综合性大学工程训练教学研究与探索

    宋崇杰 胡明宇 陈东

    

    

    摘 要：针对综合性大学工程训练教学内容单一，学生收获不大的现象，分析了大学生的学习目的和实现方法，阐述了工程训练教学资源的特点，构建了武汉大学大学生工程训练的教学内容及教学方法、自由选课的教学体系和教学质量评价体系。

    关键词：综合性大学;工程训练;教学资源;教学内容、教学质量评价体系

    Abstract：Aiming at the single content of engineering training in comprehensive universities，and the fact thatthe students have little gain，the learning objectives and implementation methods of college students are analyzed，the characteristics of engineering training teaching resources and teaching method are expounded，and teaching system and teaching quality evaluation system are constructed，which include the teaching content and free course selection of engineering training for Wuhan University students.

    Key words：comprehensive university;engineering training;teaching resources;teaching content，teaching quality evaluation system

    1 教學现状

    目前，工程训练的教学内容基本上都是根据学生专业选择标准训练套餐，让学生围绕一个简单作品的制作，而开展各种操作技能的训练（车、铣、钳、热处理、焊接等）、编写数控加工程序的训练（数控车、加工中心、线切割等）以及其他CAM软件的使用训练（激光加工、3D打印等），教学内容简单、单一，缺少思维能力的训练，参加工程训练的学生收获不大，学生普遍对该门课学习积极性不高，全国各高等院校对究竟该如何开展工程训练，并没有形成完全的共识，依然处于困惑之中。

    2 大学生的学习目的和实现方法

    学习的目的是建立自己的世界观、人生观和价值观，以及提高认识世界和改造世界的能力，是不断重新建构、发展、完善自己的思维结构和思维品质、改变自己的行为能力的过程，学以成人。处在科技高速发展和信息爆炸的今天，未来许许多多工作将会被人工智能所代替，社会发展充满着极大的变数，如何为适应未来而学习是我们每个人共同面临的严峻问题，我们认为大学时代教育核心应该是学习能力、实践能力、人际能力和思维能力等综合能力的教育;一切教育内容及形式都要服务于提高学生的综合能力。

    思想决定行动，所以一个人的核心能力是思维能力;一代又一代教育学家研究出的学习理论告诉我们，一个人的思维结构与思维品质的形成和完善，与他所接受的文化熏陶和所经历的人生学习与实践阅历有极大的关系，可以说学习与实践的阅历越丰富，越容易形成相对完善的思维结构与思维品质;学习的进阶过程是知其然、知其所以然、知其未然。因此，学校的教学应该围绕着挖掘多种优质的教学内容，并引导学生形成团队，围绕多种优质的教学内容去探索、去研究、去提出问题、去分析问题、去解决问题，从而培养学生的创造思维等综合能力。

    3 工程训练教学资源的特点

    工程训练是基于各种工业设备和实验设备的教学，是一种工业情境下的教学，每一台或每一套设备都是一个完整的体系，它包含着设备的使用方法、设计原理、控制原理、机械结构、电气结构、软件结构，甚至软件的算法和网络结构等，为此我们认为工程训练的教学设备是内容丰富的优质教学资源;是培养学生的认知能力、实践能力、工程思维、人际能力的最佳训练平台，它可以使思维教学具体化、生动有趣。

    基于加工方法的探究能培养学生操作运动机器的胆量、素养以及理论联系实际的能力。比如说数控机床操作中的急停操作，学生在首次运行自己设计的加工程序时，因为存在程序的错误而导致撞坏机床的风险，故要求学生的手必须放在急停按钮上方，保证即将发生危险时随时能按下去，将这种方法用于开车，急停就相当于刹车，当车辆进入危险行驶状态时，司机的脚应该提前放到刹车的上方，具备了这种素养的司机，开车就不会在慌乱中误将油门当刹车。加工出一定形状的零件并不难，加工出高精度的零件可不是一件容易的事情;在数控加工中，要根据零件形状和材料，选择合适的数控机床、设计机加工夹具、选择合适的切削参数，还要用到数控的补偿原理等，才能加工出精度误差小于0.01mm的高精度零件。这种加工探究训练可以培养学生理论联系实际的实践能力和胆识。

