基于工程实践和创新能力培养的实践教学改革

王源绍 张继元 冒小文 张 蓉 佟赞赞

南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211000

2018 年9 月，教育部发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（以下简称《意见》），《意见》要求加强校内实验教学资源建设，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台；进一步提高实践教学的比重，大力推动与行业部门、企业共同建设实践教育基地，切实加强实习过程管理，健全合作共赢、开放共享的实践育人机制。在创新创业能力培养方面，要求把深化高校创新创业教育改革作为推进高等教育综合改革的突破口，面向全体、分类施教、结合专业、强化实践，促进学生全面发展。高等院校，尤其是定位于应用型本科的高等院校，必须在如何培养学生的工程实践和创新能力方面进行改革探索。

一、工程实践和创新能力的培养现状

2019 年，教育部提出推动本科高校向应用型转变，要重点加强应用型本科高校实验实训实习环境、平台和基地建设，鼓励吸引行业企业参与，建设产教融合、校企合作、产学研一体的实验实训实习设施。定位为应用型本科的高校，要以政策为导向，充分发挥自身的特点，创新培养模式，加大改革力度，加快自身建设，高质量完成国家在教育领域人才供给侧结构性改革，加强大学生工程实践和创新能力的培养，全面提高我国高校人才的培养能力，为社会、国家培养具有竞争力的技术人才。

在此背景下，我国高校结合各自学校的特点，从课程设计、制度建设、实践教学、校企融合、技能比赛等不同角度对如何培养大学生的创新能力、工程实践能力进行了多方面的探索。在专业及课程方面，很多学者以不同教育理念为指导，针对一些专业课程存在的问题，利用竞赛等不同模式作为推动手段，从课程教学方法、教学方式、教学管理、工程实践等不同角度展开了丰富的探讨，对如何满足“新工科”人才培养要求，如何培养创新人才及工程实践人才等进行了改革实践。如刘立柱、汤卉、康福伟等阐述了基于OBE 教育理念下，地方工科大学材料专业大学生工程实践能力的培养创新之举。黄燕钧、段家现针对机械专业基础课存在的问题，对机械专业基础课程教学改革进行思考，提出以专业竞赛为着力点进行改革的方法和步骤。肖细元、刘恢、郭朝晖等针对大气污染控制工程课程采用教学内容紧跟前沿、创新课堂教学方式手段等来培养学生的创新能力；采用“工程案例法”，培养学生的工程意识和工程素养，建立多层次的实践教学平台培养学生的工程能力。韦慧、金娇、白献萍等基于研究型大学土木工程类专业特点，进行人才培养目标定位和工程实践与创新能力培养方式探索。邵伟宏分析了目前高职院校计算机网络教学中存在的问题，从教育观念、教学方法、实践教学管理、评价体系等方面进行了教学改革初探。廖可兵、刘爱群、刘兴江等介绍了湖南工学院安全工程专业创新人才培养模式的改革实践，探讨工程实践能力培养的三个关键环节，总结了人才培养模式改革的过程和结果。

很多学者也根据各自学校的特点，从实验室建设、教师发展、校企融合、比赛等方面，充分利用现有资源，挖掘新的教学体系，改革实践教学方法，构建多重培养机制，开展工程实践能力和创新能力的培养探索。如，刘航、冯立强、刘兴江等针对地方工科院校应用型人才培养特点，对实验教学内容、导师制、毕业论文（设计）监控、校内外实践基地建设等方面的改革进行了探索。岳大力、曾溅辉、柳广弟等采用校企融合的思路与方法，探索建立了“四级递进式”实践教学与“三段式”学习的工程实践能力培养模式。刘明、熊震、林海燕等从教师工程实践能力提高、课程建设促进教学相长以及创新创业竞赛提高工程实践与创新能力三个方面，探析了应用型人才的工程实践与创新能力的培养。李佳洋、范立南提出以突出工程实践能力为目标的人才培养方案，健全实践教学体系，构建基于校企深度融合的多维创新实践教学环境为核心内容的“新工科”驱动下转型高校创新型人才的工程实践能力培养机制。李秋明、宋昕、刘志刚等在基于竞赛的实验室开放、实践教学体系以及基于项目理念的选拔机制三点结合的模式下，探讨了智能制造挑战赛对大学生工程实践创新能力培养的促进作用。

