高校虚实结合的工程认知教育平台建设与实践

马傲玲 彭晓雷 张猛持 陈云 刘翼民

[摘           要]  随着“大工程观”和“新工科”的提出，高校工程认知平台的建设为学生提供了一个工程文化普及和工程教育的平台，对培养具有实践型、创新型、综合型人才及促进学科交叉融合教育具有积极的推动作用。以厦门理工学院的工程认知平台为例，在建设内容上对实体和虚拟平台中的工程与工程意识馆、机械工程馆、光电工程馆、材料工程馆、车辆工程馆等18个模块进行介绍，从开放实践、经费保障、展品来源、教育模式和管理机制5个方面进行运行模式的介绍和虚实结合的工程认知教育探索，总结该教育平台的建成对工程教学及对学校工程文化建设的成效，最后，对虚实结合的教育平台建设及推广、加强工程认知教育方面提出建议。

[关    键   词]  虚实结合;工程文化;工程认知;虚拟仿真;建设;实践;教育探索

[中图分类号]  G647             [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2020）44-0098-03

随着“德国工业4.0”与“中国制造2025”的相继提出，当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，我国经济发展进入新常态，高等工程教育也掀起了新一轮改革[1-2]。大多学者认为“大工程观”教育培养的现代工程师应该具有工程实践能力、多学科综合知识背景及多方面能力、职业道德及社会责任感[3-4]。随着2017年“新工科”概念的提出，高等工程教育步入新阶段，新工科必须以学生为本，其核心是学科交叉[5]。新工科人才的培养是“科学+人文+工程+其他”，依托大类通识教育，培养复合型、综合性的人才[6-7]。2018年5月5日在北京召开的“2018全国高校新工科工程认知教育资源建设与产学合作论坛”，决定成立“工程与科学认知教育工作组”和“应用型高校工程认知教学工作组”，推动工程教育的改革与发展。论坛中专家认为高等工程教育的起点是在大学一年级，这个阶段是启发“工程思维”与“创新思维”的重要时期，有利于培养学生的专业兴趣和自学能力，建立终身学习和团队合作的意识，为未来发展打下更为坚实的基础[8]。

一、虚实结合工程认知教学平台建设的意义

工程不等同于技术（或科技），工程需要将技术和科技运用到社会实践中，它是实践后的产物，不可避免地与人、社会、环境等产生关联，是科学技术、艺术、经管理论等有机结合的产物。工程认知不是一门课就可以完成的，应该通过动手尝试，建立起模糊的经验图景，在未来几年的大学生活中逐步建立工程与技术、工程与社会、工程师的使命与文化等各种各样的认知，逐步在学习实践中加深认识。厦门理工学院建立的工程认知教育平台与这些理念不谋而合。

厦门理工学院定位为应用型本科高校，致力于应用型、创新性人才培养，学生的实践能力和创新能力至关重要。厦门理工学院自2012年开始实行全员工训，在校理、工、文、艺、经管类学生均需参加工程训练，提高综合素质和实践动手能力。现代工程训练中心作为校内最大的实践教育基地，承担全校的工程训练教学任务及部分教师的科研加工任务。工程知识与文化的学习能帮助学生对所接受的实操项目及相应的学科及工程有一定的了解，提高认知水平并引导其深入思考。学校从培养工程科技人才的目标出发，结合学校实际，率先在省内高校建成首个工程认知与工程文化馆。工程认知与工程文化馆是在学科支撑的基础上建设而成的，各展区是学校相关专业学科建设、教学内容和科研成果的陈列厅，是学校工程文化的缩影，集中体现出校园文化，师生置身其中会不自觉地被这种浓郁的氛围所感染，在潜移默化中受到教育。

二、虚实结合工程认知平台建设的实践

（一）建设内容

厦门理工学院综合考虑工程训练的实际及虚拟仿真技术在现代工程教育教学中的优势建设了工程认知平台，平台由实体展馆和虚拟展馆组成，实体展馆包含主展馆和延伸区，实体展馆自2013年开始筹建，自2017年9月正式对外开放;虚拟展馆自2018年开始筹建，2020年实现对外开放。

实体展馆分主展馆和延伸区，总面积约1200平方米，主场馆主要用于工程文化和工程科技认知，延伸区则用于实操体验。实体主展馆包含工程与工程意识展区、机械工程展区、光电工程展区、材料工程展区、车辆工程展区、轨道交通沙盘共6部分，主要以图片、文字、视频资料、模型等进行内容展出。延伸区包含3D打印体验区、激光雕刻与切割体验区、柔性制造体验区、工业机器人体验区、VR体验区共5个模块，主要用于学习者进行现场实操体验。

