训平台

2018年，我校投资近300万元建成了一条智能制造生产线，该生产线包括数控机床、工业机器人、AGV自动导向小车、立体仓库、RFID识别系统、数字化系统管理软件、数字化信息监控系统、数字化信息总控系统等。让学生了解现代智能制造的工程实景，学习生产线布局，掌握智能制造生产线的数字化设计、自动化制造、信息化管理和网络化运营。该平台已承担近150人次的实训。

2.2.6 大学生科技活动中心

首先包括8项大赛：全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生智能汽车竞赛、全国大学生机器人大赛、全国大学生电子设计竞赛、中国机器人技能大赛（机器人仿人接力组、仿人机器人舞蹈赛、仿人机器人高尔夫球赛）、全国大学生嵌入式竞赛、SOPC专题邀请赛、国际机器人与自动化学术会议举办的机器人挑战赛。2018年全校参训学生超过1200人次，参赛学生超过200人，获国家奖30余项。

其次包括DIY工作坊：2017年投入800万元建设了近600 m2的大学生学科竞赛训练场，建成41间DIY工作坊。2018年11月，25个学院27支创新创业实践团队的500余人，通过答辩选拔后正式入驻中心。为确保学生团队有效利用各项资源，顺利进行创新创业实践活动，中心实施动态考核、中期答辩、滚动进驻运行机制。

2.2.7 中科-武大智谷创业实践中心

2017年，中心与苹果公司合作，开启了校企合作育人模式。该项目设计十分灵活，由苹果公司提供Apple系列培训教材，选派Apple认证培训师讲授“苹果操作系统iOS开发”课程及苹果企业文化，并组织夏令营、冬令营及学科竞赛培训，培养了近100名具有创新创业精神的学生。

中心利用学校沿街的26间工作室，向在校生提供创业办公场地，并配备办公桌椅、电脑、空调、光纤网络、文件柜等基本办公设施，中心重点扶持人工智能、移动互联、大数据应用与服务、智慧健康服务、遥感测绘、智能通信、融资众筹等富有高科技含量的创业实体。同时借鉴企业化运行机制，引进专业管理公司，提供营业执照、税务、卫生许可证、经营许可证、财务、法律等援助服务，满足了不同创业者的个性化需求。截至2018年11月，中心已接受20多个学生创业实体入驻。

2.2.8 其他实践教学平台

中心与动力与机械学院共建了“能源动力工程装备实验室”，与动力与机械学院、水利水电学院、电气工程及自动化学院共建了“电力生产过程虚拟仿真实验室”。

2.3 跨学科的专兼职师资队伍

为保证9个实践教学平台的正常运转和23门课程的教学质量，靠传统的师资队伍管理模式是难以实现的。因此，中心利用综合性大学学科齐全的优势，聘请来自动力与机械学院、电子信息学院、电气与自动化学院、计算机学院、土木建筑工程学院、物理科学与技术学院、遥感信息工程学院、经济与管理学院、基础医学院的20余名兼职教师，保证课程的顺利实施。中心统一规划课程，定期考核评价兼职教师的教学质量并发放酬金。

由不同学院教师构成师资队伍，有利于整合校内资源，充分体现了中心跨学科的桥梁功能。中心成为“大工程”的合作场所。

2.4 质量保证体系

9个实践教学平台和23门课程实现了对全校本科生全天开放，所有课程均纳入本科生院的教学课程平台，以便学生选修。由于选修公共选修课程与工程认知课程的学生较多，排课分在3个学期中。

中心建立了较为完善的教学质量保证体系，陆续出台了20余项规章制度。

3 工程实践金课

3.1 创新与实践课程

该课程为全校通识课，是“三创”的启蒙式教育课程，重在创新方法与创造实践相结合，包括4个部分：讲授经典发明案例，介绍“奇思妙想”“灵感捕捉”及“发明方法”；创新作品制作训练；介绍专利基本法律常识、知识产权；介绍撰写专利申请文件和科技论文的基本方法。

