面向工程能力培养的机电交叉创新实践平台构建

张育林 栗茂林 崔琦 黄宝娟 王娜

摘  要  针对目前工程教育人才综合实践能力欠缺的问题，结合实践教学中心（工程坊）内涵化建设，进一步深化本科生实践教学改革，建设机电交叉的创新实践平台，一方面在基础层面针对工科本科生开展机电交叉的实践教学，另一方面面向机电类科技/学科竞赛，构建完善的实践培训及管理体系，培养具有实践能力、综合能力、创新能力的机电类工程人才。

关键词  工程教育;实践教学中心;机电交叉;工程能力;科技竞赛;创新实践平台;创新创业教育

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0001-06

Construction of Electromechanical Comprehensive Innovative Practical Platform for Engineering Ability Training//

ZHANG Yulin， LI Maolin， CUI Qi， HUANG Baojuan， WANG

Na

Abstract  Combined with the connotative construction of

Practical Education Center （Engineering Workshop）， further deepen the reform of undergraduate practice teaching， strive to build a electromechanical comprehensive innovative prac-

tical platform for solve the problems of lack of comprehen-sive practical ability of engineering talents. On the one hand， carry out the basic electromechanical practice teaching acti-vities for engineering undergraduates; on the other hand， con-

struct a system of practice training and management for elec-

tromechanical science and technology competitions or discip-

line competitions. To cultivate mechanical and electrical engi-

neering undergraduates with practical ability， comprehensive ability and innovative ability.

Key words  engineering education; practical education cen-ter; electromechanical; engineering ability; science and tech-

nology competition; innovative practical platform; innova-tion and entrepreneurship education

0  前言

目前，工程教育存在工科教育理科化、工程人才綜合实践能力缺乏、工科教育核心能力定位不明确、所学知识技能与社会发展和产业需求不完全契合等问题，基于新工科建设理念，高等学校的实践育人工作需要深入推进开展[1-3]。结合西安交通大学大类招生的培养计划，配合实践教学中心（工程坊）的内涵化建设，进一步深化本科生实践教学改革，在实践教学中心（工程坊）建设一个机电交叉的创新实践平台，可以更好地利用校内各项资源，营造创意、创新和创业氛围，培养和提升学生的创新精神、创业意识和创新创业能力，以社会需求为导向，培养适应甚至引领未来工程需求的机电类工程人才。

西安交通大学实践教学中心（工程坊）近年来指导学生参加全国大学生机械创新设计大赛、ROBOCON机器人大赛、RoboCup机器人大赛、工程训练综合竞赛等各类科技创新类大赛，取得很好的成绩。构建机电交叉创新实践平台，可以更好地发挥已有优势，面向机电类科技/学科竞赛，构建完善的实践培训及管理体系，指导更多学生积极参与相关竞赛，力争取得更好的竞赛成绩。机电交叉创新实践教学平台是一个满足学生综合实践和参与竞赛活动的物理空间，并配备相应设备、工具和材料等，给参与竞赛的学生提供一个活动场所，助力他们取得优异的成绩。

1  平台建设目标

机电交叉创新实践平台旨在推动工程教育改革，建立与学校学生大类培养相适应的机电综合实践平台，实现从学科导向转化为以产业需求、竞赛需求、创新创业为导向，从专业分割转化为跨界交叉融合，打造工程教育开放融合的新动态，培养学生的综合实践能力与创新能力，将人才培养与专业优势相结合，将创新创业与课程改革相结合，致力于培养兼具科学知识、基本技能和创新能力的机电复合人才。

依托机电交叉创新实践平台，将充分利用和整合现有各类资源，并添置一些设备和仪器，一是要对现有的机电相关课内外实践教学进行扩充和改革，进一步加强低年级学生尤其是工科学生的机电相关实践技能和综合能力的培训，为学生后续参与机电相关实践活动打下坚实基础;二是要与项目活动队结合，利用机电平台资源，组织更多的学生参加机电相关的各类竞赛活动，建立可持续发展的学生和师资竞赛梯队，争取更好的竞赛成绩;三是要与成果孵化机构联合，挖掘可孵化的研究成果，鼓励更多学生实现创新创业。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

