新工科下“五维三坐标”式工程训练教学体系探索

林晓亮，邓小雷，翁盛槟，黄云峰

（衢州学院 工程实训中心，浙江 衢州 324000）

引言

当前，“中国制造2025”“人工智能”“互联网+”“一带一路”倡议的实施是加快新技术应用、新人才培养的重要牵引力，高质量人才教育成为我国新经济发展强大的驱动内核［1-2］。为适应新经济发展需求，国家大力推进新工科建设，全力探索工科教育的新模式和新方向。高等工程教育是新工科建设的重要突破口和切入点，“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”都预示着高素质综合型新工科人才是未来经济飞跃发展的希望［3-4］。工程训练是我国在进行高等教育改革发展历程中的实践教学新型模式。近几年来，工程训练已然成为院校规模最大、受众学生最多的重要教育教学资源，具有通识性、实践性、创新性等教学特征，是培养学生实践能力、创新能力与综合素养的重要教学环节［5-6］。工程训练教学体系的构建和实施对于新形势下高素质复合型人才的培养起着关键作用。

一、工程训练教学存在的问题

目前，许多高等院校尤其是地方性院校的工程训练教学存在诸多问题：（1）工程训练教学目标理念依然停留在车铣刨磨等传统加工方法上，缺少系统性、多层次、跨学科的综合实践训练；（2）工程训练中心建设不够科学合理，缺少开放便捷、交叉融合的自主创新实践平台；（3）教学模式固化，知识体系陈旧，技术传统、形式单一，工程训练深度不够，部分学生眼高手低、实践能力不足；（4）师资力量薄弱，教学模式老套，学生被动接受知识；（5）工程训练内容与业界生产实际脱节，课程知识缺乏先进性和前瞻性。传统教育理念在部分地方院校已固化成定式，国内各高校工程专业的工程训练教学体系和模式基本不能完全适应新工科建设的要求，致使许多毕业生无法胜任新经济、新技术、新模式的岗位需求。

从长远来看，高校要培养复合型人才，就必须发现传统工程教育的深层次问题，发掘有用资源，将应用型教学模式与创新型实践相结合。校企联合，多平台、多资源协同，积极探索新工科背景下新型工科人才的培养模式和教学体系，有效解决传统工程教育在实践教学方面存在的问题，从而促进高等工程教育教学的转型升级。

二、国内外工程训练教学体系情况

国内外诸多重点高校在工程训练教学体系构建方面从自身情况出发，面向新型人才培养理念，在新技术引进与应用、工程训练中心建设与工程实践教学实施等方面做了诸多的尝试和探索。芝加哥大学在工程实践教育方面侧重个性化、研究型教学，突出“学”的融合性模式，施行学科交叉教育研究和教学实践［3］；斯坦福大学以能力教育为先，围绕工程能力培养，施行开环式、轴翻转式及目标式教学方式，为学生的职业生涯助力［7］；辛辛那提大学重视合作教育，通过建立校企交替运行模式，让学生在校企之间每年进行三次轮换，分别完成学校和企业双方的任务要求，是打通理论学习与实践应用教育的典范［8］。上海交通大学将工程中心向创新中心转型，形成“一体两翼三横四纵”体系，并将课程优化为“早期、基础、实践、创新”阶段性实施［9］；西安科技大学工程训练中心融合创新创业教育与工程实践教育，优化资源、共享开放，建立“一教三创”的实践教学平台，为学校工程教育提供支撑［10-11］；山东大学整合工程训练装备资源，形成虚拟技术与数控加工实训的联合模式，利用信息技术构建网络平台，实现师生的便捷互联互通［12］；湖南大学以卓越计划、新工科建设为契机，针对师资队伍优化结构，拓宽渠道，向培训“三师型”人才的高校及相关企业倾斜，聘请企业专家建立校内外师资队伍［6］。

综上所述，国内外对于工程教育体系的构建主要侧重五个方面的内容：（1）强调学科融合和学生创新培养的导向；（2）注重工程实践教育平台建设；（3）重视工程实践教学中新技术的引入和应用；（4）侧重复合型工程训练教师队伍建设；（5）坚持开放共享、校企合作的培养机制。由此可知，理念、平台、模式、师资、机制五个维度是构建工程训练教学体系的重要依据。

