面向智能制造的创新型人才培养实践教学体系的构建

王丽洁 张燕飞 徐德凯

［摘 要］从以学生为中心的教育理念出发，以全面提高学生解决复杂工程问题能力为目的，依托西安理工大学工程训练国家级实验教学示范中心的优质教学资源与高水平学科平台，通过搭建以智能制造为核心的大学生综合实践教学平台，构建集“教学实践、综合实践与自主实践”于一体、基于CDIO理念的“三级项目”实践教学体系，以此提升大学生协同创新能力。

［关键词］智能制造；项目式教学；实践教学体系；协同创新

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）09-0014-05

新一代信息通信技术、人工智能技术与先进制造技术深度融合，开启了智能制造新领域，给制造业带来新的理念、模式、技术和应用，智能制造成为中国制造业转型升级的新方向新趋势[1]。制造业的巨大变革也带来了本科教育理念上的转变，亟须培养智能制造工程领域大量实践能力强、综合素质高的高层次创新人才和紧缺人才。

面对日益激烈的国际竞争，要深化教育改革，提高人才培养质量，努力形成有利于创新人才成长的育人环境。当前我国工程教育仍存在以教育教学为主、发展不均衡的情况 [2]，主要表现为部分学生数理及专业基础知识扎实、逻辑思维能力强但工程思维能力、综合运用能力、团队合作沟通与交流能力不足。如何提升学生解决复杂工程问题的能力是对学生创新能力培养提出的新要求。

本文以智能制造工程专业为研究对象，依托西安理工大学（以下简称学校）工程训练国家级实验教学示范中心的优质教学资源与高水平学科平台，通过搭建以智能制造为核心的大学生综合实践教学平台，构建集“教学实践、综合实践与自主实践”于一体、基于CDIO理念的“三级项目”实践教学体系，实现大学生协同创新能力提升的目标。

一、搭建以智能制造为核心的大学生综合实践教学平台，构建综合工程训练体系

参照智能制造系统架构，依托学校工程训练国家级实验教学示范中心现有的实践教学平台，整合资源，搭建以智能制造为核心的大学生综合实践教学平台，为大学生参与“科创”活动提供基础技能、专业知识综合应用的训练。该平台在支撑载体、培养体系、制度措施、创新文化等方面为学生创新实践及专业发展提供保障。

工程训练国家级实验教学示范中心为学校独立建制的教学单位，采取全面开放的运行机制。依托传统制造、现代制造、电工电子技术、机电系统测试分析四大平台及一个云计算中心，根据本科生理论教学进程及学生能力培养的阶段性特点，构建了“培养学生基本工程素质的基础工程实践课程群，使学生具备初步工程综合应用能力的综合工程实践与应用课程群，以及培养学生工程创新意识和能力的专业技术特色与创新实践课程群”的分层次、多模块综合工程训练体系。整个综合工程训练体系采用课内外相结合的模式，课内依托独立设置的工程实践课程实施教学，并根据综合工程训练体系划分为基础工程实践、综合工程实践与应用、特色与创新实践三个课程群，覆盖全校所有专业，满足学生创新实践及专业发展的需求；课外活动通过学生科技竞赛、创新实践项目、科技社团与兴趣小组活动进行。工程训练国家级实验教学示范中心工程综合工程训练体系如图1所示。

二、构建基于CDIO理念的“三级项目”实践教学体系

创新实践教学方法，构建基于CDIO理念的项目式实践教学体系——“三级项目”实践教学体系。项目式实践教学循序渐进，贯穿本科四年的教学活动。

（一）实践教学体系构建原则

实践教学课程体系构建应遵循以下基本原则：（1）特色性原则。特色是学校生存和发展的原动力，与时俱进的人才教育培养模式是实践教学体系构建遵循的原则。（2）实用型原则。实践教学体系的构建要充分体现专业岗位的要求，与专业岗位群发展紧密相关。（3）混合型原则。体现在教师类型混合、理论教学和实践教学混合、教室与实验室混合等多方面，打破原来按学科设置的传统布局，对实践教学设施进行重新整合，形成一体化混合实践教学模式。