虛拟平台在主体展馆的基础上增加了建筑工程馆和航天馆，共7个模块。虚拟平台采用虚拟现实智能动画技术，能实现虚拟实验操作，能够智能判断用户在3D场景中的任何操作，并做出实时的智能反应，在实体展馆的基础上有多处创新如下：（1）运用现代科技通过闯关学习方式增加学习的趣味性、互动性;（2）对部分展出内容进行三维建模，动画模拟，配以图文或者音、视频介绍增加知识点的深度和广度;（3）学习者可打破时间和空间的限制，在互联网的帮助下通过手机、电脑可随时随地登录虚拟平台进行学习;（4）系统提供二次编辑功能，教师可以自主更新展品，实现场馆的可持续性发展;（5）支持AR功能拓展，可通过手机等终端设备扫描设备或实验的图片，自动呈现出相应的三维仿真实验动画，进行学习。

1.工程与工程意识展区

实体展馆中工程与工程意识馆和序厅融为一体，主要介绍工程的概念及各行业典型工程、创新与工程、工程伦理、7S管理。通过图片及工程浮雕场景模拟告诫广大受众，工程能给人类带来美好，也会导致巨大的灾难，工程师需要创新的意识、扎实的理论、工匠的精神、规范的行为，更需要高尚的职业道德。通过学习，学习者形成正确和较完整清晰的工程整体意识并与单一的工程科技区分开来。虚拟展厅在此基础上增加生动形象的动画、视频等进行更多的案例介绍，学习过程中会自动弹出对应的相关知识题目来测试学生的知识掌握程度，如果学生选择结果正确，则继续往下观看学习;如选择结果错误，则案例自动关闭，学生需再从头观看学习。此部分展区包含工程对可持续发展和社会环境的重大影响以及工程伦理与职业道德。

2.机械工程展区

实体展馆中以时间长廊的形式介绍从石器时代到机电一体化时代的机械发展史，并展望未来机械，展示常见机械加工方式、机加工工具和机加工作品、学生工程训练竞赛作品以及现代化智能化生产方式。虚拟展馆在实体馆的基础上增加了部分机械结构的三维动态模拟、工具库、机械加工视频、部分机械加工模拟操作及机械工程的社会效用补充，对实体展馆进行更加深入和专业的扩展，解决了实体展馆的空间不足问题。围绕某一个工程案例发展，例如蒸汽机的发展历程，把其过程中涉及的“故事”在纵向上进行深入挖掘、在横向上扩大知识范围。通过“三维+动画+图片+文字”的形式把其过程整体、立体地呈现出来。虚实结合的机械工程展让来访者对机械工程及其包含的科技及社会效应形成比较清晰的认知。

3.光电工程展区

实体展馆中以照明灯具演化史為依托展示光电文化及历史，以光信息的存储和光纤通讯为主介绍光科技的应用，以LED和现代照明技术介绍现代光电产业，以激光加工介绍光在现代加工技术中的应用。虚拟光电馆中将光的工作原理进行了更加细致和立体的动态模拟，可以让我们更加准确地认知光及其使用原理，增加电气器件展柜、激光雕刻机三维模型，展示电气器件和激光雕刻机的三维结构。

4.材料工程馆

介绍从石器时代到现代材料的发展历史;对常见材料如有机高分子材料、金属材料、非金属材料进行大量的标本展出;材料制备展区主要以图片形式展示从沙子到CPU的制作过程和粉末冶金材料的制备;用图片和实体标本展出新型材料如超导材料、纳米材料及记忆合金材料的使用范围及适用行业。虚拟展馆中用大量三维动画展示不同时期的材料制作过程，三维模型展示新材料如纳米材料、超导材料、智能材料、复合材料，让学习者更轻松地了解材料的发展历史及材料发展新趋势。

5.车辆工程馆

实体展馆展出世界汽车发展史、中国汽车发展史及汽车品牌，以“别克”普通家用汽车的半解剖结构及汽车主要零部件的半解剖对汽车结构进行细致分析。厦门理工学院的Amoy赛车俱乐部是学校的一张名片，这里展示了赛车俱乐部的发展历史、竞赛成果、学生制作赛车的过程以及学生赛车实体展示。

6.实景体验区（VR、3D打印、激光雕刻与切割、柔性生产线、工业机器人体验区）

实景体验区为学习者亲自动手操作体验场所，柔性生产线和工业机器人为校企合作项目，均可同时容纳15人进行操作体验，3D打印体验区可同时容纳30人建模打印，激光雕刻与切割体验区可同时容纳10人上机操作，VR体验区可进行整个工程训练中心所有加工场所的场景漫游和模拟操作，可同时容纳3人同时进行操作体验。

7.新增虚拟展馆（建筑工程馆、航天馆）

虚拟的建筑工程馆中展示各种有名的公共建筑和民用建筑的三维结构，如金字塔、孔庙、王家大院等，学习者可通过点击（选择）图片或名称的方式进行切换观看。虚拟航天馆以虚拟三维宇宙星空为背景展示各类航天设备三维模型，如神舟飞船系列、航天飞机、火箭等。