该课程理论课时为20学时，课堂小组讨论16学时。课程给学生留出大量的思考题，要求学生课后投入足够的时间查阅资料、修改设计及撰写专利申请文件和科技论文。

课程考核方式为，提交1份专利申请文件，或撰写1篇科技论文，或设计制作1项创新作品，要求在1年时间内完成。

2009年以来，“创新与实践”课受到学生的欢迎，选课学生突破600人（来自我校20多个学院）。由于受教学条件所限，每次课程控制在150人以内，在3个学期均有开设。部分学生在完成课程后申请了专利或发表了有价值的科技论文。例如，动力与机械学院每年有学生申请专利100余项（其中发明专利5—8项），5%的学生以专利产品成立了科技创业公司。该课程是我校“三创”教育的一项成功案例。

3.2 动力工程装备技术实践课程

该课程是工程认知的主要课程，是将电力生产过程的前沿工程技术引入工程教育而重点建设的金课。教学目标是，使学生了解火电、水电、核电、风电及光伏电的生产方式和传输过程，以及主要设备、环境保护措施、经济效益、行业概况和安全用电知识等。教学模式则强调理论与实践、原理与应用相结合。以电的生产和传输为导向，指导学生了解发电工程的技术环境、技术流程、技术发展史和工程管理；重点指导学生理解不同发电装备结构上的差异，拓宽工程技术视野，提高综合素质。学生还可通过结构拆装和DIY实践，增强实践动手能力。教学内容共包含13个模块（见表2），学生可从中选择8~9个模块，共36学时。

表2 “动力工程装备技术实践”课程教学内容

该课程在1200 m2的“能源动力工程及装备综合实验室”进行。该实验室拥有多套电力生产系统实物、教学模型，配备“电力生产过程虚拟仿真”相关教学设备。2016年以来，该课程共开设3次，每次学生人数控制在30名左右（见表3）。

表3 “动力工程装备技术实践”选课学生分布

该课程的学生评教均为满分。从学生的评教中，我们发现该课程对于学生培养工程素养、拓宽工程技术视野、增强实践动手能力、提升实践技能均大有裨益。

也许是“清洁能源”的热门和全实验室授课的工程认知特点，该课程不仅吸引了理工科学生，也吸引了部分文学、哲学、艺术、外语、新闻、管理专业的学生（见表3），这反映了一部分文科学生对工程实践与训练的兴趣与需求，值得关注。

3.3 智能制造实训课程

该课程是工程综合的主要课程，也是我校瞄准工程技术前沿进行重点建设的金课。教学理念是，通过智能制造生产线，展示工业主流技术与国家战略性新兴产业发展需求，培养掌握先进科学技术的大工科复合型人才。教学模式为理论课+实验课+课程设计+创新实践。课程目标是，掌握智能制造系统概念，了解智能制造生产线结构原理和控制原理；了解生产线物流特征与设备管理；能初步运用虚拟仿真设计和加工、云端远程个性化定制和信息监控；能操作智能制造生产线总控、立体仓库、AGV自动导向小车、机器人上下料、数控车床、加工中心、高速铣雕加工中心、检测与监控（见表4）。

表4 “智能制造实训”教学内容与学时分配（共36学时）

2018年9—11月，近40名不同专业的学生选修“智能制造实训”课程，获得了良好的教学效果。

3.4 大学生机器人大赛

自2002年以来，我校每年派出1支队伍参加全国大学生机器人大赛。参赛准备由动力与机械学院和中心承担，每次遴选3、4名有机器人相关技术及科研和实际工程经历的教师担任指导。

参赛队员主要由机械、能动、材料、自动化、测控和光电、数学、物理、艺术等专业的学生组成。一般由大四学生担任队长角色，负责方案设计、组织管理、进度跟踪、事务统筹、学习交流；大三学生为骨干队员；大一大二学生主要是基础培训、参与作品调试等。

参赛队员分为3个小组。机械组负责机械设计、焊接、新材料、加工工艺、质量保证等；控制组负责电气、软件、图像处理；事务组负责后勤保障、学生事务、对外联络及宣传、财务等。针对机器人大赛实训还制定了作息制度、例会制度、研讨制度。

全体参赛学生可选修如下课程：历届竞赛机器人案例分析、机器人设计与制作、机器人部件结构设计、平面与三维设计、传感器技术与应用、电路板制作、集成电路设计、嵌入式系统开发、机器人总线控制原理等。

