工程创客教育模式下的综合性工程训练课程改革建设实践

刘利刚，宋佳秋，韩雪艳，王雪姣，侯培国

（燕山大学 工程训练中心，河北秦皇岛 066004）

新一轮科技革命和产业变革催生了新业态，新业态的发展对于工程教育的改革提出了新的要求[1]。2017 年2 月和4 月，教育部在复旦大学和天津大学分别召开了高等工程教育发展战略研讨会，形成了新工科建设的“复旦共识”和“天大行动”。同年6 月，新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议在北京召开，与会专家审议并原则通过了《新工科研究与实践项目指南》，形成了新工科建设“北京指南”，与“复旦共识”和“天大行动”共同构成了新工科建设的指导性文件[2-4]。在新工科建设背景下，工程人才培养结构的要素以及培养理念目标都发生了变化，工程实践是工程教育的重要组成部分，工程训练中心是实现工程实践教育的重要载体。智能制造工程教育实践性教学环节规范性要求指出：“工程训练是培养学生工程实践能力、系统工程意识的实践性基础课程，通过系统的工程实践训练，使学生获得对机械、电子、信息、管理等专业技术在工程中融合和应用的感性认识和体验，提高工程意识，质量、安全、环保意识和动手能力，为相关理论课和专业课学习奠定必要的实践基础，对培养学生工程实践能力发挥着独特作用。”[5]

2022 年2 月，清华大学基础工业训练中心牵头成立教育部工程创客教育虚拟教研室，联合全国200 余所高校的工程训练中心，共同推动工程创客教育的发展，深度融合工程实践教育和创新创业教育。燕山大学工程训练中心积极响应虚拟教研室的建设，持续推进项目驱动式的实践教学改革[6-8]，以培养新型高素质工程师人才为使命，积极开展基于工程创客的工程实践教学改革，通过“1+2+5+N”的融合方式，建设具有“三融、三合、六创新”特色的实践课程模式，面向新业态、新工科，探索“问题导向、项目驱动、赛教融合、跨专业创新实践”的综合工程训练教学体系，服务国家创新驱动发展战略和制造强国战略。

1 课程改革的理念与思路

多专业融合是促使工科学生更广泛接触工程师相关业务概念的一种有效方式，其将参与创新创业相关的真实项目、体验式活动纳入高校工科人才培养实践体系[9]。创客的特质是创新、实践与分享，注重学生在实践中学习并创造性地使用。高校需基于工程化项目主题导向，结合产业化实践教学情境，开展工程实践创客教育，使学生在基于创造的学习过程中，主动思考和自主探究，在分析与解决问题的过程中产生、验证、实践团队的创新设计，在提高学生问题解决能力的同时培养其创新创业的工程素养。大学生科技创新竞赛作为面向在校学生的群体性科技创新实践活动，与创新创业教育紧密关联，是大学生提高实践能力、增强创新意识以及提高综合素质的有效环节，在高校创新人才培养中具有重要作用[10]。高校需从学生“知识、能力和素养”全面发展着手，将竞赛项目有机融入工程训练教学过程，创建符合新工科“融合、集成、创新、共享、智能”特色的实践项目课程，构建工程实践与创新教育平台。

工程训练中心是实现课程思政教育最有效的场景之一，无论是脑力劳动还是体力劳动，实践性是其第一特性。在实践环节，学生以完成项目为主线，在生产的各个环节强化理论与实践的结合，提高实践创新能力和工程素养。

2 课程改革的实施

在学科交叉融合背景下，新工科工程训练实践创新教学的目标是培养具有动手能力、创新能力和解决复杂系统工程问题能力的人才[11]。一是以专业素养为核心，培养引领行业发展的复合型人才。目前侧重“专才”教育的培养模式缺乏多学科交叉融合平台，学科之间联系较少，学生缺乏大局观和学科引领意识，因此，高校应设立“跨专业+跨学科”的多元化培养体系。二是以锻炼本领为导向，培养学生的科学实践精神。鼓励学生在理论学习和实践探索过程中大胆创新、勇于创造，切实提高解决实际问题的能力，增强本领。三是以全面培养人才为指导，建立综合素质养成机制。工程实践教学内容丰富，具有综合素质培养的属性。围绕以上目标，燕山大学工程训练中心重构了课程的教学内容，改革了教学模式，确立了新的课程评价体系，并有效发挥思政教育的育人作用。

