面向“新工科”“双一流”建设的工程训练系统性改革

马鹏举，邱玉婷，崔 剑，韩永鹏，郝继峰

（北京航空航天大学 工程训练中心，北京 100191）

1 当前工程训练状况分析

在互联网技术、人工智能技术、中国制造 2025的大背景下，“新工科”建设、“双一流”建设是学校教学建设的主旋律[1]。工程训练在此过程中如何跟上时代的步伐，发掘适合的教学内容、采用先进的教学理念、强化师资队伍建设，是教学组织和教学设计中亟待解决的关键问题。

我校工程训练在多年的实践中形成了机、电、控综合的递进式、层次化教学体系[2-3]（见图 1），每年完成70 万人时的教学工作总量，在国内高校工程训练领域享有“课程体系科学、教学内容丰富、教学组织有效”的盛誉，但是，面对“新工科”“双一流”建设的要求，优势与不足一样突出：

（1）“量大面广，人人动手”是其最大优点，此完整的教学体系保证了大部分学生享有工程训练教学资源的机会，支撑了“一个都不能少”的教学要求，需要毫不犹豫地坚持；

（2）金工实习被诟病为“技术落后，碎片化教学”，这里的技术落后主要是指教学内容、教学理念、教学的方式和方法，不能满足“新工科”“双一流”建设的要求，需要做出调整；

（3）支撑基础工程训练的技能型实践教学队伍建设举步维艰，是长期以来影响工程训练中心发展的最重要的因素[4]，已经关乎工程训练的存亡。

图1 北航工程训练课程体系

同样的问题在各高校不同程度地存在，特别是技能型实践教师队伍问题尤其突出。笔者最近对北京市几个工程训练中心的调研发现，师资奇缺问题已经使工程训练中心名存实亡，不乏几个人甚至只有 2、3个人的工程训练中心，教学秩序陷入混乱，课程内容支离破碎，原来金工实习的盛况不再，更看不到工程训练发展的未来。

新的一轮工程训练教学改革的序幕已经拉开，有的高校已经取得了阶段性的成果。清华大学基础工业中心对工程训练进行重构，基于“i”的内涵：“工业级（industry）”“学科交叉（interdisciplinary）”“国际化（international）”和以学生为主体（i），建立了清华交叉融合创客空间i.Center，并规定一年的固定日期为清华创客日，在一定程度上实现了教学模式和方法的转变[5-8]。基于工程训练中心实体教学单位的实践教学体系，是中国高等教育的特点，是在中国特有的教育体制、教育环境下产生和发展的，最早借鉴前苏联，改革开放后又转向学美欧。国外一流大学的实践性教学主要侧重于个性化、研究型教学，突出“学”的模式，多数都是项目驱动的兴趣小组[9-11]，没有与我们相接近的规模和范式可以照搬[12]。我校工程训练中心根据自己的教学特点，对工程训练中心建设的几个关键问题进行了探索和实践，取得了满意的效果，适合“新工科”和“双一流”建设对实践教学的要求，可行、可操作、可推广。

2 北航工程训练教学建设的指导思想与目标

（1）教学方式：实现“教与学的统一与转化”，即面向不同教学主体，提供多样化的教学方式，基本技能学习和能力培养以“教”为主导，个性化、创新性教学以“学”为主导，培养学生创新思维和工程实践能力。

（2）教学对象：在教学内容的设计上，实现量大面广教学与拔尖人才培养的统一，满足每个学生的学习需求和创新潜能的培养需求。

（3）教学内容：实现基础性教学与先进性教学在内容上的统一，建设以完整教学体系为基础的满足个性化需求的新的工程训练教学内容体系。

（4）教学改革的总体目标：建设以完整教学体系为基础的满足大多数学生需求的基础性教学，与挖掘学生创新潜质、适合拔尖人才培养的研究型、个性化教学新理念支持的教学相统一的工程训练体系，创建在全国具有引领和示范作用的一流工程训练中心。

3 北航工程训练教学改革的主要内容

近年来北航工程训练教学改革路线图如图2 所示。

3.1 师资队伍建设

3.1.1 通过校企合作解决技能型教师紧缺问题

我校工程训练中心的师资队伍建设有喜有忧，可喜的是随着高学历教师不断充实实践教学队伍（目前工程训练中心有9 名博士和4 名硕士），为中心教学改革和采用新的教学理念、教学方式和方法创造了条件；堪忧的是技能型实践教师（主要是技术工人和以项目聘用方式引进的少量高职高专毕业生）受各种因素的影响人数持续下降，已经不能维持正常教学。因此师资队伍建设的重点在于技能型实践教学队伍建设，采取的主要措施是通过校企合作、引进社会力量。