（二）CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），CDIO 模式把培养目标融入整个课程体系中，将每一个能力点要求具体落实到课程教学和课外活动中[3]。CDIO以全过程为载体培养学生的工程能力，包括工程科学和技术知识、终身学习能力、团队交流能力和大系统调控能力等，进而提升学生解决复杂工程问题的能力。

（三）“三级项目”实践教学体系

依据智能制造工程专业课程体系以及核心知识体系，构建以项目式教学为载体的实践教学体系——“三级项目”实践教学体系。

在“三级项目”实践教学体系中，三级项目为课内项目。通过教学使学生具备运用本门课程理论知识解决一般工程问题的能力，加深学生对课程理论知识的理解，例如“智能移动小车控制”可以作为单片机及嵌入式系统课程的项目式实践教学案例。

二级项目为课程组联合项目。通过开展课程组联合项目，培养学生解决较为复杂的工程问题，例如“面向任务应用的智能机器人系统设计”可以作为三门相关课程——单片机及嵌入式系统、智能装备设计、机器人技术及应用的课程组联合项目。

一级项目为毕业项目，即毕业设计。引导学生结合与智能装备制造领域、科学研究、系统规划、应用开发和运营管理等方面的实际案例开展毕业设计，使学生学会综合运用所学知识技能、各种工具、手段和资源，解决实际生产中复杂的工程问题。

按照上述构建原则，建立了智能制造工程专业“三级项目”实践教学体系。图2为“三级项目”实践教学体系案例。

（四）“三级项目”实践教学体系实施方案

“三级项目”实践教学体系在实施中是结合学校工程训练国家级实验教学示范中心的特色与创新实践要求展开的。通过开展专业技术特色实践和学生自主创新实践，达到培养学生创新意识和能力、专业特长、自主学习能力、综合能力的目的。

特色与创新实践包括专业技术特色实践和学生自主创新实践，专业技术特色实践对应专业课程，即实践教学体系中的三级项目；学生自主创新实践对应课程组联合项目，即实践教学体系中的二级项目。

目前，学校工程训练国家级实验教学示范中心开设的专业技术特色实践包含四大类，涵盖智能制造工程专业课程体系的实践能力要求，为课内活动；学生自主创新实践通过课外科技竞赛、创新实践项目、科技社团与兴趣小组活动的方式进行，为课外活动。结合工程训练国家级实验教学示范中心的特色与创新实践要求，确保“三级项目”实践教学体系的有效实施，以课内、课外项目实施为主线，以学生为主体、教师为引导，通过团队合作的方式完成项目，培养学生解决实际生产中复杂工程问题的能力。“三级项目”实践教学体系实施方案如图3所示。

（五）项目式实践教学文件

项目式实践教学的实施步骤通常包括提出教学项目、组建项目团队、制订项目方案、组织项目实施、进行项目评价等环节[4]。因此，教学文件的规范对项目式实践教学的顺利实施至关重要。通过“以落实为途径”的教学大纲、“以规范为原则”的统一制式化课程教学文件，进行相关项目式实践教学案例的设计，完成项目式实践教学文件的编写。项目式实践教学文件包括项目教学大纲、项目任务说明书、项目课程教案、项目实施流程等。

在进行项目式实践教学文件编写中，要根据不同项目案例的特点，制订详细的实施流程。通过可执行的实施方案，将项目式实践教学落到实处，并便于开展过程考核。例如，某二级项目的实施流程基本框架可以设计为资料查阅方案设计→三维设计仿真分析→电路设计软件编程→零件加工装配调试→团队竞赛汇报讲演。

（六）多元化考核方式

项目式实践教学评价应坚持能力本位，注重过程评价，考核目标从知识掌握转向综合能力提升，评价重点从个人考核转向团队评价，评价主体从教师为主转向教师、学生和企业多方参与[5]。采用多元化考核方式，加强过程考核，改变单一考核模式，制定过程化考核评分细则，强化能力测评。例如，某二级项目的考核可以从项目研究、讲解表达能力、团队合作能力、知识掌握与运用情况、实践操作情况、平时表现等多方面进行最终考核结果的评定。