2.1 课程内容的改革措施

综合性工程训练课程共240 学时，其中金工实习部分为160 学时，电子工艺实习部分为80 学时。课程团队32 名教师中，14 人负责课程教学和研讨授课，全员参与小组实操实训课程，为工科学生大三、大四的专业学习夯实工程实践基础。授课内容包括产品设计、软件工具使用、制造技术、工艺知识、控制技术和工程伦理等。

不同专业，如机械、电气、材料等，对学生在金工实习、电子工艺实习课程的培养要求不同，因而，对不同专业学生，应采用不同的教学内容开展实践教学。对于机械类学生，应侧重机械设计、加工等环节的教学和实践，以增强其综合运用多种加工方法解决较复杂机械工程问题的能力；对于电气和信息类学生，应重点进行电子元件的知识理解、功能模块的设计组装、控制方法学习、控制程序编写等，以培养其综合运用电工电子知识解决较复杂电控工程问题的能力。因此，实践项目中的机械、电气控制和程序控制三方面内容要具有开放性（或称柔性），以促进不同专业学生实习实践教学的有效开展。

2.2 课程的具体实施过程

燕山大学工程训练中心根据课程特点，面向同时开设金工实习和电子工艺实习的专业，通过“1+2+5+N”的实现方式开展动态融合课程改革的具体实施。课程以智能车创新项目为中心，融合金工实习和电子工艺实习两个实践教学课程，设置入眼、入心、入脑、入门、入行“五入”达成环节，融入“N”个思政元素，将智能车的设计制造、装配、控制以及创新竞赛内容融入实训课程的全过程，培养学生对产品设计、制造全过程的认知、实践和总结输出能力，使理论教学、基础工程训练和创新工程训练相结合。教师通过学习通平台构建丰富、实用、共享的课程资源，引入线上线下混合教学模式，通过创客教室、加工社区，为学生开展自主探究式学习提供机会，促进师生交流，鼓励学生课后在创新工坊开展实践探索，拓展实践教学的新渠道，具体的课程方案如表1 所示，思政融入的详细设计如表2 所示。

表1 智能车项目“1+2+5+N”动态融合综合训练教学方案

表2 智能车项目各环节思政融入的详细设计

2.2.1 项目前期：达成“入眼”

教师通过学习通平台提前布置预习任务，发布项目任务文档、智能车项目指导书，展示前几批学生的优秀作品VLOG，提高学生的学习积极性和参与度。课程同步建立“理论+实验”“双师型”指导团队，保障每个班、每个组都有专业教师负责指导。

2.2.2 项目基础实训阶段和方案设计阶段：达成“入脑”

金工实习有铸造、车削、铣削、3D 打印、激光切割、加工中心等10 多个基础实践教学模块，在基础实训环节中，教师主要让学生熟练掌握各种工具的使用方法，树立安全操作的意识。在实训中，教师以解决问题为抓手，培养学生的动手能力，鼓励学生多观察、多提问、多创新，嵌入6S 管理理念，培养学生的规范意识，树立正确的劳动价值观，养成好的劳动品质。方案设计阶段包括智能车方案结构设计及工艺编制，采用教师讲解导入和学生自主探究学习的教学模式。教师讲解剖析典型智能车结构设计和加工工艺，要求学生完成自主创新设计，在现有成本的（固定虚拟货币）条件下，完成产品的加工制作，培养学生成本意识。

2.2.3 项目加工制作、装配阶段：达成“入心”