校企合作模式多种多样，根本问题是双方要找到利益共同点，解决各自关心的问题，不断磨合，在联合中使双方利益最大化。在学校重大教改项目“分类分层次工程基础课程体系建设”支持下，以“北航—企业协同制造中心”模式进行了4 年的试验运行。工厂企业带着产品、工装、刀具及工程技术人员和技术工人进学校，利用中心的设备，与学校教师和实习学生合作完成产品全过程的现场生产与教学，学生在教师指导下读懂图纸，并参与工艺设计、数控程序设计、夹具和刀具选择（设计）、零件安装调整、加工操作、精度检验等完整的零件加工生产过程。所选择的产品多与航空航天相关，针对性较强，并随企业实际产品的变化而变化，原先“小榔头”产品一成不变的问题得到了彻底解决。学生的质量意识、管理意识、精度意识明显提升。因此，通过校企合作可以从根本上解决一线技能型教师紧缺的问题。按企业与学校协作协议规定，企业派往学校的工程师、技术工人仍归属企业，由企业招聘、解聘，由企业管理，学校仅需要根据双方协议提出要求，并负责在课前对学生进行技能和安全培训，严格执行教学大纲，进一步降低了学校的人事管理压力。

图2 北航工程训练教学改革路线图

这一创新性的教学改革如能在学校进一步的政策支持下固化下来，其可持续性将得到保证。这一面向大多数学生的基础工程训练内容和教学组织方式，将开创工程训练师资队伍建设的“北航模式”“北航方案”。

3.1.2 校企合作对师资队伍建设和提高教学资源利用率的作用

随着校企合作的实施，整个中心的教学资源满盘皆活，主要体现在以下方面。

（1）对于我校工程训练中心分阶段、分层次工程训练的课程设计（见图1），校企合作提高了设备的利用率，原先由于指导教师缺乏导致数控设备利用率严重不足的问题大大缓解。正在加工产品的机床为工程认识课程（第一层次教学）提供了丰富的教学内容，教师不再对着静止的机床设备空洞地讲解机床功能，尤其是有关加工中心类复杂机床的课程组织有序，学生兴趣大增。实际加工环境的建立，也为相关课程提供了具体、不重复的课程内容和教具。例如来自企业的真实产品加工结束后，都需要使用三坐标机等精密测量设备进行精度检测，而每天的测量对象几乎都不同。

（2）校企合作中，教师与工厂工程技术人员相互配合共同解决生产中的实际问题，有利于实习指导教师，特别是年轻教师技术和技能水平的迅速提高，满足教学与科研需求，有利于造就高水平的数控机床等高端设备的现场指导教师。

（3）近几年高校工程训练中心建设中，数以亿计的资金投放到了先进制造设备上，但普遍的问题是设备的利用率很低，甚至长期闲置不用，成了一种摆设。其中最主要的原因是成本，大设备加工大工件的材料成本高，高端设备的维修成本高，因此轻易不敢让学生操作。随着校企合作的展开，一些费用可由企业负担，学校的负担大大减轻，大大缓解了由于实习成本高而难以为继的困境，使先进加工设备能够得到有效利用，能够在工程训练中发挥更大的作用。

3.2 先进技术背景下基础工程训练教学内容改革

随着技术的不断发展，工程训练的教学设备和教学内容也发生了相应的变化。目前，国内多数工程训练中心在硬件水平上有了质的提升，特别是在本科生教学水平评估、实验示范中心建设等国家教学质量提升计划的牵引下，耗资以亿计大量引入电加工设备（特种加工设备）、测量测试设备，特别是数控加工设备已经具有相当的规模，促进了教学内容先进性的提升。但与硬件的更新速度相比，教学内涵的建设却相对滞后，如数控加工作为基础工程训练的一个重要内容，多年来的教学模式就是“设计简单零件—编写数控代码—数控机床加工”，其结果是学生对数控技术的实习只停留在表面，不能对数控技术有更深层次理解和掌握。

为此，工程训练中心在基础工程训练中以智能制造技术为突破口，首次将其引进金工实习，实现了金工实习内涵质的进步。其主要学习内容包括：

（1）数控加工过程中实时获取和输出加工过程中的主轴负载、伺服电机电流变化数据，了解电流传感器的应用，了解数控系统以太网输出数据原理等。

（2）粗加工过程中，主控智能控制加工过程切削用量的变化。系统自动获取机床主轴的负载数据，根据加工过程中设置的主轴或伺服电机负载的上下极限值，自动改变主轴和进给的倍率，使负载在加工过程中始终保持在规定的范围内，保护机床和刀具。

（3）精加工过程中，自动检测刀具磨损情况，并在刀具磨损达到极限时，主动报警并提醒操作人员及时更换刀具。学生可以通过监视器直观地观察主轴负载和伺服电机电流随刀具磨损的变化过程，并且通过改变输入的切削用量，观察主轴负载和电机电流的变化。

金工实习内涵得到提升后的意义主要体现在以下方面：

（1）通过对现有设备的智能化升级，引入先进的教学内容，使基础工程训练内容与先进技术发展同步；通过提升金工实习的技术含量，使学生直接感受先进技术的魅力。这种感受不是表面上的，是在对数控系统内部结构、原理和智能制造算法原理和实现技术的深入学习和深刻体会后得来的，使学生在受到启蒙的同时产生跃跃欲试的热情。

（2）由于实习项目一般是在中心科研团队科研成果的基础上，结合专业团队技术人员的工程化实现，将智能制造技术应用于工程实际的具体案例，因此项目的实施促进了教学与科研的结合，促进了科研成果的转化，提升了教师的科研和教学能力，促进了中心教学队伍的建设。

