河北工业大学:"新工科"+"老特色" 打造工程教育"新样板"

作者:查重猫     发表时间:2021-05-11 21:55:53   浏览次数:168



  “工学并举”是河北工业大学传承了118年的办学特色,“新工科”建设是近年来高等工科院校研究的新热点。河北工业大学以此为契机,围绕区域产业发展需求布局学科专业、破解学科壁垒、推进工程教育教学改革,有效强化了大学生的工程实践能力,不仅为“工学并举”的老特色注入了新的时代内涵,也为工程教育打造了一种具有良好示范辐射作用的“新样板”。

  贯彻交叉融合理念,实现工程实训教育“全过程+全覆盖”

  1.突破传统观念,搭建工科与非工科融合实践教学平台,面向文、理、管、法、艺等非工科专业学生,开设工程认知实践训练。

  在传统的工科高校培养方案中,工程实践训练环节只针对工科专业开设。在新工科建设中,学校提出了“为所有学子打下‘工学并举’烙印”的改革目标,并自2017级开始,调整本科人才培养方案实践环节,增加“非工科类专业都要设置1学分的‘工程认知训练课程’”。

  所有非工科学生在大学一年级都要经历集中一周时间的工程认知实践训练,不仅能够亲身经历和体验学校的工程文化、办学特色,而且能够通过简单的实践操作了解工程技术,如3D打印、激光加工、电工电子技术等10余项主流工业技术。通过工程认知训练平台的搭建,培养非工科学生工程思维、开阔视野,提高动手能力,为后续学科交叉创新人才培养打下基础。

  该课程一经推出,就受到学生热烈欢迎,同时也引起了校内外专家和媒体的关注。在学校本科教学审核评估工作中,由于该课程的学生认可度很高,专家特地进行了实地考察,并给出了“该课程能够增强大学生民族自信、文化自信、学校自信”的高度评价。

  2.加强工程训练对工科学科和专业的个性化服务和支撑,构建基于知识点阵列的“四层次、不断线”工程实践训练教学体系。

  全面梳理工程实践教学的知识点,根据工程意识到工程综合创新能力逐步提升的规律,构建“四层次、不断线”阵列式工程实践训练教学体系(如图1所示)。在这个体系中,新任教师可以通过梳理知识点,迅速熟悉实践对象和实践原理,老教师可以通过知识点的更新实现与时俱进,从而为学生开展实践训练提供合格师资。教学内容上,通过在知识点上合理设计课程思政元素和“工学并举”特色传承,使学生在润物无声中实现社会主义价值观塑造,通过将实践教育与劳动教育相结合,实现学生的匠心锻造和品格锤炼。通过面向不同学科和专业需要,设计工程实践训练教学模块和技术知识点,构建基于知识点的“菜单式”学习子空间,满足各专业个性化需求。各专业根据人才培养需求,选择“菜单”(如图2所示)下的课程。

图1 工程实践训练教学体系图

图2 工程实践训练课程菜单

  健全工训生态环境,实现“虚实结合+无缝对接”

  1.打造区块式虚拟仿真中心,拓展实践教学时间与空间,为学生自主训练提供虚实结合的实践环境。

  虚拟仿真实验教学由于具有内容丰富、安全高效而又不受空间和时间限制的特点,在大学实践教育中得到迅速发展,特别是国家教育部门推动的虚拟仿真实验教学中心的建设,更是催生了普及性的虚拟仿真实验资源建设。

  河北工业大学开展虚拟仿真教学研究比较早,各个学科几乎都有不同程度的虚拟仿真教学模块,还建有两个省级虚拟仿真中心。然而,这些虚拟仿真模块一直散落在各个学院,加之多校区办学,使用效率较低。

  随着互联网技术的不断发展,学校和华为签署了战略合作协议,5G技术已经覆盖整个学校,同时建立了云教学平台,这为整合虚拟仿真资源提供了支撑。按照新工科的建设需求,学校倾力打造了区块式虚拟仿真中心。集中建设了基础工程训练虚拟仿真、机器人与智能制造虚拟仿真、车辆与交通规划虚拟仿真、智能建造虚拟仿真、化学与化工过程虚拟仿真、电子信息虚拟仿真、燃烧与热能过程虚拟仿真、“互联网+”与云空间虚拟仿真等8个虚拟仿真区块,开设了AR(增强现实)系列实践、VR(虚拟现实)系列实践、桌面虚拟环境下的虚拟设计系列训练、半虚拟半物理混合系列实验和基于互联网的虚拟社区实践等5种不同的虚拟仿真实践课程。教学设计上覆盖了认知训练、系统训练和创新训练3个层次。

  这个区块式虚拟仿真资源的建设,极大地弥补了学校实践教学资源的不足,缩短了学校实践训练与企业实际生产环境的距离,同时,也为实现学生自主学习、问题导向学习等以学生为中心的教学模式改革提供了有力抓手。

