基于工程创客教育的工程训练教学改革与探索

钱俊，沈洪垚，唐洁

（1.浙江大学 工程训练中心，浙江杭州 310058；2.浙江大学 机械工程学院，浙江杭州 310058）

推动创新创业教育发展、培养大学生创新创业素养，是政府、高校、社会的共同责任[1]。工程创客教育契合以学习成果为导向的教育理念（OBE，Outcome-Based Education），从强调“教”到重视“学”，从强调投入资源到重视学习成效，从强调主观感受到重视客观证据，从强调典型和个例到重视全体和共性。工程创客教育旨在用创客文化、理念和方式去改造传统的工程教育[2]。一般认为，创客精神的突出特征是首创与开源、协作与分享，注重企业家与团队精神，并强调将梦想变成现实[3]。工程创客教育的目的是在经济全球化、智慧经济与互联网信息时代的背景下，面向创新型国家建设与制造强国战略培养具有“工匠精神、设计思维、创造性、批判性思维、实践智慧”等创客核心素养的工程科技创客[4]。

工程训练课程面向全校学生开设，贯穿学生学业全程，以工程教育为基础任务，以实践教学为主要特征，其丰富的软硬件资源和开放的教学体系是培育创新实践活动的天然土壤[5]。在工程训练教师的指导下，学生学习工艺知识，操作仪器设备，感受制造过程，接受系统化实践教育[6]。工程创客教育所倡导的培养具有“工匠精神、设计思维、创造性、批判性思维、实践智慧”等创客核心素养的工程科技创客新型人才，与高校工程训练的目标和宗旨一致，二者有机融合可以促进工程技术人才培养质量的提升[7]。

近年来，随着工艺技术、设施装备、教学理念的快速发展，传统的工程训练课程设计已经无法满足产业对技术人才的高标准要求，无法适应新工科理念的教学需求，传统人才培养模式与创新创业素质目标渐渐脱节[8]。具体而言，当前工程训练课程教学存在的主要问题包括：（1）设计环节覆盖内容窄，以几何模型设计为主；（2）设计理念和方法缺乏创新，以单机软件和正向设计为主；（3）部分装备陈旧、形式单一，传统工艺环节装备数字化率低；（4）质量评价缺位、方法更新滞后，以手工方式简单测量为主；（5）装备间孤立无串联性，各工种装备分别开展训练；（6）制造数据自动采集缺位，运行过程数据被忽视；（7）项目载体涉及技术领域窄，课程成果以机械载体为主；（8）止步于教学，忽视产品化，仅以完成训练教学为目标。

针对以上问题，教师可探索以工程创客教育模式，推动工程训练教学改革。在实现工程训练基础教学目标的基础上，以培养本科生工程创客能力为主线，拓展技术涉猎面，注重前端设计能力培养，强化大系统理念，引导制造技术与虚拟现实、大数据、云计算、人工智能技术等的有机结合，通过设备体系更新、训练科目优化、训练内容串联等方式进行常规课程设计，通过聚焦技术主题、设计综合集成训练项目加强创新课程设计，通过设置场景、系统整合等方式搭建创新竞赛类活动平台，通过开放场地、开放设备、提供经费等方式建设学生自治创客工作室，通过引入固定或动态基金的方式推动创新成果的创业化，使工程创客教育成为培养实践能力强、创新能力强、国际竞争力强的高素质复合型新工科人才的重要渠道，为浙江大学工程创客教育提供基础原动力。

1 课程综合改革措施

1.1 新工科理念主导的基础创新实践课程改革方案

近年来，随着基础办学条件的不断改善、工程创客基地建设成果的日益丰富，浙江大学工程训练中心在装备体系工艺覆盖度上也得到了极大改善，装备的性能和数字化水平得到显著提升。得益于新型软硬件系统的引入，新的教学体系可以满足从设计到系统应用的多环节多层次实践训练教学要求，新课程体系可以有效实施加工代码设计、零件测量评价、大系统及车间级的应用实践，并且引入了设计软件云架构、虚拟现实、设备互联等多种面向新工科要求的教学形式[8]。新老课程教学体系软硬件差异具体情况如图1 所示。

图1 新课程体系软硬件覆盖度分析

依托新装备条件支撑，围绕新工科教学对学生工程创新训练的能力培养要求[9]，拟对原实训项目体系进行重新梳理整合。训练项目调整的具体原则如下：（1）在有限的课堂时间内，将偏理论的基础原理、装备、工艺、方法及典型案例迁移至线上教学；（2）在尽可能保证金工实习工艺体系的完备性、不出现工种大幅缺项的前提下，压缩传统工艺课时和项目数；（3）补充或丰富与制造紧密相关的先进设计、测量、集成等内容，丰富系统级集成应用的综合案例；（4）体现新工科教学要求，体现机器人、工业互联网、人工智能、大数据、云技术、虚拟现实、3D 打印等重要元素[10]；（5）在难以开展完整实操训练的场合，采用演示+局部环节实践的方式实施；（6）增加综合创新实践，将零散项目训练进行串联。