创新平台构建四个子平台：基础技能培训平

台、综合项目与实践训练平台、竞赛项目实践平台和产品孵化创业平台。如图1所示，各个子平台分别以大创项目、学生竞赛、课程设计、CDIO为目标驱动，开展以项目和竞赛驱动的多层次实践教学活动，相互协调与配合，逐层次培养学生的各项能力：机电类基础实践技能→机电综合实践技能→机电综合应用于科技竞赛能力→机电创新作品创业能力。

2  平台建设方案

平台定位是通过实践教育、创新创业教育，项目指导、竞赛指导，充分利用校内资源，联合学院与企业以竞赛为目标的工程化创新平台。依托机电交叉创新平台，在实践教育、创新创业教育目标和教学方案的基础上，面向多学科（机械、电气、能动等）联合组织实施实践教育、创新创业教育过程，包括联合开展实验、实习、毕业设计、实训、竞赛等实践环节的基本技能培养，提高学生的专业技能和科研能力，以及联合训练学生综合技能，培养学生创新意识。

在进行实践、创新创业教育过程中，力争围绕学科（机械、电气、能动等）的科研优势，经过实践、创新创业教育，激发和升华学生在创新创业方面的综合技能、意识和精神，让科技竞赛成为学生实现创新想法的舞台。另外，在一些具有产学研结合优势的方向上发力，鼓励学生实现创业。

平台建设包括创新实践体系构建、软硬件平台建设、平台管理系统建立、实践教学活动建设和实践教学团队建设等内容。软硬件平台构建又包括平台方案确定、资源整合以及新设备采购等。实践教学活动建设包括实践教学内容建设和教学模式改革创新等。

2.1  创新教学实践体系构建

改革传统实践教学环节，建立实践教育培养的目标，制定与之相符的教学方案。在基本技能、专业技能、综合技能的培养过程中，充分利用校内资源，联合学院优势制定教育目标和教学方案，重点内容如下。

1）围绕工程教育的基本要求，满足企业的工程需求，制定相应的基本技能、专业技能、综合技能的培养目标。

2）合理配置符合工程实践认知规律的课程体系，深度参与教学方案的制定，兼顾通识实践与工程实战、理论研究与工程分析、科学研究与创新创业三方面能力的培养。

3）一方面进一步整合实验资源，充分利用现有资源建设高校基础实验平台;另一方面还要加强产学研合作，拓展专业实验实践平台。

2.2  创新平台软硬件建设

平台软硬件构建内容主要包括现有资源整合、新设备采购、场地规划布置等工作。整合现有资源，统计现有机床和设备数量。中心现有普通车床32台，普通铣床八台、钳工工作台10个，数控车床20台，数控铣床四台，加工中心六台，电火花线切割机床九台，激光切割机四台，激光标刻机一台，水切割机床一台，雕铣机一台，以及3D打印机50余台。精密测量仪器有影像测量仪一台，粗糙度测量仪两台，3D扫描仪一台。中心有专门的计算机机房，配套安装有常用三维造型软件SolidWorks、

CAXA和后处理软件MasterCAM，为数控设备和3D打印设备的运行提供了必要的软件支持。

另外，中心用于教學的测控类设备主要有示波器、数字信号发生器、直流稳压电源、力测量系统、温度测量控制系统、电梯控制系统、开关量/模拟量控制模拟系统等，都可以作为实践教学资源实现共享。

相应的教材、课件资料、实验指导书作为实践教学的一部分共享资源使用，同时在机电平台运行过程中选取典型实践项目作为创新实践的案例进行剖析和总结，为其他项目的开展提供参考。