三、实现协同培养

实现协同培养，即多学科专业间的协同培养、工程实践能力与研究能力的协同培养、校际创新人才的协同培养、不同教育阶段的协同培养。

（一）多学科专业间的协同培养

智能制造工程专业具有机械工程、控制科学与工程、计算机科学等多学科交叉背景。学校通过“优化理论课程体系，结合新理论与新技术、科研实践中的工程实际案例等更新课程内容，建设优质信息化课程资源；开展基础工程实践—综合工程实践与应用—专业技术特色与创新实践的分级渐进综合工程训练课程教学；开展教材与教学内容的协同性研究，将教学成果、科研成果写入教材，为实施研究性教学提供知识载体；创新实践教学方法，构建基于CDIO理念的项目式实践教学课程体系”等多种方法，达到了多学科专业间协同培养的目的。

（二）工程实践能力与研究能力的协同培养

学校现有教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室、陕西省机械制造装备重点实验室、陕西省现代装备绿色制造协同创新中心、唐仲英大学生工程实践能力培养基地等优质教学资源与高水平学科平台，工程训练国家级实验教学示范中心采用课内课外相融合、基础与创新相贯通的训练方式，以及预约与开放相结合的灵活运行机制，吸引了学生的广泛参与，实现学生工程实践能力与研究能力的协同培养。同时以多层次科技竞赛为牵引，积极构建国际化学生创新实践平台，开展自主性、个性化、研究性科技创新活动。

（三）校际创新人才的协同培养

工程训练国家级实验教学示范中心的创客教育基地联盟、众创空间—西理工/工创汇以“双创”社团为依托，服务于学校各类工作与交流合作活动（科技竞赛、招生宣传、集聚资源、媒体宣传等）。近几年，学生“双创”成果与项目成果在西安市科技活动周、中国·大西安国际创客节、西安教育博览会等重要活动中得到展示，成为学校“双创”实践成果的亮点，提升了学校的社会影响力，相关成果在40余所高校得到推广应用。西理工/工创汇已成为国家级科技企业孵化基地、陕西省和西安市的高校众创空间，加强了校内各部门、各学科专业、高校与高校的协同合作，实现校际创新人才的协同培养，形成了良好的“双创”生态。

（四）不同教育阶段的协同培养

积极推动国内外交流，通过开展科技节活动、面向中小学生的科技创新夏令营等社会服务活动，使中学生进一步了解智能制造领域的科学问题和工程技术难题，激发他们的兴趣，为以后其进行专业选择、学业规划奠定基础。同时，本科生通过参加多层次科技竞赛及项目课程学习，其工程实践能力得到了提升，为其研究生阶段开展研究打下基础。通过进行高中生—本科生—研究生无缝衔接培养体系的探索，实现不同教育阶段人才培养的协同。

四、结语

学校以提升学生解决复杂工程问题能力为目标，根据工程教育对人才培养的要求，整合理论教学与工程训练的内容，基于CDIO理念，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，通过“三级项目”实践教学体系的构建，让学生以主动的方式学习工程，并在实施过程中总结项目执行中的经验。依托学校工程训练国家级实验教学示范中心现有的实践教学平台，整合资源，构建以智能制造为核心的大学生综合实践教学平台，营造协同创新文化环境。

智能制造作为一个系统工程，强调数字化设计与制造、智能装备、智能机器人、物联网（工业以太网）、人工智能、大数据、云计算等关键技术的集成，涉及机械工程、控制科学与工程、计算机科学等多个学科。本文面向智能制造工程专业，在实践教学平台搭建等方面进行了多项实践和探索。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 陈柳，姜华，薛韩玲，等.CDIO?OBE阶梯式专业实践教学体系构建和实施[J].科技与创新，2023（1）：178-180.

[2] 王桂林，李方伟.近五年我国高等工程教育的研究现状与发展建议：基于2012—2016年研究论文的量化分析[J].辽宁教育行政学院学报，2018，35（2）：101-105.

[3] 汝骅.“三目标取向、三课堂联动、三层次递进”实践教学体系构建与实施路径研究[J].高教学刊，2023，9（3）：21-24.

[4] 张安富.项目化教学是提高工程型人才培养质量的有效之法[J].高等工程教育研究，2019（3）：166-169.

[5] 郑立星，吴彦丽，王峰，等.“双碳”背景下新工科多元立体化创新实践教学探索：以山西大学能源与动力工程专业为例[J].大学教育，2023（10）：28-30.

［责任编辑：苏祎颖］