工程實訓教學的探索與實踐
——工程科學前沿與實踐課程設計與實施

葉回春，倪向貴，朱雨建

（中國科學技術大學a.工程科學實驗教學中心；b.精密機械與精密儀器系，合肥230026）

0 引 言

在國際競爭日益激烈的知識經濟時代，創新能力已經取代自然資源成為主導國家核心競爭力的決定性因素［1-3］。高等教育作為培養學生創新能力的主要陣地，肩負著科技興國和人才強國的重任［4-5］。而實踐教學作為高等院校教學不可或缺的重要組成部分，它在培養學生綜合素質和創新能力方面所起的重要作用是其他任何教學形式都無法替代的［6-8］。

把更多的時間留給學生實踐，從實踐中加深對課程的理解，把實踐教育作為理論知識傳授的落腳點，是現今越來越多高校的共識，也是很多高校課程體系改革發展的趨勢［9-11］。然而純粹的工程實踐課多數是讓學生機械化地重復教師設計安排的固定實踐任務，很容易造成學生學習興趣低，學習勁頭不足等問題，最終導致了學生創新思維培養受限、學生不會主動學習［12］。而且單一的培養模式與目前社會多樣化的人才需求背道而馳［13-15］。此種形式下的實踐教學，學生上課比較迷茫，沒有方向感，不了解實踐訓練的意義，課程氛圍沉悶，無法有效調動學生上課積極性，不利于學生創造能力的培養。

鑒于上述情況，重新規劃設計工程實訓課程體系內容與上課形式，建立多層次化的實踐課程體系，在課程內容中增加學生自主創新設計的項目，同時在實踐過程中穿插前沿講座，并增加綜合實踐訓練項目，以充分保障工程實踐教育在培訓學生動手能力、創新思維的作用，全面提升學生的綜合素養，最終達到拔尖創新型人才培養的目的。此舉措已在我校工程科學學院實施，并取得了良好效果。

1 課程背景與教學目標設計

工程科學前沿與實踐定位為面向低年級本科生的工程科學（以力學、熱學、能源、機械、測控、安全等學科為主）通識教育課程，是為滿足現代先進制造技術發展與新時代學生培養需求而設立的課程，由原金工實習課程優化改革而成。課程分為理論部分與實踐部分，理論授課部分圍繞工程科學學院學科相關的若干前沿工程問題系統展開；實踐部分將重點讓學生接觸現代加工制造及與工程問題相關的創新實踐。目的是讓學生在大一階段能全面、直觀地了解工程學科的前沿學科知識、應用前景，充分展示工程學科的魅力，尤其是通過實踐課程讓學生對現代工程技術有切身體會，激發學生學習興趣，培養學生實踐綜合能力與創新能力。

2 課程內容體系

鑒于上述需求及考慮，課程體系內容按層次調整為3 部分。①前沿講座。前沿講座部分在課程穿插進行，每學期邀請4 ～5 位相關領域著名專家學者，親臨現場給學生做工程科學領域的專題講座、專家報告，介紹工程科學各領域的科技前沿，以及學科知識在具體工程問題中的應用。從而解決學生實踐教育中為什么學，學了有什么用的困惑，達到增強學生學習主動性的目的；②工程科學實踐。工程科學實踐部分除了傳統的車銑刨磨、表面電化學、焊接外，增加三坐標測量、六自由度測量、反求測量等先進精密測量技術，并精心為學生設計了需自主設計模型、自主加工的環節，如3D打印技術、激光內雕、數控線切割、數控銑削等，學生通過已學習理論知識，充分發揮自己想象力，在給定尺寸的毛坯內設計作品，并操作設備儀器自行加工，達到提升學生創新思維能力的目的；③ 綜合創新實踐。學生在掌握了一定的實踐技能及工程素養后，根據學院各專業性質，設置了工業機器人、智能機器人、小型飛行器及新能源等4 個實踐項目，學生根據興趣自由組隊選擇其中1 個，每組推薦組長，教師設定大致方向與考核要求，學生根據所學實踐技能、編程語言、工程力學、機械制圖等知識，分工協作進行作品設計并實現制作。此舉不但能起到對前面學習效果的檢驗，更為重要的是在此過程中培養了學生的綜合創新能力、項目組織能力及團隊協作意識。課程體系具體內容及層級關系見圖1。