在充分利用和整合现有各类资源基础上，考虑到各类比赛加工制作时间紧，与现有资源所承担的课程相冲突的情况，构建一个满足学生综合实践和参与竞赛活动的专门的物理空间，并配备相应设备、工具和材料等，给参与竞赛的学生提供一个作品制作的场所。场地方面，规划一个200 m2的物理空间，用于机电交叉创新实践平台建设。设备方面，根据需求，购入专门服务于活动队学生加工使用的数控机床（数控车床、数控铣床、雕铣机、钻床）和通用仪器设备（示波器、电源、万用表）等，还需为三维设计配置相应的工作站。材料方面，针对机电平台综合项目中的运动平台搭建与控制项目选取应用广泛的机械结构和传动系统，购置运动平台组件，包含机械构件、单片机、Arduino等控制器，还有直流电机、步进电机以及驱动器等。针对全国大学生机械创新设计大赛以及学生创新能力的培养，购置慧鱼零件，改善硬件条件，主要购置多自由度机械手、多传感器避障小车等功能组合系统，齿轮、凸轮、连杆、齿条以及传感器等近百种基础零件。另外，为学生培训和比赛用准备一定的加工材料，配置一定数量的装配工具及测量工具。

2.3  创新平台管理系统构建

如图2所示，针对创新教学平台，建立相应的创新平台管理系统与网页系统，设置实践课程培训管理、实践课程考核评价、共享资源管理、竞赛管理以及通知发布等功能，方便学生了解实践教学活动最新动态、评价考核结果、资源情况、实践课程报名学习、竞赛相关信息公布等信息，也能进一步实现教学多媒体化、资源共享化、信息公开化、管理自动化。

2.3.1  建立实践教学信息化管理系统  为提高教学信息化管理水平，充分发挥实验教学资源的共享作用和实验教学成果的辐射推广作用，构建实践教学网络平台，用于发布实践教学内容、报名及具体安排，方便学生选择适合自己的实践培训内容。

围绕基础技能培训、综合技能培训以及项目和竞赛实战指导三个层次的教学实践体系，结合工程教育培养标准，还需要建立实践教学质量保障体系。实践教学的质量与实践教学的各个环节紧密相关，需要从教学理念、教学体系、教学内容、教学方法和教学手段等方面形成质量保证体系，建立“制度建设为前提，领导重视为保障，内容改革为核心，学生评教为基础，竞赛成绩为主导”的实践教学质量保证体系。制定《实践教学管理办法》《实践教师工作职责》以及《学生实践考核办法》等一系列制度办法。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

成立由中心领导、校内外资深的实践教学与科研突出的教授和专家组成的指导委员会，负责实验课程教学大纲、实验课程内容和实验项目审定等工作，充分发挥其对实验教学的决策和对示范中心的引导作用。制定一定的竞争、激励和约束机制，表彰、奖励认真工作的好教师，鼓励科研经验丰富的教师从事实验教学研究工作，投身实验教学改革，创造教学成果。

2.3.2  建立资源共享管理系统  针对中心现有的资源，进行管理和调配使用，最大限度发挥设备和仪器的作用。制定《实践中心机房管理条例》《实践中心设备使用条例》等规章制度，建立资源共享管理网站，把整合好的资源包括实践教学资源、仪器设备、实验室等加以有机组合和信息化管理，实现实践教学工作的现代化、开放化、高效化和资源共享。通过网站构建、管理制度逐步完善、实验教学资源逐步充实、仪器设备逐步更新等，更好地保障实践教学资源的共享管理。

2.3.3  建立竞赛管理系统  競赛管理系统包括竞赛相关信息发布、竞赛报名、竞赛结果及竞赛奖励等信息，鼓励学生积极参与实践培训活动，积极参加科技竞赛，并对获得竞赛奖励的学生给予一定的奖励，吸引更多的学生参与其中。

2.4  创新平台实践教学活动建设

国外大学基于工程项目的成功工程教育典范，启示人们在工程人才培养中通过项目建立起工程教育与实际工程之间的紧密联系，在实践教学平台上开展四层次的实践教学活动。

第一层次是针对零基础、实践活动经历很少的低年级学生在较大面积范围内进行机电相关基本技能的实践培训，使学生熟练掌握基础技能，起到引导学生入门、激发学生兴趣的作用，为学生后续的实践活动打基础。