    基于设计原理的探究是透过现象看本质认识世界的过程，是每个人极其重要的能力;人的能力差异的第一步就是看谁能透过纷繁复杂的现象尽快抓住事物的本质，而这种能力是在无数次的实践中形成的，工程训练的每个模块都有不同的设备，分析看透每一种设备的设计原理，具有一定的挑战性，需要学生运用已经掌握的理论知识分析、综合，甚至需要老师的指点下才能弄清楚。比如金属切削机床的切削原理是刀具和工件之间的相对运动，将工件毛坯上多余的材料切除掉，形成一定形状、尺寸和精度的零件[1];做的是减法。3D打印则是用材料相对工作台的运动，堆积成形成一定形状、尺寸和精度的零件[2];做的是加法。它们的共同点就是运动成型。

    基于控制原理的探究是挖掘探究逻辑关系的过程，是形成个人信息处理、自我管理和组织管理的一个很好的训练平台，现代设备基本上都是一个比较成熟的完整系统，涉及到每个子系统的控制、涉及到子系统之间、还有与人之间的协调和信息沟通，将控制原理融会贯通，对提高学生的思维品质会有极大的帮助。比如自动控制中常用到的互锁逻辑关系实际上就是非逻辑关系，多点控制实际上是或逻辑关系，只有若干个运动条件满足才能运行，实际上就是与逻辑关系;数控机床中常用到的闭环控制原理，是数控机床能加工出高精度零件的核心技术之一;一个人掌握了闭环控制原理理念，用到做每件事情的实践活动中去，尤其是经常要做的事情，无论大小事情都会逐步做到极致;企业全面质量管理PDCA循环工作模式就是一个很好的案例。

    基于机械结构、电气结构和控制结构的探究，能训练学生的发散思維和收敛思维能力，能训练学生的空间思维能力和时间逻辑思维能力。能满足设计原理的机械结构和电气结构，一般来说有多种方案，寻求多种方案的过程就是一个发散思维的过程，比较所有方案的合理性，确定最优方案就是一个收敛思维的过程。任何物体都在三维空间里，随着时间的不同而发生变化;任何机器设备都是由不同的部件所构成，每个部件又是由不同的零件构成，每个零件由不同的要素构成，它们共同构成一个系统整体，在电气的控制下，根据需要运动在三维空间里。当一个学生通过了解一台又一台设备的机械结构、电气结构和控制结构，并在脑海里留下系统的完整的形象，在脑海里能装积木、拆积木、运动积木，这就形成了极强的空间思维能力和时间逻辑思维能力，一个优秀的机电工程师是在脑海里完成机器的构建，再用图纸表达出来，可以说空间结构思维能力是机电工程师必备的能力，也是一个人很重要的认知能力。

    包括宋健[3]、朱高峰[4]等院士在内的国内学者都十分关注我国工程教育发展。涂善东等[5]呼吁将工程教育置于国家优先发展的地位，倡导全面工程教育理念，并提出工程素养的培养对象上不仅要提升工科大学生的工程素养，更要强化“工程为人人，人人知工程”的理念，提升非工科学生甚至其他公民的工程素养。

    4 工程训练内容及教学方法

    4.1 教学内容

    综合性大学的工程训练可以分成两大类，一类是工程紧密专业类（如机械、自动化、测控、计算机、电子等）、二类是工程非紧密类（包括文艺理管等）。针对工程紧密专业类的学生应该尽可能多的开展各种模块的训练，一是通过对各种设备的认知，提高学生的认知能力，并激发其专业兴趣;二是直接沉淀各种机械结构结构知识、软件结构知识、控制方法等专业技能;三是训练其工程意识和工程思维能力。对于工程非密切专业类的学生，教学内容可以少些，探索的深度可以科普化些，主要教学目的是通过扩展学生的实践领域和工程领域的认知训练和思维训练，从而达到健全完善他们的思维能力的目的。在这个关注个性和自我的时代，针对每个学生的兴趣和特长不同，所有的训练模块都由学生自由选择，即个性化定制，实训学时数对应其所得学分数。课程内容及学时分配表如表1：