学校还制定了相关的奖励政策：（1）参赛学生可获得创新学分；（2）获得全国总决赛一等奖的学生具有免试推荐研究生的资格；（3）大四学生可以大赛项目作为毕业设计；（4）竞赛成绩作为指导教师年终考核、职称晋升的重要依据。

据不完全统计，近16年来，我校大学生机器人大赛共培训了心怀梦想、知识宽厚、能力全面的1800余名学生，其中1200余名获得了硕士、博士学位（其中45名在海外获得博士学位），43名创立了科技实业公司，180余名获得高校副教授职位。

4 结语

（1）所构建的“工程认知与工程基础实训”“工程技能与工程设计训练”“工程综合与科技创新创业实践”3个层次的工程训练实验教学体系，以及9个实践教学平台和23门课程，满足了我校人文、社科、理科、信息、工科、医学对“大工程”实训的基本需求，有力提升了学生的工程素养。

（2）“创新与实践”“动力工程装备技术实践”“智能制造实训”以及“大学生机器人大赛”等金课的建设，既能体现研究型大学的学术深度，又能发挥综合性大学的学科综合优势，大幅提升了创新创业教育质量。

[1] 顾征，王沛民.综合性大学的工程教育振兴（上）：以哈佛、耶鲁和普林斯顿为例[J].高等工程教育研究，2010(4): 43–55.

[2] 顾征，王沛民.综合性大学的工程教育振兴（下）：以哈佛、耶鲁和普林斯顿为例[J].高等工程教育研究，2010(5): 44–54.

[3] 宋健.发展中国的工程教育[J].清华大学教育研究，2000(1): 1–5.

[4] 朱高峰.面向21世纪的工程教育改革与发展[J].高等工程教育研究，2000(1): 3–8.

[5] 涂善东.全面工程教育的探索与实践[J].中国高等教育评估，2007(4): 29–32.

[6] 周玲，孙艳丽，马晓娜，等.上海高校学生工程素养调查报告[J].高等工程教育研究，2016(5): 106–111.

[7] 梁延德.我国高校工程训练中心的建设与发展[J].实验技术与管理，2013, 30(6): 6–8.

[8] 张国梁.研究型大学工程教育刍议[J].高等工程教育研究，2005(2): 16–17, 40.

[9] 王建伟.综合性大学工程训练中心建设模式与创新[J].实验技术与管理，2008, 25(5): 38–41.

[10] 朱瑞富，孙康宁，贺业建，等.综合性大学工程训练中心发展模式设计与实践[J].实验室研究与探索，2011, 30(4): 85–87, 99.

[11] 孙康宁，傅水根，梁延德，等.浅论工程实践教育中的问题、对策及通识教育属性[J].中国大学教学，2011(9): 17–20.

[12] 石端伟，巫世晶，彭卫平，等.综合性大学工程训练模块式选课方案的创建[J].实验技术与管理，2016, 33(4): 8–11.

[13] 李建中，黄明东.武汉大学通识教育研究报告[M].武汉：武汉大学出版社，2018.

Research and application of engineering training and innovative practical teaching system in comprehensive universities

SHI Duanwei1,2, LIAO Dongmei1, WANG Zhonghua2, SONG Chongjie2, WANG Wei1, WANG Yanren1, CHEN Dong2

(1. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Student Engineering Training and Innovation Practice Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to meet the needs of engineering training and innovative practice in different specialties of comprehensive universities, three levels of teaching systems are constructed, i.e., engineering cognition and basic engineering training, engineering skills and engineering design training, and engineering synthesis and scientific and technological innovation and entrepreneurship practice. Nine practical teaching platforms are established, a full-time and part-time interdisciplinary teaching team is formed, and the quality assurance system is improved. The golden teaching courses such as “Innovation and practice”, “Power engineering equipment technology practice”, “Intelligent manufacturing practice” and “University robot competition” have been set up, and the results of practice teaching are remarkable.

comprehensive university; engineering training; innovation practice; teaching system; golden teaching course

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0201-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.049

2018-12-11

中国高校创新创业教育联盟2017年项目“综合性研究型大学工程训练与创新实践”

石端伟（1963—），男，湖北天门，博士，教授，博士生导师，研究方向为机械动力学、虚拟样机技术.E-mail: dwshi@whu.edu.cn