新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究.pdf

2023 年第 3 期No.3,2023广东技术师范大学学报Journal of Guangdong Polytechnic Normal University新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究赵鹏1，樊晓琳2*（1.广东技术师范大学 广东工业实训中心，广东 广州 510665；2.广东番禺中学附属学校，广东 广州 511489）摘 要：为满足新工科背景下的人才培养需求，本文以工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站为例，以创新型复合人才培养教学改革策略为背景，结合高校工程训练教育与“新工科”建设实际所需的差别，通过实际教学分析其差异存在的原因，提出了开放式教学资源、个性化培养模式、多元化实训方式、创新式科教融合、贯通式项目建设“五位一体”教学改革策略，探索面向创新型复合人才工程训练课程教学改革.关键词：工程训练；新工科；教学改革；“五位一体”中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-7764（2023）03-0095-06新时代产业变革与科技革命的双重挑战下，新兴产业助飞经济蓬勃发展将成为我国当今时代的主旋律，工程技术作为促进国家发展与社会进步的攻坚力量将直接地影响我国“五位一体”总体布局全面发展.工程教育所培养的人才将为产业的发展提供强劲支撑，随着新兴产业的诞生，传统工程教育培养人才的模式也将进行更新.以“金工实习”作为传统工程训练教育面临着知识内容陈旧、新技术脱轨、社会地位边陲化的诸多挑战1.新时代的更迭对于人才的需求催生了新工科的发展，新工科为应对新一轮科技变革、产业升级转型、新旧动能转换等方面贡献强大力量2.为此，教育部与众多高校共同参与“复旦共识”“天大行动”“北京指南”构成了新工科建设的“三部曲”3.于 2017 年 6 月正式发布新工科研究与实践项目，基于工程教育发展和改革大势所趋，标志着我国工程教育改革方向已正式确立为以新工科建设为核心4.1 新工科对人才培养需求特点新工科的建设发展与传统教学模式对工程类人才培养的要求是不尽相同，新工科背景下工训教育对于人才培养模式以学生亲身实践的动手能力与自主创新意识作为切入点.以新工科背景下的工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程为例，在学生实训过程所面向教学对象为大一与大二，机器人与激光技术的结合不同于其他传统单一实训课程，该课程起到了将大学新生引入到全新领域及提高学生认知兴趣的作用.可见，以新工科背景下的工程训练教学模式不仅可以提升学生当今社会岗位核心竞争力，同时也为高校工程训练课程带来了新的挑战.基于此，新工科建设对于人才培养的模式需求特点如下所示：新：新工科所涉猎的领域多以近年新兴科学技术为主，作为新时代产业变革驱动力的作用下，飞速发展的全新领域与科学技术的更新换代，工程教育必然会伴随时代进步而升级，工程训练项目的设立需同样做出改进与更新.特：教学的最高目标就是要做到因材施教，学 生 之 间 个 体 差 异 造 就 了 各 不 相 同 的 发 展 道路，如今各新兴学科领域发展正处于风靡云蒸收稿日期：2023-03-21基金项目：教育部第二期供需对接就业育人项目（20230101793）.作者简介：赵鹏，广东技术师范大学助理实验师.*通讯作者：樊晓琳，广东番禺中学附属学校教师，E-mail：赵鹏，等：新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究第 3 期之际，同时各“赛道”发展方向之间竞争正处于白热化时期，正确“航向”的引领将会深刻影响至未来几十年的成就，无论是从调研、设计、生产、市场等领域的发展离不开新时代人才奉献与努力.充分发挥学生主观能动性并结合学生自身个性进行因材施教，建构完善且丰富的工程训练体系.实：工程训练的核心就是让学生将理论知识与实际操作进行有机结合.“实践是检验真理的唯一标准”，工程教育领域的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观要与实践进行充分结合，提高其实际动手操作能力，为了使学生在进入社会后能够有效承担起实际工作岗位的相关需求，缩短学生从学校进入社会后的身份转换期，提高其职业道路发展水平.创：创新驱动发展战略是党中央自十八大以来所确定的首要目标.中国的发展要依靠科学技术与科技创新的大力推动，对于学生创新能力的培养要依托新时代科技产业发展，有效服务于国家战略所需.