新工科背景下高校工程训练中心的建设与管理

韩 伟，段海峰，江丽珍，童 洲

（华南理工大学广州学院 工程训练中心，广东 广州 510800）

智能制造技术的快速发展对传统工科人才培养模式提出了新挑战，新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强并掌握各种新技术的复合型新工科人才，要求他们在完成本专业学业的同时，还具有将智能制造前沿技术与本专业技术进行学科交叉融合的能力。人才培养目标从过去对应于就业岗位的刚性技术能力结构方向[1]，转变为具有持续学习智能制造技术、运用新知识、新技术去解决未来发展问题的交叉柔性能力方向。在这种背景下，工程训练中心作为高校工科学生能力培养的实施主体之一，应努力把握新工科人才工程能力培养方向，转变将工程训练看成单纯制造设备应用训练的传统理念，以建设符合新工科人才培养要求的交叉学科工程能力训练及创新能力提升平台为目标，持续调整更新实训内容与课程体系结构，积极创设交叉学科融合的任务导向训练课程，建设涵盖实训运行、师资配置和设备运维的智能化管理体系，具体从以下几个方面进行探索和规划。

1 以新工科建设目标为导向，探索人才培养能力结构新模式

首先将工程训练中心发展建设纳入全校的新工科建设轨道中，工程训练中心转变传统功能定位，以建设具有本校优势学科特色的应用型人才实践训练教学基地为核心目标，使工科专业基础教育在工程实训过程中得到验证的同时，探究本校优势学科特色的新工科人才工程能力结构，构建柔性可变的交叉学科能力培养课程体系[2]。持续推进工程训练课程体系更新改造，才能更好地服务于当前智能制造产业细分化、差异化发展的人才需要。

1.1 适应新任务改革工程训练中心功能定位

长期以来，工程训练中心在高校的基本功能定位一方面是使学生的工科专业基础知识在工程训练中得以验证，另一方面是培养学生学会基本的金属材料成型方法及制造设备应用。而面对当今智能时代技术高速发展的不确定性，智能、开放、多变及柔性化的生产组织形式必然带来行业人员能力内涵的结构变化，作为未来工程技术人力资源培养主体的工科院校，需要进行基于交叉学科运用胜任力的人力资源内涵变革研究[2]，拓展、创新发展工程训练中心的功能定位，构建适应于工科各专业如机械工程、电气工程、电信工程和计算机工程等专业的交叉学科能力培养课程体系，培养学生具备新工科各专业课程与工程能力相融合的交叉柔性工程能力。交叉融合的新工科工程能力培养模型如图1所示。一般工科的工程训练课程安排为80学时，采用轮转式实训课程结构，在短时间内以工作目标驱动学生完成训练项目，将机械加工、智能控制和虚拟仿真制造等多个学科的实训项目轮转进行，使学生在学习本专业工程知识的基础上，迅速将各种交叉学科知识相互融合，内化为交叉柔性的工程能力。金字塔结构的刚性能力培养模式比较注重的是知识逻辑规范以及认知过程序列的规划，而飞轮结构的柔性工程训练能力模型则注重学科交叉融合，符合传统科学知识体系思维、系统工程思维和新工科创新思维学科交叉发展[1]。与传统刚性的金字塔结构相比更具有开放性和灵活性，这样的工程能力模型最大的特点就是其持续可更新，这种更新与改变应该建立在科学论证的基础上并与时代技术发展同步。工程训练中心只有持续进行训练学习任务的重组和更新排序，定期进行学习领域课程结构体系的重构造[1]，合理增加购置新设备并规划相应实训模式，才能满足不断发展的智能制造技术和社会高速发展的需要。

图1 交叉融合的新工科工程能力培养模型

1.2 构建产业调研基础上的实训课程更新论证制度

为实施开放柔性工程训练能力培养，工程训练中心应主动构建全员参与和产业调研基础上的实训课程持续更新论证机制，定期调查产业转型升级、新业态的产生及设备更新变化，建立全员参与调研新技术、新业态、新模式及新产业对本科人才工程能力要求的机制[3]，激励每个实训项目教师共同谋划工程训练中心的未来，对照新工科建设要求，分析人才工程能力结构，改进实训课程，规划设备更新和实训室建设。同时组建新工科学科专家和产业工程技术人员论证专家队伍，定期组织不同的专家人员进行实训项目课程改进论证和研讨，调查各领域智能制造企业和“互联网+制造业”的最新人才需求变化，规划工程训练教学每个实训项目典型任务和课程更新改进方向[2]，工程训练项目更新论证研讨过程见图2。

