新工科3E背景下工程训练教学改革

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  【摘要】基于国家战略和国际竞争的现代工程人才需求,新工科提供了解决方案。新工科强调重视创新实践教学,强调积极应对,主动塑造。工程训练教学作为创新实践教学的重要组成,秉承“整体归零、全盘重构”的改革宗旨,重新定义工程训练的教学含义,重新塑造工程训练的教学理念,重新构建工程训练的课程体系和教学保障体系,实现了工程训练全面深入的教学改革。
  【关键词】新工科  现代工程人才  工程训练  教学改革
  【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2020)09-0242-03
  当前,新一轮科技革命和产业变革生机蓬勃,以新模式、新业态、新产业、新技术为支撑的新经济发展日新月异。作为促进社会进步和国家发展的中坚力量的工程科技,最为直接地影响国家的发展,所以,工程教育发展和改革大势所趋,新工科建設依势而立,应运而生。2017年2月,由教育部牵头,众多高校积极参与的“复旦共识”,探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择,对工程教育改革和发展的必然性达成共识;对各类高校的工程作用定位达成共识;对新工科发展决定因素和努力方向达成共识。2017年4月,“天大行动”,教育部组织,60余高校共商新工科建设的愿景与行动。2017年6月,教育部在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议,全面启动、系统部署新工科建设。并审议通过《新工科研究与实践项目指南》,称“北京指南”。至此,新工科建设号角正式吹响,新工科建设势在必行地走上发展的舞台中央,犹如星星之火,在广袤的神州大地上遍地开花。[1,2,3,4]
  1.解读新工科人才培养要求
  当前,新科学、新技术、新工艺、新设备、新材料等以“大数据”“互联网+”为催化剂,催生新模式、新业态、新产业,然后级迭代更新,并深度交融,交替循环,周而复始。现代工程已然演变成一个综合性极高的复杂系统,越加趋于开放化、共享化、数据化、协同化、集成化、系统化。不仅涉及科技、设备、工艺、材料等技术要素,还涉及社会、政治、经济、文化等非技术要素[5]。要解决现代综合工程问题,人才是重中之重。“Engineering Education in a Rapidly Changing World”中提到,适合现代和未来的工程人才要储备广泛的工程科学基础知识,拥有系统的、跨学科的、创造性的、全球性的思维模式,具备沟通与协作、领导和决策及终身学习能力。根据我国的战略需要,结合未来工程的发展趋势,新工程人才必须要具备知识、能力、素质的全方位特质,具体来说,要具备优良的道德品质和专业素养、扎实的工程科学知识、全球性眼界和大工程思维、跨学科系统性思维、绿色可持续思维、创新精神和创新创业能力、解决复杂工程能力、工程管理和领导能力、实践能力、沟通与协调能力、持续学习能力[6]。新工科为新工程人才培养提供全新的解决方案,其强调立德树人,强调主动适应时代发展,主动面向未来变化;强调从工程教育的理念、结构、模式、质量及体系全方位革新;通过继承创新、交叉融合、协调共享等途径;实现能够适应时代发展和未来变化的多元化、综合创新型卓越工程人才培养。
  2.工程训练教学现状及改革路径
  “世界银行贷款”“质量工程”等项目建设,尤其是2016年以来,我国正式成为《华盛顿协议》缔约成员,国际等人才培养机制成为工程教育的行业标准,工程教育渐渐开始回归本位,实践在教学中的作用得到重视,工程训练教育在工程教育中的作用开始凸显[7,8,9]。工程训练教学在“平台打造,硬件加强,师资提升”等方面得到了长足的发展。另外,国家大力发展双创教育,也为工程训练中心发展提供了时代性的发展机遇。诸多学校紧抓双创教育和工程训练教育的共同发展,利用工程训练教育平台优势,大力开展双创实践教育,得到了国家相关政策的大力支持[10]。众多“大学生综合创新创业示范中心”、“实践育人创新创业教育示范基地”、“大学生工程实践与创新创业训练中心”相续成立。可以说,工程训练教学已经基本实现“平台精良,师资合理”的建设目标[11]。但是,面对日新月异的新工程人才需求,落后的教学体系及单一的、生硬的教学方法与新时代的教学需求之间的矛盾日趋凸显,工程训练教学改革意义重大并且迫在眉睫。