通：新工科的特点是以多学科、多领域、多方位所构成的复杂性新兴学科，人才培养过程中更需要突破原有桎梏.传统的单一学科领域分类应当进行贯通性疏导，完成对冗杂与陈旧知识的梳理与重组.本文是以新工科建设发展背景下，通过对工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程领域的重新建构，明确本门课程授课过程中存在的问题与不足，提出适合于工程训练教育领域下以“成果为导向”的教学模式，结合有效的教学模式来实现“新、特、实、创、通”五位一体建设，满足对传统教学模式精确改革需求.2 教学现状分析工程训练课程是作为大学本科工科类专业学生必修类课程，目前以集中性实训为主要方式.作为工程训练的实质就是让学生通过对基础性实训科目的认知及亲身体验来巩固学生理论知识基础及提高后续专业课学习能力水平.目前国内高校工程训练教育处于持续发展的状态，伴随着“中国制造 2025”倡导的智能化制造理念的推行，社会许多传统岗位已逐渐被工业机器人所取代，机器换人的时代已悄然来临.目前，工程训练教育为本科生提供的训练项目虽然种类众多，但对比新技术的飞速发展，无法满足当今社会的实际岗位需求.通过数据溯源性可知，目前高校在工程训练课程教育与教学过程中普遍存在问题如下：2.1 实训内容陈旧随着新工科背景下的大力推广，智能制造、大数据、机器人等技术的飞速发展，有效带动了工程训练教育领域的深度变革.国内外各高校、研究所、企事业单位对于新兴技术领域的研究中投入大量人才并取得明显进步，源源不断地注入新内容与新思想.为此，作为 KUKA 机器人激光焊接工作站课程这门实训课程的教学，相比较传统焊接实训项目虽引入工业机器人作为载体，但其教学资源目前仍脱离了新工科背景的需求，其存在如下问题：实训过程中，教学内容相对陈旧与传统焊接内容重叠，更新缓慢.新工科背景下的教学内容应与社会需求进行紧密相连，陈旧性的理论知识作为教学内容已经脱离了新工科背景下培养人才的主要需求；课程讲解过程中，对于激光焊接原理的讲解相对晦涩难懂，学生对于过多的专业名词与繁杂的公式演练，消退了学生对于本门实训课程学习兴趣.虽然目前国内外各高校都开展了在线精品课程资源，但如何依据学生自身的能力水平与人才培养方案的精准梳理对接将是最为关键的一步.2.2 培养模式单一目前工程训练实训项目教学模式多以传统模式为主，多以教师现场讲解演示作为主要授课方式，仿照于工厂“老师傅带新徒弟”的教学模式.学生对于教学课程只能是被动的模仿与接受，完全忽视了学生之间的不同个体差异，其思维方式、学习能力、接受程度等方面也是有所出入，传 统 且 陈 旧 的 培 养 模 式 对 于 人 才 培 养 相 对 狭隘，“流水线”模式生产培养出的人才并不被实际社会认可，社会发展需要多样化人才的引领.工程训练教育对于高校教师的角色定位不是单纯传授知识，而是授予学生学习方法的能力，将“授之以鱼”的方式转换为“授之以渔”.改变授课模式与考核方法，充分发挥学生自主学习能力，打破以“流水线”生产的教学目标，以学生自我职业生涯规划进行个性化培养为本，做96第 3 期赵鹏，等：新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究到因材施教将是高校教师终生奋斗目标.2.3 实训方式局限实践能力是新工科建设对于人才培养的关键要素，目前高校学生通过义务教育与高考的洗礼之后，通过多年历练其理论知识掌握能力远超出动手实践能力水平，这样不仅会造成“眼高手低”现象，同时步入实际岗位将无所适从.工程训练课程教育正是解决这一问题最有效途径之一，虽然工科类院校都已安排学生进行工程训练来提高学生实际操作能力，但这一现象依然存在，也正是此类现象的出现导致相当一部分的应届毕业生无法适应实际工作岗位能力所需.基于此，目前工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程实训方式局限性较强主要是不能够有效满足学生们各个层级水平的学习需要.每轮实训课的学生们都以专业班级为单位，参加实训的学生数量多在 50100 人范围内，教师在讲解演示过程中对于每位学生的接受程度并不能完全掌握，学生在观看讲解演示的过程中因实训室构造原因，后排及角落的学生会出现听不见与看不清的情况发生，影响学生后续独立操作实训项目的安全性和技能掌握程度.与此同时，培养新工科人才仅以学校作为教学培养主体是有所欠缺的，应当加大校企合作力度，借助企业广阔平台提升实训方式的全面性.2.4 创新能力不足创新是作为人才发展的第一驱动力，目前已成为我国总体发展趋势.党的十八大以来，习近平总书记高度重视科技创新能力的发展，始终将创新作为国家发展战略的核心地位5.国家创新能力的发展主要依靠人才驱动，建设创新型国家关键在于人才的培养，新工科建设主要目的就是要培养一批适应国家与社会发展的创新复合型人才.