图2 工程训练项目更新论证研讨过程

上述调研论证均应制定长期执行的管理流程文件，与对应专业本科人才培养方案每年的评审制度相结合，使工程训练课程设计、典型工作任务和专业能力培养三者融合规划，建立长效机制，定期进行持续优化更新，形成工程训练中心课程改革必须立足产业调研论证的制度，把与时俱进的理念融入工程训练中心长期建设规划中，使工程训练中心在科学调整发展的道路上持续前进。

1.3 工程训练典型工作任务设计与交叉学科能力培养

新工科理念驱动下工程训练中心功能定位的改变必须通过训练课程体系实施，在进行工程训练典型工作任务设计时，应立足于本校优势学科特色培养学生交叉学科能力，在本校省级重点学科机械工程专业的注塑成型、冲压成型和压力铸造等加工实训项目中开设 PLC模具温度控制、机器人下料等实训模块，设计以材料成形智能改造为主的多学科知识交叉组合的典型训练任务[4]。交叉融合的材料成型智能控制设计工作任务见图3，将冲压实训课程、机器人送料与和触摸屏设计三个以前相互独立的训练项目进行融合交叉，把电气控制技术、自动化通信和 GT Designers软件触摸屏设计等先进技术引入到传统冲压实训中，原有的4个实训模块课时整合在一起进行，既保证了实训教学学时，又达到了交叉学科技能融合实训的目的。

图3 交叉融合的材料成型智能控制设计工作任务

学生在完成上述工作任务的实施过程中，必须对冲压材料成型技术、计算机通信、机器人技术和电气控制技术等 4种专业的交叉学科知识进行链接和应用，从而使其交叉学科应用能力在工作过程中得到融合应用和提升[4]。

1.4 构建具有本校特色的新工科人才工程能力培养课程体系

在智能制造产业细分化、差异化发展的背景下，对新工科的人才需求也将呈现多样化和柔性化的发展趋势，需要不同的工科院校培养不同专业特色方向及能力结构的人才，工程训练教育内容也应当根据各校实际情况多样化设置课程体系，避免重复同一标准的人才培养模式[5]。以本校省级重点学科机械工程专业为基础，通过构建工程基础能力训练、专业技术训练、智能制造训练、虚拟仿真训练4个实训平台框架，构建人才培养实践课程体系，在注塑成型、冲压成型和压力铸造等加工实训课程中规划设计智能控制内容，形成具有本校新工科背景的工程训练实训特色[6]。工程训练中心实训课程体系结构见图4。

虚拟仿真教学平台作为课程体系的重要组成部分，除了可以节省学校贵重设备的投资之外，更重要的是虚拟仿真实训过程运行可以省却许多实体设备操作的准备和多余演示环节[7]，可使用进度控制调节速度跳过繁杂的重复简单运行部分，直接选择进入关键工艺体验环节，使学生最快地学习了解制造过程的关键技术部分，更多地将实训放在体验重点工艺过程内容，并可交互比较各种仿真技术方案产生的不同效果，积累部分工艺经验[8]。本校优势传统的机械工程学科中注塑成型、冲压成型和压力铸造等实训项目有许多难以直接体验实践的危险和高温工作环节，虚拟仿真技术能使学生在真切体验此类材料成型工艺技术过程，了解更多学科知识内容，这也是本校工程训练中心的虚拟仿真实训特色之一。

图4 工程训练中心实训课程体系结构

2 通过产学研项目实施促进学生工程能力进一步提升

当前的制造业智能化技术改造过程中，许多企业的科技项目都在对传统制造技术进行智能化改造，如铸造、冲压和焊接生产的机器人自动化应用等，这为从事传统制造项目教学的教师提供了发挥自己知识能力的机会，这些项目研究中需要将材料成型、控制工程与人工智能等多方面技术相结合，衍生出新的交叉复合研究目标，也与新工科所倡导的交叉学科相契合。工程训练中心应积极鼓励教师开展科研，并带动学生广泛参与项目研究过程，这样既可以促使教师的技术和科研能力得到持续可更新，又能推进“产学研”一体化进程，驱动学生在完成任务的过程中培养创新实践能力[4]，也符合新工科建设的 6个问题导向所倡导的发展目标。