以上对如何提高工程实践能力和创新能力进行的研究和探索，多数是结合当前本校已经开展的校企合作与比赛经验等进行改革探索以及课程融合，在现有基础上对某一门课程进行改革探索，或对某一项目进行整理重塑，以求达到培养目标。而以某个具体专业的实践课程体系进行改革，从而提高学生的工程实践能力和创新能力，最终形成覆盖某专业相关专业课程实践环节的综合、系统的改革方案鲜有提及。此外，对于应用型独立院校来说，在没有充分的校企合作为基础，没有丰富的比赛经验积累，没有充足经费投入的前提下，如何有效地开展工程实践能力和创新能力的培养，需要进一步探讨。

二、工程实践能力与创新能力的关系

工程实践能力是指在工程人才利用其工程思维对目标指向的工程实体进行整体筹划，并在其意识形态中形成工程虚体的基础上，将意识形态中筹划的工程虚体转化为工程实体过程中工程人才表现出的设计、实施、调试、维护工程实体等方面的能力。工程实践能力不是简单地通过操作工具而熟能生巧的动手实践能力，它需要系统的理论知识，并将知识通过思考进行加工组合再创造，最终通过合理的实施路径，将理论知识通过实践活动得以展现。在这个过程中，创新能力的高低决定着工程实践效果的好坏。

创新能力是一种综合能力，通常是指在技术和各种实践活动领域中不断提供具有价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。创新能力中的“创新”不是无源之水、无本之木，所有创新活动中的新思想、新理论、新方法都不是凭空产生的。所有的创新均来自工程实践活动的不断积累，只有在实践中，才能对理论对方法进行验证，只有充分的验证实践，才能更好地给予创新以基础和方向。可见，工程实践能力是创新能力得以不断提高的基石，是创新能力形成的源泉。

工程实践能力和创新能力是相辅相成、互相促进、相互融合、缺一不可的，在提高工程实践能力的同时必须考虑创新能力的锻炼，在提高创新能力的同时也必须加强工程实践能力的训练。工程实践能力与创新能力是知识经济社会对优秀工程技术人员素质的要求，是现代企业应对全球经济一体化、参与国际竞争的需要，也是企业可持续发展的需要，同时也是建设创新型国家与实施科教兴国发展战略的需要。工科专业实践教学体系的改革必须从简单的模仿性实践向综合性实践转变。实践教学应更加注重知识的综合运用，并在实践过程中进行创新。

三、车辆工程专业实践课程的不足

车辆工程作为一个实践性强、与生产过程融合度高的专业，主要培养具有机械和车辆产品设计、制造和设备控制、生产组织管理基本能力，以及具有较强实践能力和创新精神的专门人才。如何提高车辆工程专业学生的工程实践能力和创新能力尤为重要。为了增强学生的实践能力和创新能力，目前车辆工程的专业核心课都有一定的实践（实验或实训）学时安排，同时结合金工实习、毕业设计等环节，希望在人才培养方案中，能从多个角度多个维度开展实践及创新训练，以期实现提高学生工程实践能力和创新能力的目的。然而传统的实践课程安排受制于传统课程设计模式，专业课程实验环节和实训环节仍拘泥于传统课程教学，在培养学生创新能力和实践能力方面，存在一定的不足。

（一）不同专业课程的实践内容关联性差

由于不同课程的开设时间、实验目的不一样，不同课程之间实践内容的关联性较差。以汽车制动系统为例，涉及制动系统实践环节的课程有：汽车构造、汽车理论、汽车设计以及毕业设计等。汽车构造课程多以某制动系统台架为教具，让学生掌握制动系统的基本结构和原理；汽车理论课程是以整车制动系统为对象，开展整车制动性能的测试及实验；汽车设计要求根据车辆制动性能要求，通过计算匹配，完成制动系统零部件和总成的设计；而毕业设计是从更全面的角度针对具体车型及综合性能要求，完成某车型制动系统的计算、设计、分析、优化、改进、验证等工作。这些车辆工程专业的必修课程中，由于不同课程的实验目的和要求不一样，所选用的实验教具也不同，不同的实践内容孤立实施。且不同实践环节所选用的车型、数据没有关联性，其实践内容仅仅满足本课程实验目的，无法达到通过不同课程的实践训练提升学生综合实践能力的要求，导致课程实践对综合创新能力的培养不足。

（二）不同专业课程的实践环节系统性、创新性不足

同样以制动系统为例，由于不同课程实践内容的关联性差，对制动系统的结构、原理、设计、优化等不同层面的能力培养，分布于不同的车型，这样会造成针对某一具体学习目标培养的系统性不足。其专业课程的课内实验内容更多的是课程理论知识的补充验证，创新性实验的设计安排受制于课程课时等因素，无法得到较好开展。而最终毕业设计的优化等工作，无法充分利用前期课程实践环节的数据、经验和设计思路，致使课程实践环节的最终培养效果大打折扣，无法创造较好的创新土壤，创新能力的开发受到限制。