  新工科强调工程教育要更加注重创新型实践教学。工程训练教学作为新工科工程实践和创新实践教育的重要组成,工程训练教学改革不能只停留在旧体系上的拆东补西、旧模式和旧方法基础上的添砖加瓦。必须要整体归零,全盘重构。要以着眼国内、放眼全球的大格局大视野作为方向,以新工程人才培养为核心,以适应时代、面向未来为基准,以继承创新、交叉融合、协调共享为路径,要积极打碎历史的陈旧壁垒,主动进行革命性、创新性的教学改革[12]。教学改革要从顶层统筹规划,从全局布置设计,改革深入理念、结构、模式、质量、体系等全方位,具体来说,是要树立正确发展理念、确立目标和任务、重新构建工程训练教学体系和工程训练教学保障体系,全面彻底地重构新工程训练教学。
  3.新工程训练教学的定义及发展理念
  3.1 新工程训练教学的定义
  新工程训练是高等院校根据新工程的内在关系和现代工程需求的创新型卓越工程人才的成才规律,以现代大工程作为背景[13],在高校工程训练中心对学生进行机械、材料、电子、控制、数据、计算机、设计、制造、工艺、管理等多学科、多领域的知识、能力和素质的工程类全面训练,从而培养学生优良的道德品质和专业素养、扎实的工程科学知识、跨学科系统性思维、全球性眼界和整体工程思维、实践能力、解决复杂工程能力、工程管理和领导能力、沟通与协调能力、创新精神和创新创业能力。工程训练教学是高等院校落实素质教育的重要环节,是高等院校实施工程教育专业认证实践教学的重要支撑,是学生前期知识的巩固和应用以及后续知识、能力、素质提高的重要手段,是双创教育的重要途径,是多学科交叉融合实践教学的重要载体,是实现新工科下新工程人才培养的重要平台[14,15,16]。   3.2 新工程训练教学理念
  以学生为中心,以新工程人才培养为目标,以创新及多学科交叉融合、继承与持续优化、先进与开放共享为理念,依托学生、教师、学校、企业等多主体参与,重塑科学地、全面地课程体系和可靠的教学保障体系[17]。实现学生在知识拓展、能力培养、素质提高等方面协调发展。
  3.2.1 创新及多学科交叉融合理念
  十六大提出“创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力”,十八届五中全会提出“必须把创新摆在国家发展全局的核心位置,让创新贯穿党和国家一切工作,让创新在全社会蔚然成风”。众所周知,科技创新是多学科交叉融合再升华的结果。所以,开展多学科交叉融合教学促进高素质创新人才的培养是我国高等院校的重要任务,工程训练中心作为面向全校的公共创新实践平台,具有公共性、开放性、全面性、创新性和实践性,易于突破学科及专业的限制,便于整合全校的资源配置,利于形成学生结构的多元化,在此基础上,结合平台先进精良、师资队伍多元化的独特优势,打造多学科交叉融合的综合性创新型工程实践训练教学,实现创新型高素质人才培养目标。
  3.2.2 继承与优化,可持续发展理念
  现代工程是一个趋于精细化、系统化、集成化、数据化、开放化、共享化、协同化的综合性极高的复杂系统,涉及到设计、制造、材料、电子、控制、市场、成本控制、管理等方方面面,但工艺技能要求始终贯穿现代工程的全过程,全局性的工程视野和精湛的技术能力在现代工程中都举足轻重。所以,传统的基础工程训练对学生工程认知、基础实践技能的培养作用明显,继承工程训练教学中传统训练对学生“精益求精、追求卓越”的工匠精神培养十分必要,但又不能只停留在传统,要在传统工程训练的基础上优化转型。由传统制造技术向先进制造技术训练侧重,由碎片化的单一技能培训和产品工艺训练向系统的、综合的创新实践训练和全面的产品全生命周期综合制造训练转型[18,19]。营造现代工程背景,以多元化、综合创新型卓越工程人才培养为目标,以制造技术训练和产品工艺训练为基础,以产品全生命周期综合制造训练为主体,开展分阶递进的、连续全面的、广泛多元的、综合创新的工程训练教学。
  3.2.3 先进与开放共享理念
  “Made in China”风靡全球,但我国制造业大而不强是不争事实,平台先进,设备精良是制造业由大变强、模式由“中国制造”转型为“中国智造”的关键因素。作为最为贴近工厂和创研基地的工程实践平台,工程训练中心应全力整合校内外资源,争取各项资金,打造以特种加工、3D打印、无人机、机器人、物联网、智能制造、虚拟仿真、数据采集等先进设备、技术为支撑的数字化、柔性化、信息化、智能化的先进创新实践平台。另外,工程训练教学的发展,仅仅依靠各校工程训练中心单打独斗是远远不够的,开放共享才是发展之道。打造工程训练中心与校内其他院系开放共享平台,利于打通人才联合培养渠道,利于优势互补、共建共享[20];打造校企开放共享平台,利于满足企业人才需求,利于促进创新成果转化;秉承“全国工训一家亲”理念,打造“全国工训云”开放共享平台,利于各高校优势互补,取长补短。开放共享,对资源整合,绿色发展具有重大意义,对全国高校学子共同进步作用显著。
  4.工程训练的教学体系
  新工程人才成才规律和本科培训方案,决定了工程训练教学具有过渡性、综合性、实践性、探索性和创新性的特点,根据“以本为本,覆盖硕博”的教学定位,深度契合专业课程,构建层次化、阶段化、递进化、模块化、柔性化的“本科四年不斷线”的工程训练课程体系。