2.1 以智能制造技术为驱动提升工程训练中心教学队伍的科研能力

实践中以工程训练中心原有的传统实训项目为依托，结合新工科建设、智能化制造发展需求，鼓励教师加强与企业合作，以企业设备智能化改造为契机，在帮助企业攻克技术难点，解决传统工种劳动强度高、工作效率低等问题的过程中，吸引更多教师加入科研团队中来。研究如何在传统实训工种中增加计算机软件技术和智能制造元素[8]。以计算机软件和智能自动化技术为桥梁的能力培养连接模式见图 5，连接以前独立分割的传统实训模块如铸造、冲压、焊接和注塑等项目，激励和驱动教师参与研究材料成型自动化技术研究的积极性，打造符合新工科时代要求的、掌握现代交叉学科知识能力并具有本校专业特色的实训师资队伍[9]，形成以铸造、冲压、焊接和注塑成型等专业智能化改造为特色研究方向的科研队伍，为新工科产教融合实训模式奠定师资基础。

图5 以计算机软件技术和智能制造为桥梁的能力培养连接模式

在铸造、冲压、焊接和注塑等项目引入 CAD建模、CAE模流分析、ANASYS力学有限元分析、机器人自动化、模拟制造软件和网络通信应用等新技术内容，这些学习内容既符合当代青年学生的兴趣，也成为这些传统项目技术更新的基础内容。把以前孤立分开的传统实训以自动化控制的共性连接起来，建立学科交叉融合的工程能力实训平台。

2.2 构建师生合作产学研项目研究模式

选择学业优秀并具有探究兴趣和能力的学生参与初级科研任务，既能解决学生研究项目的目标选题，又能帮助教师完成部分科研实验及研究工作[10-11]。教师可将研究课题内容作为国家、省市资金支持的大学生创新创业训练计划项目（SRP）、攀登计划项目，还有学生的毕业设计课题等。产学研课题子项目任务分配见图 6，教师承接的产学研项目低压铸造机器人自动取铸件设计，如果全部由教师团队完成，任务较为繁重，但如果按照图 6中的任务分解，则既减轻了教师的基础研究内容，又为学生提供了探究项目目标。其中针对传统制造业正在普遍进行的智能化改造研究，常常需要运用交叉学科知识进行研究，能促进学生在完成任务的过程中相互进行不同学科知识的探究交流，进一步推动其运用交叉学科能力的提升。

图6 产学研课题子项目任务分配图

教师的工程研究项目是培养学生工程能力的最好载体之一，尤其是对交叉学科知识资料的分析、对照和思考，需要通过任务导向的探究凝聚学生注意力并挖掘其创新思维，形成知识能力内化[4]。同时，学校和工程训练中心所在学院也应建立相应的科研激励机制，持续鼓励教师成立特长生兴趣小组，指导学生成立各类创新协会，吸纳有兴趣并具备初步探究能力的学生参与科研项目任务，实现师生目标一致的产教融合模式，构建持续发展长效机制及团队[10]。

3 运用网络智能化的技术提高工程训练管理水平

当前在工程训练中心推行网络无纸化教学和无纸化考试，实现工程训练网络化、信息化教学管理已是新工科时代发展的必然趋势。数字化和网络化实训管理教学模式需要覆盖到全中心的设备资源、课程体系和实训平台管理，实现学生在线实践训练，教师在线进行实训任务分配、实践指导和成绩管理评价等全方位教学与管理功能，实验教学管理系统框架见图7。

应用人工智能技术在实训的基础上建立学生实训小组乃至个体模型，在实训教学过程中实现“即教、即学、即练、即考”的闭环控制，能快速采集学生对实训设备及教学资源的使用情况、操作安全与否等信息记录，对学生提出针对性指导意见。在此基础上实现系统化、智能化教学评价与分析，从而推动提升学生学业表现与教师核心能力价值的创造融合，为将来人工智能的技术应用进入认知层面、实现更高水平的人性化交互与自主行为迭代提升发展做好管理框架准备。

图7 实验教学管理系统框架

4 结语

智能制造产业细分化、差异化发展必然使新工科的人才需要也呈现多样化、复杂交叉化的趋势。在此背景下的高校工程训练中心的建设与发展，工程训练中心整体的规划和管理建设，首先应当明确新工科时代工程训练功能定位转变势在必行，跟上所在学校新工科建设规划。更需要宏观视角交叉融合创新思维，并尽可能将建设规划与产业最新技术发展紧密联系起来，根据本校实际情况多样化设置工程训练课程体系。需要建立实践—积累—实践—再认识—再更新的可持续优化提升的管理思路，形成科学发展的工程训练能力培养模式和网络智能化管理运行体系。