第二层次是针对已掌握一定基本技能的中低年级学生进行综合应用能力培养，使学生通过综合项目实践活动掌握综合实践技能和一定的开发能力。

第三层次是对参加竞赛的学生进行一定的培训和指导，积极组织学生参加各类相关科技竞赛，培养学生的创新精神和创新能力。

第四层次是对竞赛或项目的作品进行进一步开发孵化，鼓励学生实现创新和创业。

2.5  创新平台实践教学团队建设

开设的实践培训课程主要由中心现有的教师、工程技术人员承担，还要邀请学院的教师和企业技术人员进行相应指导，形成一定规模的指导团队。为了加强实践教学队伍建设，需要强化与行业企业的合作交流，不断提高教师队伍的工程化水平，定期组织教师进行研讨和交流学习，组织相关教师去其他高校或者单位学习调研，定期组织开会研讨;还要围绕课程团队建设引入竞争机制，形成结构科学和可持续发展的实践教学队伍体系。

3  基于创新平台的实践教学活动建设

3.1  四层次实践教学体系建设

贯彻“交叉、融合、开放”的教学理念，重组基础、综合交叉，系统构建如图3所示的由基础实践、综合实践到科技竞赛相结合的实践教学体系，突出课内和课外相结合，培养理论基础宽厚、学科知识先进、具有国际视野、能实现工程应用和解决实际问题的学生。

第一层次：基础技能培训  第一层次以机电控制类基础技能培训为主，针对零基础、实践活动经历很少的低年级学生在较大范围内进行机电相关基本技能的实践培训，使学生掌握机械设计基础知识、加工工艺与制造技术、测控基本方法，培养工程素养，夯实基础，引导和吸纳更多具备一定能力和创新愿望的学生进入更高层次项目及竞赛中。基础技能培训分为三个平台模块，分别是机械制作基础模块、机械设计与加工制造工艺模块、测控技术基础模块，如图4所示。

基础层次的培训主要利用课内的金工实习和测控实习课程以及开放实验课程进行，由课程负责人牵头完成。课程设计上向竞赛倾斜，着重于机械创新大赛与综合能力大赛相关的实践指导。

第二层次：综合项目实践  第二层次以第一层次为基础，针对已掌握一定基本技能的中低年级学生进行综合应用能力的培养，构建面向竞赛和综合项目需求的训练内容，使学生通过较为综合的机械、机电项目培养机电设计与实践能力，引导学生参加学科、科技竞赛，目标是为工程坊机电类项目活动队输送优秀队员。综合项目实践平台包含三个平台模块，分别是设计与仿真模块、机电结构搭建实践模块、机电系统综合实践模块，如图5所示。

第二层次的综合项目实践主要以开放实验课程、选修课等形式开展。综合培训层的实践教学内容应符合竞赛方向，服务竞赛;同时具有一定的学生受益面，一定程度上能支持各个活动队建设。开放实验课程、选修课以教师为主体，实行任课教师负责制。基于机电交叉创新平台开设的开放实验课程、选修课程主题应围绕机械设计竞赛方向开设。

构建面向部分综合项目与竞赛的可以复用实践区，将三维设计与有限元、设计与表达、机器人搭建与控制、通用运动平台搭建与控制等综合实践项目规划在此区域，区域内设置实践区、货架、调试区。

第三层次：竞赛项目实践  大学生学科、科技竞赛已经成为深化高校创新创业教育改革的重要载体，是促进大学生全面发展的重要平台，是推动产学研用结合的关键纽带，是高素质人才培养的一条有效途径。科技竞赛是整合课内外实践教育教学的重要环节，是培养学生创新精神的重要抓手。

第三层次依托于学科，并以科技竞赛和大创项目为驱动，培养学生机电综合设计与实践创新能力，通过项目指导和项目筛选，鼓励更多的学生参与科技竞赛，培养机电综合能力、创新能力、人文精神、项目管理能力、团队协作能力等综合素养，最终形成“坚持学科竞赛为牵引、创新平台为支撑，实现以赛促学、以赛促研、以赛促建、以赛促新”的创新型人才培养新模式。