（三）实践环节的培养目标离散、层次单一

由于不同专业课的实践环节是独立开展的，课程之间的实践环节缺少系统性，不同实践环节所设定的课程目标互相独立，成离散化状态。这些实践环节多是服务于本课程，没有多层次、多系统的实践课程培养目标，无法支撑工程实践能力和创新能力的培养目标。

（四）学生学习的主观能动性不足

由于目前专业教学大多是以单个部件或整车教具为主，学生通过理论课程的学习之后，开始接触教具，学习相关知识。单一的教学模式会降低学生对实践内容的新鲜感、成就感，单一的实践内容及操作无法激发学生主动学习的热情。

（五）实验设备投资性价比低

由于不同课程的需求不一样，需要分别购置不同的教具及实验设备，且它们往往只适用于某一门课程，致使教具及实验设备投资分散、利用率低。

四、车辆工程专业实践课程改革

要真正实现车辆工程专业的人才培养目标，必须对实践教学体系进行系统优化，加强实践教学环节不同课程之间的内在关联与统一融合，同时改革实践环节设计，激发学生的学习兴趣，提高学生参加课程实践活动的主观能动性，构建系统性、关联性、兴趣性强的实践教学体系。

（一）课程实践环节的目标分解与优化

以专业课程的实践内容为对象，以提高学生工程实践能力和创新能力为总目标，将总目标分解至不同课程的实践环节。通过分解目标的逐一达成，最终实现总目标。将工程实践能力与创新能力分解为：结构认知、综合实操、实验设计、结构设计、优化仿真、创新设计等基本能力要求。通过优化不同课程的实践内容，使不同课程分别达成不同目标。

（二）课程实践内容的关联性、系统性优化

从课程实践内容的关联性、系统性角度开展改革。不同课程的实践内容按照结构—原理—实操—设计—优化—验证的顺序进行分工，保证不同课程实践内容的关联性、逻辑性。同时，按照整车—总成—零部件的层次设计不同课程的实验内容，最终通过不同的实践分层、分级、分段完成各自设定的目标，并形成知识互补、内容互促、逻辑互助的课程实践安排，在锻炼学生工程实践能力的同时，最大限度培养和发掘学生的创新能力。

（三）统一实践课程实施载体

为达到以上关联性、系统性目标，应尽量选取同一对象开展实践课程，即通过对同一款车或同一个系统部件开展系统化的实践设计，使学生在不同学习阶段面对不同课程都可以围绕同一对象进行学习实践，并在此基础上拓展金工实习及毕业设计等综合实践课程。通过对同一对象不同课程多角度多目标的综合训练，使学生充分了解所学知识的实践应用，并通过毕业设计形成实践与创新训练闭环，最终达成提升实践能力和创新能力的培养目标。

（四）激发学生的学习兴趣

在所有相关的课程中可将学生分组，在组员固定、实践对象固定的情况下开展不同层次、阶段、目的的实践课程，引导学生对实验对象进行实验设计、优化、改进、验证，并形成新产品，增强学生的成就感，激发其学习兴趣，充分发挥学生学习的主观能动性。

学生通过以上一系列的逻辑性、关联性、系统性的课程实践训练，能够达到车辆工程专业课程所要求的实践目标，掌握车辆相关的结构、原理，拥有实操技能，设计、优化等工作能充分锻炼学生主动思考、创造创新的能力。

五、以卡丁车为载体的车辆工程专业课改革实践

根据以上改革思路，需要设计一套能满足不同课程实践要求的、充分培养学生创新能力的实践课程改革方案。课题组综合考虑成本、结构特点、可操作性等，创新性地提出以娱乐用卡丁车为载体开展实践教学改革，充分利用其结构简单、直观易懂、改装方便、成本低廉、容易激发学生兴趣等特点，对卡丁车结构进行分解，使学生能够串联不同课程的实践内容，满足不同课程实践目标要求，并最终实现所有实验内容的关联性、系统性、统一性，最终达到培养学生工程实践能力和创新能力的目的。