调整后的项目方案如图2 所示。

图2 常规工程创新训练综合课程改革项目调整方案

1.2 基于工程创新项目制的课程改革方案

改革方案的主要思路是摒弃单一工种能力强化训练，以项目制为抓手，从“创新设计—数字制造—机电集成—软件控制—样机演示”的创新能力训练链条展开，采用基于学习产出的教育模式[11]，清晰地聚焦和组织教育系统，使之围绕确保学生在未来工作中获得实质性成功的经验。以协作机器人作为项目载体，完成协作机器人的设计制造与样机演示，如图3 所示。

图3 工程创新实践课程模块设计方案

1.3 面向热点主题的创新竞赛活动设计方案

面向热点主题，结合工程训练中心装备和技术优势，每年举办固定及动态主题的创新竞赛活动，对竞赛活动设置与实施的方案作如下表述：

（1）围绕热点需求和技术趋势；（2）面向全校开放，鼓励校外人员参与；（3）重点推动依托制造技术实现实物化作品的竞赛主题；（4）设计多种形式的激励措施，包括认可学分、保研加分、经济奖励；（5）与国内外大型赛事衔接，作为主赛事的内部培训选拔赛事。

1.4 基于学生自治管理的创客工作室设计方案

广泛吸引优秀学生入驻，建立学生自治工作室可持续运营的管理机制，通过激励机制增强入驻群体的稳定性，提升整体管理水平。利用兼职教师项目制实践创新活动以及开放空间的学生工作室，广泛吸引优秀学生入驻工程训练中心。学生自治工作室以开展自主创新实践活动为主要工作内容，具有固定工作空间，由学生责任人、成员组成，是能够实现自我管理和动态发展的创新实践学生小组。对于吸纳学生及学生自治工作空间的管理，初拟工作方案如表1 所示。

表1 基于学生自治管理的创客工作室设计方案

1.5 依托社会力量的创业引导平台设计方案

创新思想的产品化和创业落地将是工程创新创业训练课程的重要目标。工程创新创业训练综合改革将协调对接外部资本组织创新创业大赛，提升创新活动的社会认可度，以制造技术为门槛、融合新兴技术为定位进行创业项目引导，打造特色创业大赛品牌。创业引导平台设计方案要点如下：（1）平台采用多种形式并存的模式，包括创业引导培训类课程、讲座，创业类路演、比赛等；（2）平台依托的教师包括工程训练中心现有的教、辅资源，以及固定、非固定的校内外创业导师资源[12]；（3）通过将企业需求转化为创新创业主题、合作企业优先享有成果转化权等措施，与一定数量、规模的国内外相关行业内的重要企业形成长期稳定的合作关系；（4）与企业、地方政府、投资机构建立长期合作关系，保证创业项目的资金支持，提升创新创业项目的成功率[13]。

2 实践探索成果

在课程改革探索过程中，浙江大学工程训练中心获批国家工程创客示范基地重点工程项目——“浙江大学IBE 工程创客实践基地”建设[14]，批复项目资金2 000 万元，工程训练中心作为工程创客实践主承载平台，重点建设创新设计云中心、数字化制造中心、虚实融合实践中心、综合工程创客空间四个特色功能平台，目标是打造浙江大学工程创客教育主窗口。同时，工程训练中心为工程训练国家级实验教学示范中心单位、“十二五” 机电类专业国家级实验教学示范中心合作单位；相关教学团队为国家级教学团队；工程训练课程获评中国大学精品资源共享课、国家级精品课程、浙江省一流本科线上线下课程、浙江省一流劳动教育课程，教学资源改革建设成果如图4 所示。

图4 教学资源改革建设成果

3 结语

工程训练课程作为大学生工程实践教育的重要载体，其教学内容和形式也必须根据科学技术的发展和社会对人才的需求及时更新调整。工程创客教育理念引导下的工程训练课程改革，以培养本科生创新创业能力为主线，拓展技术涉猎面，注重前端设计能力培养，强化大系统理念，解决当前工程训练教学过程中存在的八大突出问题，取得了良好的教学成果，为工程创客教育理念在高校工程训练课程中的贯彻实践提供了有益参考。