创新能力的培养力度与国家重视程度一脉相通，近年来，我国对于高校学生创新能力培养理念逐年提升，但从实际效果来看目前仍属于初级阶段，目前而言，教师素质创新水平、学生自主创新能力、创新教育软硬件配置等方面与发达国家相对比而言，我国对于高校学生创新能力培养相对落后.工程训练教育课程是作为充分发挥学生自主创新能力的承载平台，但事实却有所出入.笔者通过实际教学过程分析来看，具体存在以下现象：传统实训教学过程中多以教师为中心，教师的讲解与演示过程中多以书本为中心，限制了学生自身创新思维能力的发展，对于学生长期处于应试教育背景下的影响，学生自身精神上惰性将逐步增加，创造性思维能力也将受限；工程训练课程开设多基于学校现有设备进行，高校科学研究平台建设与立项项目对于本科生的工训创新能力培养是隔阂的，明显存在的科教分离的现象.创教学过程中泛泛而谈的空洞理论，对于学生而言是无法理解的，教师对学生创新能力教育的指导没有做到“润物细无声”般落到实处，反而加剧了学生对于创新不解与困惑.2.5 工程训练项目贯通缺失新工科对于学科的交叉性与综合性的重视程度与传统工科相比程度更深6.作为工程训练实训项目的编排，KUKA 机器人激光焊接工作站课程是典型的一门多学科交叉项目，将激光技术与机器人技术进行有机融合，综合了激光、机械、焊接、材料等众多学科知识.进行本门课程授课之际，不仅要求学生对激光、机械、材料学等基础课程理论知识的掌握，同时促进了授课教师对于自身学术水平不断提升.KUKA 机器人激光焊接工作站课程要求的相关技术内容繁杂，本门课程的激光技术和机器人技术都可以独立为不同的研究方向，并作为研究生课程进行深度研究，对于工程训练教育课程而言，教师要想将本门课程深入浅出地讲解给课时本不多的本科生而言，对于教师同时也是一项重大挑战，具体原因主要分为以下两个方面.目前高等学校各专业划分体系中，教师的专业性更强，但在“专而不通”的情况之下，教 师 对 于 所 有 知 识 难 以 做 到 详 细 且 深 入 地 讲解.激光技术与机器人技术这两门学科的融合，涉猎领域广泛、学科构成交错、知识体系繁杂等，现有的教师设置体系及培养方案或许已不适应新工科背景建设工作.为此，需要突破原有学科领域桎梏，加强对繁杂知识体系的贯通，完成以新工科背景建设的知识体系重组任务.3“五位一体”教学改革策略对于上述工程训练课程项目所提出的典型97赵鹏，等：新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究第 3 期性问题，基于此本文提出一种以“开放式教学资源、个性化培养模式、多元化实训方式、创新式科教融合、贯通式项目建设”五位一体的综合性培养架构（如图 1 所示）.3.1 开放式教学资源目前，对于工程训练实训内容陈旧的问题应进行深度梳理，基于互联网并结合全球发展大背景来看，工程训练实训项目内容的编排应具备时代性，结合全球范围内先进的教学理念资料，持续关注相关领域公认的权威期刊所刊登的文章，精准梳理适合本实训课程的理论教学内容，通过梳理后进行总结提炼将相对成熟的机器人运动学、机器人控制方法、机器人深度学习、激光焊接技术等当前先进技术编排至实训内容中，同时倡导任课教师进行科研工作并积极将科研成果与学生分享，充分引领学生了解当今机器人与激光焊接技术最前沿的发展动态.教学内容不仅时刻要与时代接轨，同时任课教师应当将教学重难点用最简单最直观的方式呈现给学生，无论是课前、课中、课后阶段，开放式 教 学 资 源 平 台 要 以“全 天 24h 在 线”理 念 架构，学生可通过教学资源平台来解决基于自身创设的挑战性问题来创造更高阶思维方式，激发学生学习的内驱力，让学生在自我强大驱动力的作用下进行思考与创造.开放式教学资源平台的建立主要依靠互联网与新媒体技术的应用，通过将 KUKA 机器人激光焊接工作站的实际焊接案例作为教学成果展示并创建案例库.案例库当中不仅包含实际焊接案例，主要分为机器人技术和激光技术两大类，同时也将机器人技术与激光技术所涉及的领域进行模块化分类，通过将所涉猎领域新兴技术集成于教学资源平台中，对资源案例库中的教学内容不断扩充丰富.为此，案例库的设立多以方便学生学习为目的，所设计的案例形式多以动画和视频等形式进行直观演示，不仅有利于学生的理解与接受同时有助于提升学习兴趣，为了让学生对案例有着更加深入理解，同时将一些案例所对应的资料与参考文献进行同步上传，节约学生查询时间同时也方便学生自主学习（如图 2 所示）.3.2 个性化培养模式传统工程训练教学模式已不适用于当代，传统教学模式的局限性禁锢了学生个性化发展，教师在教学过程中要时刻做到因材施教才能够满足学生的不同需求.对于工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程而言，岗位技能涉及领域相对较宽泛，对于掌握不同技能应将课程教学目标与社会相关领域的岗位实际所需进行接轨，深度融合后再根据学生自身个性与兴趣的不同规划其培养模式.