同样以制动系统为例说明。卡丁车的制动系统结构简单，但是功能完整，因此无须单独制作教具，在整车上即可完成（汽车构造）制动系统结构认知讲解；同时可以利用卡丁车易于驾驶操纵的特点，让学生自主设计并完成（汽车理论）制动性能试验；针对已有卡丁车制动系统进行（汽车设计）重新设计计算；针对目前卡丁车制动性能特点，根据改装要求，对制动系统零部件进行重新设计，并进行制作、装车验证，这样可满足毕业设计要求。

通过对卡丁车进行更多系统功能的挖掘，开发出满足诸多专业课程实践要求的实践操作方案，具体如下：A.车辆动力性试验，B.车辆制动性试验，C.车辆转向性能试验，D.卡丁车车架设计，E.卡丁车车架加工，F.车架性能分析，G.车架结构优化，H.车辆制动系统结构认知，I.车辆转向系统结构认知，J.车辆动力系统结构认知，K.发动机润滑油更换，L.制动液更换，M.ABS设计，N.制动片更换，O.制动系统设计，P.转向系统设计，Q.零部件CAD 逆向建模，R.焊接工艺实训，S.钣喷工艺实训……以上内容可以满足车辆工程专业6 门专业课程、1 门实训课程以及毕业设计的实践课程要求。不同层级的实践训练能力目标与操作方案矩阵关系如表1 所示，不同课程与卡丁车操作方案关系如表2所示。

结合卡丁车结构特点及优势，通过以上表格可以得出，以卡丁车为载体，开展车辆工程专业的实践课程改革具有以下优势。

实践课程之间的逻辑性、系统性得到实现。以一辆卡丁车为基础的实践方案，涵盖汽车专业核心课程主要的实验内容，并匹配不同课程实验要求。在满足目前车辆工程专业主要专业课程实践要求的基础上，能够合理地满足不同层级、不同目标的要求，通过分层级、分目标、分系统的课程安排，能够较好地达到工程实践和创新能力培养的目标。

学生学习兴趣得到激发。按学生4～6 人为一组，每组对应一辆卡丁车，在专业课程的学习过程中，所有涉及的实验课程均以这辆卡丁车为基础，在满足基本课程学习认知实践的基础上，通过金工实习和毕业设计，让学生对所分配的卡丁车进行真正的改装、设计、优化。此外，由于卡丁车具有易于驾驶等特点，可以让更多的学生通过实际驾驶体验来直观感受自己的实践成果，这能极大地增强了学生学习主动性以及工程实践和创新能力。

性价比高。大约7台卡丁车即可充分满足一个教学班大部分课程的实验要求和毕业设计，卡丁车成本价格只需几千元，相比于购买满足以上实验要求的教学设备而言，其成本大大降低。此外，这能够低成本、系列化、长效化地解决一些高校实践环节设备投入不足、课程动手实践不足和实验内容较浅的问题。

目前，我院已经在毕业年级开始相关改革试验。首批共有6 名学生针对一辆卡丁车开展毕业设计工作，分别完成整车结构布置、转向系统、制动系统的设计改进，车架轻量化设计、车架设计制作、车架性能分析优化等工作。通过观察本组学生毕业设计完成进度及效果，笔者发现在学习热情、主观能动性、动手实践能力与优化设计相结合的创新实践综合能力等方面，本组学生均远高于其他类型毕设题目小组，整体效果超过改革预期效果。

六、总结

实验教学可以使学生获得感性知识、增强实践能力、养成创新精神、提高创新能力。与理论教学相比,实验教学更具直观性、实践性、综合性等特点，它在培养学生的创新意识、实践能力和创业精神等方面具有特别重要的作用。本研究以工程实践和创新能力培养为目标，针对目前车辆工程专业实践环节中存在的不足，选择卡丁车作为实践改革载体，对培养目标进行分解，对实践内容分层、分级、分目标、分阶段实施，利用卡丁车开展课程实践环节，并通过毕业设计、金工实习等环节对卡丁车进行改进设计与制作改装，激发了学生的学习兴趣，最终让学生综合利用所学专业课程知识，主动思考、解决问题，充分利用软硬件工具完成工程设计、动手制造等实践内容，达到系统培养其工程实践能力和创新能力的目标。

目前，我院已经开展以卡丁车为改革载体的小范围改革实践，随着经验积累、方案的不断优化，下一步可以考虑以废旧二手汽车为载体，充分利用学生的实践动手和创新能力，形成可以囊括新能源汽车、汽车电子电气、汽车试验学等更多车辆工程专业课的实践改革方案和对象，从而形成适合车辆工程专业的大系统的实践课程优化方案，在培养学生工程实践和创新能力的同时，更好地与生产实际相融合。