项目的加工过程是以学生独立自主动手操作为主的教学环节，要求学生在智能车的主体结构包括车体和车载附件两部分，实现简单的电气控制，体现机械和电气的交叉融合。车体的加工制作必须融合传统加工工艺和现代加工工艺（既要包括传统的普通车床、铣床、钳工等加工方式，也要包括先进的数控机床、多轴加工中心、激光切割特种加工等）。总装环节是加工制作的最后一道工序，所有的加工问题会在该环节集中体现。通过该环节，引导学生明白什么是加工精度、装配精度，建立精度意识，发挥课程思政育人作用。

2.2.4 项目电控调试阶段：达成“入门”

智能车机械部分的加工和装配完成以后，进入电控环节，即传统课程中对应的电子工艺实习部分。电控环节实现的主要功能为：使用手机蓝牙App 控制智能车前进、后退，并具有屏幕指示功能和信息采集功能。在项目实施过程中，核心板为STM32F4X1 系列，开发环境为MicroPython，系统板固件集成数码显示管、点阵、液晶屏、温湿度传感器等模块的初始化程序，后续添加按键、蓝牙、霍尔传感器等模块。模块搭建需要学生综合考虑车架面积及空间，合理安排各模块位置，因此，学生还需要掌握一定的布线和焊接技术。

2.2.5 项目答辩：达成“入行”

考核方式为金工和电工单独考核，采用项目答辩、推优评选并举的考核方式。该环节考核学生工程素养，包括团队合作、协调交流、写作表达等综合能力。

2.3 课程的教学方法和手段

以学生为中心，重组教学模式，采用多种先进的教学方式，充分调动学生的学习积极性，提高教学质量和教学效果。

2.3.1 混合式教学模式

混合式教学模式充分利用了碎片化时间学习，将传统课堂教学和在线教学两者优势相结合。学生分组完成小车制作任务，且每组制作小车各不相同，师生之间和生生之间以方案分析为切入点开展可行性讨论，通过讨论、思辨过程，教师引导学生发现问题、分析问题、解决复杂工程问题。

2.3.2 项目驱动式结合情境教学法

项目驱动式教学关注学生在“做中学”，注重理论与实践的结合，符合新工科背景下的工程教育改革理念，有利于创新人才的培养，已成为实践教学的有效方式。在这个过程中，教师要强调学生的自主学习意识，积极开展小组讨论、协商，帮助学生制定合理可行的解决方案，培养学生合作与协调能力[12-15]。教师还需融合创客教室和加工社区，模拟企业真实的场景，设置具体的小组讨论、设备租赁、成本分析及质量检验等环节，深度开展抽象思维与形象思维结合的情境式教学。

2.3.3 团队式教学法

建立“双师型”教师指导团队，全方位保障学生在金工实习部分完成设计、加工、装配、运行任务，在电子工艺实习部分完成硬件电路设计焊接、模块编程、整车功能调试任务。

2.4 课程的考核评价

课程采用多元评价方法，运用过程性评价与终结性评价相结合的课程考核方式，具体分为金工实习实践课程考核、电子工艺实习实践课程考核和优秀项目团队评选。

2.4.1 金工实习课程考核

在线预习与理论考试占10 分；课程过程考核占40分，考核的内容主要包括设备和工具的安全操作，学习纪律，小组进度安排，讨论交流参与度，智能车设计、图纸规范、工艺编制、成本预算等内容；智能遥控车机械加工与汇报占50 分，包含思政教育、劳动表现、答辩与表述等内容。各部分成绩由指导教师团队综合给定，分A、B、C、D 四个等级，每个等级对应相应分值。实习结束后，教师将学生所有评价点得分相加，给出最终成绩。

2.4.2 电子工艺实习课程考核

功能电路焊接技术基础练习占20 分、智能车控制方案制定占40 分，包括基于STM32 嵌入式开发系统板的学习、功能模块的调试使用等；整车组装调试与汇报占40 分，包括实践课堂表现、调试时间、故障分析、报告规范等内容。各部分成绩也由指导教师团队综合给定，分A、B、C、D 四个等级，每个等级对应相应分值。实习结束后，教师将学生所有评价点得分相加，给出最终成绩。