  课程体系由基础工程训练、综合工程训练、创新工程训练以及特色工程训练四个内容组成,内容丰富,层次分明, 责任明确[21]。A.基础工程训练。开展年级:本科一、二年级。从工程认知开始,通过操作培训和工艺技术训练,达到扩充专业知识储备,提升实践能力,树立工程意识和培养工程素质的培养目标。B.综合工程训练。开展年级:本科二年级。以指定产品的制作为训练主线,比如服务机器人、3D打印机、齿轮泵、多连杆机构等综合工程训练,以制图→工艺分析→零件制造→装配→调试→运行为主线,以团队合作的方式完成,在提高学生实践能力、工程意识和工程素养的同时,锻炼学生协作、组织以及沟通能力。让学生亲身体验一个作品从无到有的奇特魅力,激发学生对工程实践课程的兴趣。C.创新工程训练。开展年级:本科后三年。学生跨专业组建创新团队,基于工程或生活的痛点问题,通过国际工程教育认可的CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)教育模式的序列教学[22],实现一件或一系列创新产品的创作。不仅进一步提升学生团队协作能力、沟通交流能力、组织能力,同时还培养学生成本核算能力、市场分析能力以及解决工程问题能力,尤其是对学生创新兴趣的激发,创新精神和创新能力的提升效果显著。D.特色工程训练。开展年级:本科三、四年级及硕博。在创新工程训练的基础上,以“工程训练+”的模式,为学生毕业设计、自主创新、项目实施、竞赛提供保障。对新工程人才培养提供有力支持。
  5.工程训练教学保障体系
  为了满足现代工程对工程人才愈加严格的质量要求,加之工程训练教学规模在逐年扩大,内容在不断拓展,形式在逐渐丰富,工程训练教学压力凸显[23]。构建科学、全面的工程训练教学保障系统,尤其是可靠的安全保障和科学的质量保障,是实施教学课程体系的前提条件,是达成教学目标的有力保障。
  5.1工程训练教学安全保障系统。
  安全是教学开展的前提,是教学任务中的重中之重。树立“以人为本,预防为主,生命至上,安全为先”的安全理念[24],以思想保证、组织保证、制度保证和激励保证的“安全四保证”作为基础,构建以学生为中心、教师和学生为主体、全员参与、全员负责的工程训练教学安全保障系统。
  工程训练教学安全保障系统包含安全意识树立与培养、制度建设与落实、责任落实与监管等方面。A.树立安全意识。安全意识是工程意识的重要组成部分,是综合素质培养的重要任务,让安全意识培养贯穿到工程训练教学的全过程,结合先进可靠的“7S”规范管理,将考核细化到教师工作和学生学习的每一细节。从理念上杜绝安全事故发生。B.安全监察和管理。以教师和学生为对象,学校组织安全督查小组,中心组织安全办公室,负责安全检查,整改监督,安全考核。形成全面无死角的安全督查机制,从组织上保障教学安全。C.加强实验室安全制度完善和落实。制定并落实各项安全制度,将实验室安全规范、设备操作规范和安全注意事项列入岗前培训的考核内容,严格执行考核合格后方可进行实验的安全准入原则。D.落实“实验室安全责任到人,设备安全责任到人”原则,强化“谁使用, 谁负责”原则。调动参与工程训练教学的学生、教师、管理人员及其他工作人员的安全责任感,形成全员参与、全员执行、全员监督、全员整改、全员落实的全员安全的教学局面。   5.2 工程训练教学质量保障系统。
  为了达成让学生的知识得以拓展、能力得以培养、素质得以提升的工程训练教学目标,根据工程训练课程体系的层次化、阶段化、递进化、模块化的特点,融合ISO9000族质量管理标准体系、全面质量管理 (TQM)以及戴明循环(PSCA)等质量管理理论和方法[25],以学生为中心,以教师、学生、督导为主体,以教学目标达成为目的,以全面监控、客观评价、无死角改进为策略,构建从“教学目标→教学方案→教学过程→教学监控→教学评价→教学改进→实现教学目标”的闭环工程训练教学质量保障系统。有效促进工程训练教学的规范管理和质量提升。
  5.3“数智工训”平台
  将“信息化推动高等教育”落到实处,通过对安全、教务管理、实验室管理、材料管理、MES(Manufacturing Execution System)以及质量管理等整合优化,打造“数智工训”系统。促使工程训练教学管理从粗放式向精细化、智能化、互联化转变,提高管理水平和教学质量。
  6.结语
  新工科建设为现代工程的人才需求提供了全新的解决方案,工程训练教学主动适应,全面革新,构建具有新含义、新理念、新课程体系、新保障系统的新工程训练教学,是新形势下工程训练教学改革方向的探寻,又是新工科建设的落实和响应,更是对新时代人才成才规律的探究和实践。
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