（二）虚实结合工程认知平台的运营

厦门理工学院的工程认知平台由厦门理工学院教务处负责指导和监督，现代工程训练中心负责日常管理和运营工作，专业的设计施工单位负责建设，现代工程训练中心和学校信息中心协作进行虚拟展馆的系统维护及软件安全工作。

1.平台建设

实体展馆的展出内容是结合学校学科建设、校园文化建设，由现代工程训练中心全体教师编写，各学科专业负责人从旁协助指导完成，展示方式的设计和施工分别招标并由不同的中标单位完成;虚拟平台的建设是在实体展馆的基础上结合学科特色经专家论证后由专业的虚拟仿真教育软件制作公司中标完成。

2.开放情况

厦门理工学院工程认知教育平台实行免费开放。实体展馆开放时间为周一至周日上午8：20-11：40，下午2：20-5：00，上课期间校内学生按照班级课表进入学习，其他时间对校内外人员的开放采取预约开放，一般通过电话或者QQ等方式提前3天预约即可。虚拟展馆为24小时线上开放。

3.经费保障

工程认知平台属于学校全额出资的公益性教育平台，实体展馆和虚拟展馆是由国家财政专项经费投资建设。持续建设和后期运营经费由厦门市财政和教育部出资，厦门市科普基地会按照对外接待情况给予一定的资金补助。

4.展品来源

展馆内的展品基本来源于五种渠道：对外采购、教师制作、学生课内作品、学生学科竞赛作品、合作企业捐赠。

5.教育方式

工程认知平台的参观学习交流对象有大中小学生、教师、企业人员、社区群众，全部免费对外开放。有三种教育模式：（1）校内外人员登录虚拟展馆进行线上参观学习和交流;（2）教师按照课程安排根据学生们的专业需求及学习情况开展实地教学;（3）由讲解员结合各个展厅的特点和展品内容等对参观者进行工程文化介绍和工程知识的普及。

6.管理机制

工程认知平台由现代工程训练中心安排专职教师进行日常管理、运营维护。现代工程训练中心组建30人的教师团队作为该平台的指导教师对参观者进行专业知识的指导。同时，组建一支大约15人的大学志愿者团队经过系统培训和考核后在实体展馆中开展义务讲解和志愿服务。专业教师负责虚拟平台运行，完成系统维护、学习情况统计、线上答疑、各方反馈信息收集等工作。

（三）工作成效

通过工程教育文化建设激发教育者与未来工程师群体的质量意识与职业责任，从而将工程文化内涵内化为自身的价值追求与职业准则，以有效推进工程教育内涵式高质量发展。

该教育平台充分发挥学校服务社会的职能，让来自校外的参观者接受工程文化和工程认知教育。工程认知与工程文化实体馆开放2年多来，累计接待校内外参观者超过20000人次，接待校外师生参观交流团体70多批次。2018年10月，“工程认知与工程文化馆”成为厦门市科普教育基地，免费接待中小学生学习体验超500人次。虚拟展馆自建成以来，接待校内外访客1500余人次。

三、结语

虚拟展馆和实体展馆的建设实现了优势互补：实体展馆提供现实接触，直观认知，实操体验;虚拟展馆不仅解决了时间和空间的限制问题，达到与时俱进、降低建设成本、扩大教育对象的目的。虚实结合的工程认知平台建设应该紧跟学校人才培养目标，与时俱进;虚实结合的工程认知的教育方式需要进一步探索，以转变传统的教学模式，充分利用平台资源，做好课内外结合，切实提升人才培养质量。

参考文献：

[1]张安富，刘超.“中国制造2025”背景下的新工科构建[J].中国大学教学，2017（9）：21-23，33.

[2]《中国制造2025》与工程技术人才培养研究课题组.《中国制造2025》与工程技术人才培养[J].高等工程教育研究，2015（6）：6-10.

[3]居里锴，徐建成.“大工程观”下工程实践教学改革的探索与实践[J].中国大学教学，2013（10）：68-70.

[4]王雪峰，曹荣.大工程观与高等工程教育改革[J].高等工程教育研究，2006（4）：19-23.

[5]王庆环.“新工科”新在哪儿[N].光明日报，2017-04-03.

[6]徐晓飞，沈毅.新工科模式与创新人才培养探索与实践[J].高等工程教育研究，2020（2）：19-26.

[7]费翔.新工科建设背景下高校工程人才培养刍论[J].教育评论，2017（12）：17-22.

[8]邓博文.高校新工科工程认知教育论坛召开[N].中国教育报，2018-05-19.

◎编辑 赵瑞峰