  2.设计“线上仿真训练、线下实践创新”实践教学项目,让学生从“数字恐惧”向“数字乐趣”转变,提升学生自主实践能力。

  面对大型设备的操作和使用,学生动手操作时存在一定的“恐惧”心理,因此构建先虚后实、虚实结合的训练模式,即先利用软件进行虚拟仿真训练,在熟悉设备的操作之后,再到车间操作真实设备,不仅提高学生学习兴趣,也降低了安全隐患。

  以“开放+集成+交互+可扩展”为理念,设计虚拟仿真实训项目,实现实验教学、基础知识、实验考核、教学管理等主要功能。学生可以利用虚拟仿真平台完成各项实验,如:理论学习、选择课程∕实验、在线实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存并提交实验结果、在线考试、查询实验成绩和教师批语等。教师可以利用虚拟仿真平台进行日常教学管理和对学生的实验考核,如:对实验项目库的创建与维护、在线发布实验安排、创建在线考试题库、在线指导学生实验、批改实验报告等。

  3.构建“线上知识点学习、线下实践创新”通道,强化安全意识,注重“工学并举”特色传承,实现线上线下工程训练一体贯通、无缝对接。

  在中国大学慕课平台上线工程训练课程,依据学校对本科生人才培养质量要求及实践教学要求,按照项目式、模块化和开放性的思路编排设计,包括基础训练模块、工学并举文化传承模块、创新实践模块、3D打印与机器人模块等11个实践训练模块。按照“知识点讲解+示范演示+文化传承”制作工程实践教学视频,融合线上知识点视频和线下实践环节,在教师指导下进行实践操作,将知识内化直至完全消化,使知识通过实践转化为能力和素质。在中国大学慕课平台上线仅半年时间,全国近100所高校的近35000名学生进行了注册和线上学习。权威媒体对此进行了报道:“这个具有前瞻性的举措,在新冠肺炎疫情防控期间解了广大高校的燃眉之急,实现了跨学校、跨区域、跨省市的资源共享。”

  突出以学生为中心,以项目牵引实现知行聚合

  1.围绕复杂工程问题,开放性征集训练项目。

  面向全校各单位部门、与学校合作的企业征集具有4个特征的综合工程项目:(1)体现综合性特征,至少需要两个学科及以上的专业知识才能完成;(2)需体现技术的前沿性,确保学生在解决问题时有创新的思维空间;(3)项目的复杂度适当,确保在规定训练期间内能够做出具有实际用途的产品;(4)项目预算要求在规定的范围内。根据每个工程实践项目的内容,组建专家组,对征集项目进行筛选,最终确定指导教师组成范围。同时确定全校招募学生的专业范围,通过学生自愿报名和面试等环节,组建适合各工程实践项目的跨学科学生团队。

  2.打破专业领域界限,组建跨学科、跨专业教学团队和“匠心训练”平台。

  教学团队来源于学校各专业专任教师、与学校合作的企业工程师、实验实训中心工程师和技师三部分。“匠心训练”平台主要由企业项目和教师科研项目凝练而成的工程实践项目组成,不同专业的学生组建跨学科学生团队(每个项目一般需要3个学生),在专任教师、企业工程师、实验实训中心技师或工程师的帮助下,团队直接面对工程实践项目,完成项目设计、采购、加工、制造、编程、装配、调试、运行、工程管理、成本分析、答辩、知识产权的申请等实践环节。团队作为项目的主导,需要分析和提炼复杂工程问题,设计和开发项目解决方案,应用工程基础和专业知识来解决复杂工程问题,以及多学科知识融合解决复杂工程的过程;学生在解决一个又一个工程实际问题的过程中,通过不断反思总结,逐步培养起主动学习的习惯、独立思辨及批判的精神、处理新兴(或复杂)问题时整合资源和协同决策的能力,综合工程实践能力得到提高。

  3.以学生为中心、以产品成果为导向的“匠心训练”教学模式的组织与实施。

  “匠心训练”教学模式突出以学生为中心、以产品成果为导向,主要包括教学准备、项目实施、教学延伸3个阶段。在教学准备阶段,组建跨学科“匠心训练”教师库,筛选工程实践项目,组建跨专业学生团队和项目指导教师团队。在项目实施阶段,在指导教师组的帮助下,学生团队进行项目调研、小组分工、方案设计与实施、产品总装及调试、项目结项答辩等环节。在答辩时,需要对工程项目产品进行运行演示,专家通过产品运行效果、产品完成度、学生答辩效果进行整体打分。答辩结束之后,还有教学延伸环节,学校支持学生依托产品申请专利、发表论文、参加竞赛,进一步提高学生综合实践能力。

  工程实践能力培养是高校新工科人才培养质量的一个重要维度,工程实践训练教学是强化这一维度的重要手段。随着新工科建设的不断发展和实践,新专业将会不断增多,专业融合也会更加紧密,工程实践体系的改革、内容的充实和方法的更新,是实现高质量实践能力培养的必由之路。学校的探索取得了初步成效,接下来还会在新工科研究和实践方面继续进行更多改革,赋予“工学并举”这张名片更鲜明的特色。

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