第三层次的竞赛项目实践中，有的项目是以活动队团队的形式参加省级和全国竞赛，如ROBOCON机器人大赛、节能车竞赛、RoboCup机器人大赛等，以指导教师和队长作为负责人，负责项目日常管理、方案把关、进度掌控等，同时对参赛队员的人身安全负责;对于其他竞赛和大创项目，通常3～5人一组自由报名，各参赛组指导教师和组长履行相应职责。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97

第四层次：创业能力的培养与创新作品孵化  引导和激励高校学生弘扬时代精神，将所学知识与经济社会发展紧密结合，加强校企合作。并以第三层次的一些优秀作品为基础，以“互联网+”、挑战杯为切入点，鼓励学生参加各类创业类竞赛，以培养和提高创新、创意、创造、创业的意识和能力，促进高校学生就业创业教育、创业实践活动的蓬勃开展，发现和培养一批具有创新思维和创业潜力的优秀人才，推动大众创业、万众创新。进行校企合作，与相关机电类公司共建联合培养实验室，探索校企合作方案，不断细化与完善联合培养模式与方案。

3.2  实践内容與教学方式改革

四层次实践内容并不是一成不变的，是需要不断更新升级的。组织中心教师、实验技术人员与学院科研经验丰富的教师联合，不断将教师的优秀科研成果、合作单位真实项目、学生竞赛获奖作品加以转化，形成特色实验项目，从而为学生实训、科技竞赛、创业实践源源不断地注入更新优质的实践教学资源。例如：将大学生工程训练综合能力大赛的赛题“无碳小车”转化为实践教学项目，将机械创新大赛的赛题“果蔬采摘机”转化为实践教学综合项目，开设相应的综合项目培训课程，极大地丰富和充实实践教学资源，也体现实践资源的实时性。

同时，实践内容培训的模式也需要不断更新改革，不断挖掘适合学生进行科研实践的方法，更有利于学生参与科技竞赛。

4  创新实践平台的成果

创新实践平台构建以来，学生的工程实践能力和创新能力得以有效提升。以平台为载体，共支撑大学生创新训练项目25项;在第九届全国大学生机械创新设计大赛中荣获全国一等奖七项、二等奖两项，在第三届中国高校智能机器人大赛中荣获全国二等奖两项，在2020年中国机器人大赛中荣获全国一等奖两项、二等奖四项;工程训练综合能力竞赛、研究生机器人大赛等各类竞赛获奖30余项;优秀的创新作品授权发明专利五项，申请发明专利六项。在各类实践活动和比赛中，学生创新创业能力得到有效提高，指导教师在实践教学过程中也不断提高了教学能力和业务水平。

5  结束语

针对新时代背景下国家、行业、产业及社会对高素质人才的发展需求，构建面向工程能力培养和科技竞赛的分层次、渐进式机电交叉创新实践教学平台，推动工程教育改革，实现从学科导向转化为以产业需求、竞赛需求、创新创业为导向，培养学生的综合实践能力与创新能力。在实践教学平台上规划四层次人才实践培养方案，从专业分割转化为跨界交叉融合，将人才培养与专业优势相结合，将创新创业与课程改革相结合，改革实践教学模式，培养兼具科学知识、基本技能和创新能力的机电复合人才。■

参考文献

[1] 孙康宁，傅水根，梁延德，等.赋予实践教学新使命避免工科教育理科化[J].中国大学教学，2014（6）：17-20.

[2] 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.

[3] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

*基金项目：西安交通大学本科实践教学改革研究专项项目“工程训练测控实训综合实验教学平台建设”（项目编号：19SJZX37）。

作者：张育林，西安交通大学实践教学中心（工程坊），高级工程师，研究方向为机器人、机械电子工程;栗茂林，西安交通大学实践教学中心（工程坊），高级工程师，研究方向为机械设计与制造;崔琦，西安交通大学实践教学中心

（工程坊），工程师，研究方向为工程实践教学及工程实践中人文素质的培养;黄宝娟，西安交通大学实践教学中心（工程坊），高级工程师，研究方向为测控技术;王娜，西安交通大学实践教学中心（工程坊），高级工程师，研究方向为仪器及测控技术（710049）。B112CC55-18E6-44A4-B536-5D859A531B97