对于检测学生学习态度与学习效果不能单纯将考核制度作为唯一检验方式，考核学生不是唯一目的，更多是为了有效督促学生的一种手段，作为新工科背景下的实训课程更多是以成果为导向进行检测.学生根据自身能力与兴趣，可任选焊接作品进行展示，通过学生设计师生讨论学生修改学生操作教师点评这一系列流程来完成作品的制作，通过这种方式可有效激发学生个性化创造思维，有利于进行学生个性化模式培养.3.3 多元化实训方式工程训练教育中实训环节是作为教学的核心，为了进一步巩固学生对于理论基础知识的理解与运用，学习期间将集中时间进行实训来提高学生实际动手操作能力，为此，基于新工科背 景 笔 者 将 多 元 化 实 训 方 式 培 养 方 案 进 行 梳理.（如图 3 所示）.图 1“五位一体”工程训练教学改革策略架构图 2开放式教学资源平台架构98第 3 期赵鹏，等：新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究作为实训室构造这一问题，建议引入多媒体设备有利于学生在课堂上时刻掌握教学节奏，对于分布在角落及后排的学生可通过多媒体投影及教师操作演示中的实时录像装置，可有效加强每一位学生对于实训过程的掌握程度.同时多媒体的运用也可将晦涩难懂的知识点以直观动画或视频形式展现在学生面前，不同于教学资源平台学生可进行课前、课中、课后的自主学习，实训室的多媒体装置多以教学过程的使用为主.安排实验八角桌主要是为了加强学生之间的讨论与沟通，师生与生生之间可无隔阂地交流，可最大程度发挥学生自主创造性并为后续头脑风暴的进行做好硬件基础.针对课时编排的问题，主要是以新工科背景作为学生工程训练教育的培养方向，首先需要大量增设企业合作实践课程的课时，树立“实践教学工程服务”的教学理念，并将理论知识教学时长进行合理削减，尽可能让学生实际动手操作时间得到有效延长并搭建与企业实际生产相一致的实训教学平台.仅依靠高校力量来培养新工科人才是不够的，要充分发挥校企合作的便利优势，共同搭建校企合作实训室作为新工科人才孵化基地的硬件 配 置，软 件 方 面 应 共 同 购 买 正 版 软 件 如KUKA.Sim.PRO、SolidWorks、ADAMS 等 相 关 编程仿真软件，以适应学生工程训练实训需求同时也可为企业进行定向培养所需人才.邀请企业工程师进课堂一方面可将行业领域的实际发展情况传授给学生，另一方面企业工程师也能够将企业实际所需加工案例与学生们进行剖析与分享，使学生了解当前新工科背景下的智能制 造、激 光 加 工、机 器 人 等 先 进 技 术 的 发 展水平.3.4 创新式科教融合“创新”一词已作为我国战略发展需求的核心，教学过程中要时刻将创新能力培养融入到人才培养的整体流程中（如图 4 所示）.传统教学模式会禁锢学生创新性思维，为了避免学生自主创新的激情受到影响，工程训练教学模式将采用启发式教学来改变传统课堂，充分吸引学生主动参与到教学过程中，引领学生深入其学习领域的思考，进而提升学生自主创新能力.科教融合是作为高校核心办学理念，但事实并非如此.目前高校存在的主要问题就是科研与教学相分离，高校平台具备天然的丰厚科学研究资源，但这些资源并没有被本科教学充分利用.基于此，高校过于注重科研能力而忽视最基础的教学能力，这也造就了科研与教学相分离的窘境.目前而言，工程训练教育实训平台仍然是按照传统方式进行管理，只有在日常上课时才对学生进行开放使用，为培养新工科背景下的人才，实训科研平台应具备开放性，通过教师相关科研成果的基础上应对学生进行无条件无时差的开放，学生可根据自己时间安排到实训室进行学习与实操，并可安排实训教师进行针对性指导形成有效率的科研教导团队，做到真正意义上的科教融合.“以赛促创”将是一条清晰的创新途径，大学生创新创业大赛、工程训练综合能力竞赛、大学生机械设计创新大赛等创新平台，为学生的创新思维提供了伸展拳脚的用武之地，学校教师应妥善组织学生报名参赛，引导学生结合所学的专业知识与具备的实操能力来完成各项创图 3多元化实训方式培养方案图 4创新式培养方案99赵鹏，等：新工科背景下的“五位一体”工程训练课程教学改革研究第 3 期新竞赛来激发学生创新能力.3.5 贯通式项目建设工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程涉及的领域相对较广，包括了机器人技术、机械设计、激光技术、焊接技术等多种类学科交叉问题.基于此，本工程训练中心突破了学科桎梏，邀请机电学院、自动化学院等优秀教师参与到工程训练中心课程设计、课程教学、课程指导中 来，成 功 建 立 了 一 支 多 学 院、多 学 科 教 学 团队，以多沟通、勤学习、重培养为建设核心理念.