三、“五维三坐标”式工程训练教学体系的构建

结合新工科建设对工程教育的新要求，就如何更好地发挥地方院校特色，紧扣地方优势产业，有针对性、有方向性地培养学生的工程能力与创新能力。从培养理念、平台建设、教学模式、师资队伍等方面对工程训练的教育教学改革进行分析研究，从理念、平台、模式、师资、机制五个维度出发，每个维度三个坐标定向，进行横向覆盖，纵向贯通，打造“五维三坐标”工程训练体系，凝练“三位一体”化的工程教育培养目标理念，搭建三区综合化的工程训练平台，构建三阶递进式的项目化教学模式，建设三型复合式的师资队伍，打造三方协同式的产学研育人机制。“五维三坐标”工程训练体系框架如图1所示。

图1 “五维三坐标”工程训练体系

四、“五维三坐标”式工程训练教学体系的实施

面向新工科建设方向，以工程实践教育中新技术融合为着力点，通过深化工程训练的教学内容、升级工程训练的教学方法，从目标理念凝练、训练平台搭建、教学模式构建、师资队伍建设、育人机制打造五个方面建立并实施“五维三坐标”工程训练体系，提升工程训练教学能力，强化工程训练内涵建设，以培养满足经济发展与社会需要的高质量综合型人才。“五维三坐标”工程训练体系的实施过程如图2所示。

图2 “五维三坐标”工程训练体系的实施

（一）凝练“知识—能力—素养”“三位一体”化的工程教育培养目标理念

转变教学思想，转移教学中心，为学生学习情境植入工程文化元素，融合信息技术、网络技术、虚拟技术等信息化教学手段，达成学生集知识、能力、素养于一身的工程教育目标，引领工程训练教学。

1.转变教学思想。将工程教育从单一传统的教授转变为多学科融合教育，在扎实的专业理论基础上拓宽知识体系，不断把新知识、新技术融入教育课程体系，加强高素质复合型人才的培养，提升学生对世界的探求兴趣和对知识的汲取能力，促进学生自我能力拓展，形成综合性成长形态，同时向校园与企业的双赢合作倾斜，强化工程环境对学生全面提升的有效作用。

2.转移教学中心。改变传统工程训练教学中“生从师带”、被动模仿的程式化教学方式，将教学中心由教师向学生转移，形成以学生为教学主体地位的模式，探索自主、合作、探究式教学，发挥学生的主观能动性，培养学习的主人翁精神，提高学生的自主学习能力和自我管理能力，促进学生对知识、技能学习的自我建构。

3.厚植工程文化。推进工程训练中心的内涵式发展，促进工程文化、思想政治文化的融合和构建，充分发挥思想政治教育在大工程氛围营造中的强磁场效应，将工程文化渗透到学生思想中，培养学生爱岗敬业、吃苦耐劳的工程素养和工匠精神，使学生形成正确的劳动价值观和面向未来的大工程观。

（二）搭建“基础加工—虚拟仿真—智能制造”三区综合的工程训练开放平台

融合新兴技术，建设包含“基础加工—虚拟仿真—智能制造”三区综合的工程训练开放平台，提升训练中心基础加工的自动化、数字化水平，搭建网络化、可视化的虚拟仿真教学平台，接轨现代化生产制造技术，创建信息化、智能化、柔性化的智能制造训练区，并通过网络通信技术实现优质实训资源开放共享，校企合作无缝对接。

1.完善基础训练。优化训练中心教学资源，在传统加工技术的基础上完善数控机床、加工中心等数字化控制技术装备，打破工种孤立性训练模式，对训练项目及机床装备进行合理设计和布局，形成系统性强、利用率高的基础加工一体化训练区，并增加激光加工技术实训及快速成型技术设备，优化传统加工实训，增设新型制造项目，完善制造技术基础实训。