圖1 工程科學前沿與實踐課程體系內容及層級關系

3 教學團隊建設

教學隊伍是課程實施的主體，教師素質的高低直接決定了課程效果。而促進教師隊伍發展、提升教師教學水平、提高人才培養質量與辦學水平，最有效的辦法就是進行教學團隊建設。目前很多高校的工程實踐中心普遍存在著師資力量不足、師資構成不合理的窘境，為解決這個問題，大膽提出了在現有師資基礎上，充分挖掘內部師資力量組建教學團隊的辦法。學校工程實踐中心率先實施，組建了一支以中心在編老師為主導，以聘任退休返聘教師、教學科研崗兼職教師及助教等為輔的教學團隊。充分利用退休老教師豐富的教學經驗，教學科研崗教師貼合前沿知識、理論知識更深入，再輔以與學生年齡相仿的優秀助教，充分保障了課程教學的正常開展與教學效果，同時對中心的發展起到了很好的促進作用，教學團隊構成及功能見圖2。

圖2 教學團隊建設及功能

4 教學設備與環境

先進的教學設備及良好的教學環境是實踐教學開展的基礎條件。為跟上當前日益更新的先進科學技術，同時匹配課程體系內容，有目的有規劃地進行設備購置與研制是開展實踐教學的必備條件及源動力。以我校工程實踐中心為例，除配備傳統的車銑鉆磨焊等基本設備之外，還采購了美國Dimension FDM（熔融沉積）型3D打印機、3D System SLA（立體光固化）3D打印機、SLS（激光燒結）3D 打印機、先臨激光內雕機、MAZAK 數控車床、DMU 五軸加工中心、ABB 工業機器人、蘇州三光中走絲、慢走絲、三坐標測量機、六自由度測量儀、三維掃描儀等先進設備，設備總覽圖見圖3，為了使學生能夠更深廣度地接受前沿學科知識，中心更是斥巨資購置了五軸單點金剛石超精密加工設備Freeform L，見圖4。實踐中心所購設備均放置于空調房內，并制定了完善的安全管理規定，充分保障學生的安全與上課環境。

圖3 工程實踐中心設備總覽圖

圖4 單點金剛石超精密加工設備Freeform L

5 課程實施辦法

實踐課屬于必修課程，沒有足夠的教師、場地及設備，對于課程的安排實施是非常困難的。大班教學、多人同時使用一臺設備，顯然這種授課方式的效果不理想，學生上課的興趣會降低。因此，在條件允許下仍舊以小班、個性化的教學方式更受學生歡迎。具體形式為以小組方式上課，教師根據學生技能熟悉階段及知識掌握程度適當調整教學進程與時間，此種方式能給予學生更多創新的實踐機會鞏固所學知識與實踐手段。

我校工程科學前沿與實踐課程在實施中，理論部分前沿講座作為導向及工程實踐的應用著力點，采用大班教學。每年邀請4 ～5 位國內外在工程領域知名專家學者給學生做前沿報告，每次約3 學時，介紹工程科學的發展概況、學科前沿、具體工程應用等。讓學生在實踐中切身體會工程科學的實用技術背景，激發學生對工程科學的興趣；工程科學實踐小組教學，每組6～8 人，每學期安排12 個左右的項目實踐，培養學生的創新思維能力及動手實踐能力；綜合科學實踐安排在整個課程中最后部分，學生可以根據自己的興趣選擇相應的綜合實踐項目，分工協作共同完成一個較為完整作品的設計、加工、組裝過程，提高學生的綜合能力，同時也能對后面專業課的學習起到引領作用。

6 結 語

創新性地提出在工程實踐課程中增加前沿講座與綜合實踐，很好地解決了學生為什么學、如何學、學有何效果的問題，激發了學生學習的興趣。通過合理組織課程內容，將創新實踐項目與傳統實踐項目結合，有利于學生實踐動手能力與創新思維能力的培養。組建合理有效的教師團隊，保障實踐課程順利實施。這些課程改革思路已經在我校工程科學學院工程科學前沿與實踐課程中開展了一學期，學生反饋效果良好。在今后的教學活動中，將不斷提高團隊的教學水平，進一步提升工程實踐課程的教學質量。