与此同时，作为贯通式项目建设不仅要做到教师团队培养，而且在教学过程中要在实训项目之间做到彼此联系，当学生进行 KUKA 机器人激光焊接作业实操训练后的成果作品可以进行三坐标测量仪实训项目的检测，不仅可以将两个实训项目进行有效贯通式学习，同时也可将三坐标测量仪对焊接作品的测量数据作为评价标准，安排学生与学生之间相互测量彼此作品的焊接精度，最后由教师进行总结研判，依次将学生作品进行评测打分，为新工科贯通式项目建设奠定夯实基础.4 结语工程训练是作为高等学校对于理工科类人才培养的必修科目之一，需要与时俱进地创新人才培养模式，有效提升教学质量来满足学生未来职业岗位竞争所需.本文将“新工科”背景下 工 程 训 练 教 育 对 于 人 才 培 养 需 求 作 为 出 发点，以工程训练 KUKA 机器人激光焊接工作站课程为例，通过实际教学过程发现所存在的主要问题并进行课程教学改革，提出一种全新的“开放式教学资源、个性化培养模式、多元化实训方式、创新式科教融合、贯通式项目建设”五位一体的相关改革策略，基于此有针对性地培养 一 批 符 合“新 工 科”建 设 发 展 所 需 的 复 合 型人才.参考文献：1 曹其新，李翠超，张培艳.中国特色的工程训练教学模式与内容思考J.实验室研究与探索，2016，35（11）：129-131，160.2 朱玉平，张学军.基于新工科的工程训练培养体系构 建 与 实 践 J.实 验 技 术 与 管 理 2021，38（1）：8-11.3 教育部.新工科建设指南（北京指南）J.高等工程教育研究，2017（4）：20-21.4 教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识J.高等工程教育研究，2017（1）：10-11：2-3.5 中共中央文献研究室.习近平关于科技创新论述摘编M.北京：中央文献出版社，20166 丽娟，杨文斌，肖明等.跨学科多专业融合的新工科人才培养模式探索与实践J.高等工程教育研究，2020（1）：25-30.责任编辑：卓 影Research on Teaching Reform of“Five-in-One”Engineering Training Course under the Background of New EngineeringZHAO Peng1，FAN Xiao-lin2*（1.Industrial Training Center,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou Guangdong 510665;2.Guangdong Panyu Middle School Affiliated School,Guangzhou Guangdong 511489）Abstract：In order to meet the needs of talent training in the context of new engineering,this paper takes engineering training KUKA robot laser welding workstation as an example and combines the teaching reform strategies for training innovative compound talents to analyze the reasons for the differences between the university engineering training education and the actual needs of“new engineering”construction through actual teaching.This paper proposes the“five-in-one”teaching reform strategies of open teaching resources,personalized training models,diversified training methods,innovative integration of science and education,and holistic project construction to explore the teaching reform for engineering training course targeted at innovative compound talents.Key words：engineering training;new engineering;teaching reform;“five-in-one”100