2.拓展虚拟空间。引入“虚拟制造”技术手段，增加虚拟仿真实训室及设备占比，补充现有实体资源，模拟焊接、铸造、锻造等高危、昂贵、有污染的实训工种。通过虚拟平台建设CAD、CAE、CAM系统化生产过程，将知识可视化呈现，实现产品生命周期的模拟生产实训，让学生掌握产品生产流程。扩展加工技术知识领域，通过虚拟化工厂，让学生体验生产车间的工作运行，了解车间管理和生产调度的相关知识。此外，发挥虚拟技术手段优势，打造实训教学共享平台，开发优质虚拟实训课程，实现优质教育资源和教育成果共享，借助平台信息通信技术和计算机网络技术形成政校产教协同共建机制，使政策、教学、生产紧密结合，实现无缝对接。

3.启动智能引擎。开启“自动化生产”和“柔性制造”双引擎，引进数字化产品加工设备和柔性制造生产线等教学设备，为学生设置“工程认知”和“技术实践”实训课堂，让学生掌握机器人数控、个性化制造等方面的知识和技能，针对某一产品，以“智能化加工技能单项实训+智能制造生产线综合实训”的模式进行布局，改变单一专业独立实训的现状，实现多学科综合实训，打造机电学科交融、训研一体的综合性、先进性实训平台，为先进制造人才的培养和储备提供有效保障。

（三）构建“基础—综合—创新”三阶递进的项目化教学模式

以项目化教学模式作为新技术应用的落脚点，发挥学科比赛、科研项目、校企合作等在工程训练教学中的作用，通过学生对专业技能训练的掌握和对新兴技术的学习与运用，提高学生基础技能，培养综合实践和创新能力。

1.夯实技能基础。以实训室开放项目、技能比赛等基础实践项目，加强学生基础知识应用与技术实践能力训练，充分保证其技术掌握与技能锻炼的基础性、规范性及实用性，加固其专业理论基底，强化其动手实践能力，实现其课堂理论与现场实践的顺利过渡和有效转化，培养其稳扎稳打、扎实可靠的专业基本功，为提升综合能力与创新能力打下基础。

2.强化综合实践。打破学科壁垒，越过专业藩篱，开展综合实践项目，以校企合作项目为契机，通过项目训练促进机与电的结合、设计与工艺的结合、加工技术与管理技术的结合，加强学生各学科知识的相互交叉、相互渗透、相互促进。对接企业开展技术服务与支持，形成新技术应用与验证的第二学堂，将学生对企业综合问题的技术参与应用实战，作为提升学生知识融合能力、人机交互能力以及团队协作能力的有效途径。

3.挖掘创新潜能。重视学生的实践能力、创新精神与成果创造之间的转化，以科技竞赛、科研课题及创新创业项目等作为训练内容，设计探究性课题，引导学生创新训练，激发对本专业新兴技术的研究兴趣，使学生深刻了解和掌握专业技术发展前沿，在学生训练团队成果化与工程化实现的基础上促进教学与科研的相辅相成，同时提升教师的科研和教学能力，加强教学体系和教学模式的协同改革，培养适应高新技术飞速发展和市场激烈竞争的高素质创新型高级工程人才。

（四）建设“技能型—科研型—创新创业型”三型复合的师资队伍

打造高水平技术应用型和信息化管理教学型师资队伍，跟随技术革新不断优化队伍结构，为师资成长提供平台和条件，并为教师工作构建教学效果导向性激励机制，为教师队伍的可持续发展和人才培养水平的不断提升提供有力保障。

1.优化队伍结构。对照工程训练人才培养模式，打造和调整配置科学、比例合理的工程实践教学师资队伍，注重引进工程实践经验丰富、企业挂职经历较多的技术人员，配备高学历、高职称、在教科研等方面能够发挥优势的研究型人才，聘请行业创新人才及创业精英等创新创业教育实践导师，同时注重增加一专多能的教师占比，拓展师资队伍的学科背景，科学构建新老教师年龄梯度，形成健康的更替机制，统筹协调教辅人员数量，提高教学管理和后勤保障的综合能力，不同角色各司其职、各尽其责，以保障人才的高水平产出和高效率培养。