    4.2 教学方法

    各训练模块的教学方法简单描述如下：

    （1）车削、铣削、钳工、铸造、焊接、热处理、钣金、气动属于工业2.0的电气控制工程技术，主要训练学生操作机器的胆量和实践动手能力，教学以学生操作为主。

    （2）线切割、数控车、加工中心、3D打印、激光加工、机电综合、电工电子属于工业3.0的数控控制技术，主要训练学生的原理和结构认知能力、数控编程能力、机器的操作能力，教学方法主要是学生探究或老师讲授原理+学生操作机器验证自编程序的正确性或用技术原理指导建立加工坐标系、加工高精度零件。

    （3）智能制造属于工业4.0的智能控制工程技术，也包含了工业1.0、2.0、3.0技术，主要从更高层次（网络技术+信息技术+自动化技术等）训练学生的原理、结构认知能力和批判思维能力，教学方法主要是老师讲授或学生探究原理+学生观察机器的运行+学生提问+改进建议+自由讨论+结论;强调自由探究学习，批判学习，自由讨论、创新思维等。

    （4）在认知教学、技能教学的基础上增加趣味性教学成分，即每个训练模块或者组合原则上要制作一个作品，如3D作品、激光雕刻作品、加工中心的毛笔砚台作品、智能制造的手指陀螺作品等。

    针对工程非紧密类专业的学生酌情减小难度系数，针对紧密类专业对某模块有深度要求的学生，我们开设了3D打印、激光加工、数控加工、智能制造基础设计实践、创新设计实践等独立选修课。

    5 教学质量的控制

    教学质量评价反馈的作用，一是对授课老师的教学质量进行科学的评价;二是帮助教师改进教学内容和教学方式，三是督促教师不断提高自己的教学水平，真正做到训练学生的思维能力、专业能力和人际能力以及科学素养。保证课程的教学质量可以从以下几个方面进行：

    （1）充分利用训创中心现有设备和实训老师的资源，培养学生动手能力及发现问题、提出问题、解决问题的实践能力和思维能力。

    （2）各课程模块原则上以4学时为基本单位，总课程模块可逐年增加新模块，每个课程内容应不断改进完善，使课程内容尽可能饱满、性价比高。

    （3）学生自主自由选择感兴趣的课程模块，提倡“个性化培养”。

    （4）建设教师团队，帮助每个模块的指导老师从导入、内容设计、教学方法、总结等多方面不断提高教学质量;每个教师都应扬长避短，精诚合作，逐年提高每一个实训模块的教学质量。

    （5）建立教学效果评价机制，教师自评，学生评价，领导评价，见表2。

    （6）开放式的教育机制，多进行交流学习，欢迎所有关爱教育人士的批评和建议。

    6 结论

    该教学方法经过武汉大学人文、新闻、思政、医学、数学、计算机、环境科学、机械、自动化、电气工程、能源、水质化学、环境工程、测绘等专业开展的工程训练教学尝试，深受学生欢迎，同学们都表现出极大的热情，课堂踊跃发言，自由讨论，老师随机与学生讨论探索，同学们都深深感觉到了理论在实践中灵活运用后的巨大价值，思维能力得到了很好的训练，收获颇丰。该工程训练教学内容和方法突破了传统的教学模式，值得推广。

    参考文献：

    [1]巫世晶，宋凤莲，潘卫平，王晓笋，宋崇杰.工程实践（第二版）[J].中国电力出版社，2011，12：77.

    [2]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（04）：1-4.

    [3]宋健.发展中国的工程教育[J].清华大学教育研究，2000（1）：4-5.

    [4]朱高峰.面向21世纪的工程教育发展与改革[J].高等工程教育研究，2000（1）：3-8.

    [5]涂善东.全面工程教育的探索与实践[J].中国高等教育评估，2007（4）：29-32.