（3）目前，国内高校工程训练改革项目所采用的技术，无论是在工业应用上，还是在教学内容上，均属国内领先水平，因此通过教改项目的实施，有利于学校跻身全国先进制造技术示范的前列。

先进制造技术发展日新月异，本教学改革项目选择智能制造作为突破口，只是刚刚起步。可以预料，这将是教学改革的一个重要方向，会有越来越多其他先进技术不断在实践教学中得到展示和应用，使越来越多的学生受益，将一改人们对金工实习技术落后、教学方法陈旧的认识。

3.3 支撑研究型、个性化教学的实验平台建设

借助教学条件建设资金和“双一流”建设资金，建设了4 个实验室，即控制技术实验室、物联网与人工智能技术实验室、智能制造与现代航空工艺实验室、机器人实验室，与原有的“综合创新开放制造中心”共同组成支撑研究型、个性化教学的实验平台。其中，“综合创新开放制造中心”面向所有实验室，为项目产品制造提供支持，这里有专门的50 台各类加工设备（3D 打印、车床、铣床、电火花线切割等），配备免费原材料库、电子元器件库、常用工具库和刀具库，配有专门教师对加工过程予以指导，并进行安全管理和监督。该平台主要特点为：

（1）实行实验室导师负责制。每个实验室配备一名实验室负责人，一般具有博士学位，具有作为项目导师的资格，主要负责实验室建设和为实验室聘请项目导师，决定实验室的主要研究方向，并结合自己的科研方向选定项目。

（2）实验室的开放性。一是时间开放性，上课时间可在课上或课下、线上或线下，可由学生预约教师或由教师召集学生，不分节假日和周末，不分白天和晚上，采用一对一（组）形式，每组学生不超过5 人。二是项目开放性，实验室项目可由导师确定，也可由学生自己命题，并通过科学性、技术可行性审查。三是对外开放性，欢迎高水平院系教师加盟，欢迎校外导师参与。四是学生来源开放性，对所有北航本科生开放，可以是计划课程内的学生，可以是计划课程结束后自行进一步学习的学生，也可以是任何北航的学生。学生可以带着自己的项目，如“冯如杯”项目、大创项目，或任何自己感兴趣的项目，大一到大四学生均可。

3.4 导师制、研究型教学方法

通过基础工程训练阶段的学习，学生具有了一定的基本技能和理论知识（如工程制图、程序设计、力学、计算机原理、加工工艺学、工程材料），对于学有余力和拔尖学生采用导师制、研究型教学方法（如图3 所示），前述的研究型、个性化教学实验平台能够为此提供很好的支撑。

该教学方法包含了多种先进的教学理念和方式方法。

（1）个性化（personalized education）、导师制。进入平台的学生都有导师对其进行一对一的指导，可以对一个人一个项目，也可以对一个组一个项目（每组学生一般不超过5 人）。

（2）研究性（research-oriented education）。研究项目一般来源于导师的科研课题，在项目进行过程中，学生通过参加导师的课题研究，参与查阅文献、确定方案、仿真设计、现场实验验证、总结和撰写论文等科研全过程，综合能力明显提升。

图3 导师制、研究型教学方法

（3）具有创客（maker）模式的特点。体现在所依托平台的开放性上。学生怀着对科学研究的向往、超越兴趣的执着追求聚到一起，可以自己命题，突出“学”的教学理念，也可以由导师命题，最终的评价取决于项目的完成程度。实验室提供完成项目所需的条件，如导师指导及所需的设备、仪器、工具、原材料、元器件等。

（4）是 CDIO（conceive design implement operate）教学理念的完美体现。从图3 的教学组织过程来看，经历了从构思—设计—实现—应用的完整过程，且注重过程考核。

（5）体现以项目为牵引的 PBE（projects-based education）教学方法特质。由于最终目标是完成一个项目，因此又具有OBE（outcomes-based education）的特征。

先进的教学方法和教学理念，以研究型、个性化教学实验平台为支撑，在几年的运行过程中取得了丰硕的教学成果。学生在实验室将课堂上学到的理论知识与实际工程项目相结合，不仅使理论知识得到强化，而且学习了科学研究的基本技能，学会了控制系统、嵌入式等程序设计方法，基本掌握了用Matlab 进行复杂工程运算的方法，了解了利用 ANSYSDeformABAQUS 等大型有限元仿真软件进行结构模态分析、变形分析的方法。

4 结语

为了适应“新工科”和“双一流”建设需求，现行的工程训练内容、教学方式方法、与之相配套的实验室建设都应作出调整，其中技能型师资队伍建设是多年来影响工程训练发展和进一步教学改革最为关键和突出的问题。本文提出了适应教育发展方向且可行、可操作、可推广的校企合作模式。通过个性化、研究型、开放性教学实验室建设，以及由其支撑的教学理念、教学方式方法的系统性改革，并与多年形成的机、电、控综合的递进式、层次化教学体系相结合，既实现了“量大面广、人人动手”的基础工程训练的教学目的，又能满足学有余力学生和拔尖创新人才的培养需求。