2.促进教师培养。稳定工程训练师资队伍，实施教师发展战略，为教师提供良好的提升环境，培养骨干教师，为教师个人发展提供平台，在师资培养方面坚持德才兼备和能力导向，对一线教师在新技术、新理念、新工艺等方面加强提升，拓宽教师视野、拓展教学思路，使教师及时掌握行业动态，实现行业与教学发展的同步性。为教师实现个人价值创造条件，为实训指导教师学历提高和职称晋升提供政策支持，确保队伍绿色可持续发展，同时加强教师信息化教学培训，提高教师对教学辅助新技术及信息化管理技术的有效掌握和灵活应用，提高教师教学实施和教学管理水平。

3.健全激励机制。在岗位设置、聘任、考核、评优评奖、职称评定等方面建立健全各项规章制度，将实践教学效果、教学研究成果、创新实践效益、竞赛指导获奖等纳入教师的岗位职责和奖励制度中，调动教师工作积极性，建立教学效果评价指导体系，督促教师对教育教学的态度和情感、方法和策略等不断调整，提高教学质量。鼓励教师实践教学成果转化，将横向课题研究、工程项目实践、理论科学研究、专利论文成果、产学合作、社会服务等方面取得的效益用以激励教师的成果产出。

（五）打造“校—企—政”三方协同的产学研育人机制

发挥政府调控作用，顺应方针政策导向，驱动高校密切联系地方特色产业，建立校企合作，打通校企之间的资源和技术交流沟渠，促进新技术开发和产业应用，打造“校—企—政”三方协同的产学研育人机制，形成平等互利、共生共赢的发展格局。

1.深化政府角色。政府部门是具有协调行业发展、指引人才流动、促进资源活化作用的重要角色，能够为企业发展和人才培养提出战略性指导，为新工科工程人才的协同培养提供思路、政策、资金的支持，从而促进企业与学校的深度融合，推进校企合作办学、合作研究及人才培养，深化政府角色，担任高校与企业之间的“桥梁”，驱动、调控、监督“校企政”合作，给“校企政”合作提供一片良好的土壤，通过“校企政”协同育人机制，确保工程人才培养目标的实现与达成。

2.共享校企资源。充分挖掘校内训练中心潜力，最大限度地提高设备的利用率，面向地方企业开展技术人员培训和项目开发合作，学校点对点为企业输送对口人才，企业建立校外实训实践基地，紧密结合生产实际，有计划、有步骤地与高校建立专业人才培养合作和校企研发合作，并采用信息化、网络化技术，逐步扩大企业在人才培养与技术创新领域中的参与广度和深度，从而在人才储备、技术储备与创新发展等方面达成共赢。

3.共研技术项目。采用“双导师制”培养模式，为学生配备校内理论导师与企业实践导师，开展项目化培养，企业出题，学校解题，以理论导师为项目主导，以学生为实施主体为企业提供知识和技术支撑，实践导师指导学生为技术方案提供实践应用与可行性验证，促进科研成果的产品转化，并以校企合作项目技术为案例展开工程训练课程开发及学生毕业设计选题，充分发挥校企合作项目在技术开发及人才培养等方面的作用。

结语

“五维三坐标”式工程训练教学体系通过转变教学思想、转移教学中心、厚植工程文化，凝练“知识—能力—素养”“三位一体”的工程教育培养目标理念，以完善基础训练，拓展虚拟空间，启动智能引擎为实施举措搭建“基础加工—虚拟仿真—智能制造”三区综合的工程训练开放平台；同步夯实技能基础，强化综合实践，挖掘创新潜能，构建“基础—综合—创新”三阶递进的项目化教学模式；通过优化队伍结构、促进教师培养、健全激励机制，建设“技能型—科研型—创新创业型”三型复合的师资队伍；联动深化政府角色，共享校企资源，共研技术项目，打造“校—企—政”三方协同的产学研育人机制。“五维三坐标”式教学体系的构建可以为新工科背景下工程训练的教学开展提供参考。