2.4.3 优秀作品评选

组织动态融合综合项目答辩，评选出优秀项目作品、优秀小组和优秀指导教师团队，在中心的公众号等平台推优展示，使师生获得成就感，提高学生的学习积极性与参与度，同时正向激励指导团队的教师。

3 课程的实施效果及反思

3.1 课程的实施效果

3.1.1 建设具有“三融、三合、六创新”特色的课程模式，保障课程目标的顺利达成

长期以来，金工实习、电子工艺实习各自的实践教学内容相对独立，中心设备资源和指导教师工程背景丰富的优势并未得以充分发挥，学生在工程实践教学上的能力培养效果未充分体现。经过课程团队的精心设计，以智能车综合项目为统一载体，通过“1+2+5+N”的过程，实现了跨学科交叉融合、教师教学资源的融合、创新竞赛和教学项目融合的“三融”；开展了创客空间、加工社区和创新工坊的深度合作，即“三合”；其具有工程教育改革的新理念、新模式、新内容、新方法、新课程体系和新的课程考核方式六个创新性特征，如图1 所示，充分发挥了工程训练中心在培养大学生工程创新实践能力方面的作用。

图1 “三融、三合、六创新”的特色课程模式

3.1.2 学生展现出较强的创新实践能力

2022 年秋季学期，开放式智能遥控车机械加工和程控设计训练项目正式投入教学，从教学效果来看，机电一体化综合实践项目极大调动了学生的学习积极性，对学生和教师团队进行了多方面锻炼，学生反馈教学内容新颖有趣且丰富。结合创新工坊，学生积极参加课后拓展活动，部分学生完成的作品如图2 所示，师生都感受到了实践环节教学改革带来的变化。

图2 学生的综合项目作品

3.2 课程的总结与反思

3.2.1 课程的成果

习近平总书记在党的二十大报告中指出：“坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之。”[16]改革后的课程，从顶层规划了高素质工程师培养体系的架构，全方位培养了学生的工业软件应用、机械设计加工、团队协作等实践能力，提高了学生参与创新竞赛的积极性。课程组教师指导学生参与多项学科竞赛：在2021年中国大学生工程实践能力与创新大赛中获国家金奖1 项、一等奖1 项；在2022 年河北省工程实践能力与创新大赛中获特等奖5 项。课程团队荣获了首届全国高校教师工程创客教学能力大赛特等奖。思政教育发挥了协同育人优势，课程及教学团队获批校级思政示范课程及团队，充分展现了创新与匠心的同向同行。

3.2.2 课程的反思

改革后的工程训练课程在教学效果和教学成果上有明显的提升，但经过课程组总结和反思，课程还需要从以下几个方面进一步探索：

（1）课程设计。着眼全局，做好顶层设计，基于智能制造平台，增设信息类数字内容的融合。拟建立机电信息相互交叉融合的模块课程，强调课程的深度与广度。

（2）内容拓展。车载附件机构不断更新拓展，避免重复性，增加挑战性。

（3）教学方法。灵活多变，多元互动，师生共进。

（4）思政案例。精挑细选，合理布局，契合教学培养目标，持续改进，与时俱进。

（5）思政考核。合理设置考核环节，多维度体现五育并举的思政效果。

4 结语

在新工科、新业态的背景下，燕山大学基于工程训练中心整合新平台，充分践行赛教融合、工程创客的实践教学理念，以创新竞赛的智能搬运小车为抓手，对金工实习和电子工艺实习两个实践课程体系进行了重建，对实践教学方式方法进行创新，进一步深化了实践教学的项目驱动式改革，基于“1+2+5+N”模式的综合性工程训练课程建设实践以来，产生了明显的积极效果，知识技能覆盖全面，提高了学生实践创新能力和工程素养，培养了学生产品全周期的系统思维、闭环思维、高素质工程师的角色思维以及工程伦理素养，学生在创新实践活动中取得优异成绩，课程团队的教学能力获得专家的认可。