工程训练课程标准

1.工程训练要着力培养大学生的工程观、质量观、系统观 问：邵院士好！在新一轮科技革命和产业革命驱动下，国际工程教育界兴起了新的改革潮流，国内也在推动“新工科”建设，工程教育改革发展对实践教学提出了新要求。您长期从事工程科技的教学、科研和高校管理工作，能否请您谈谈“新工科”背景下如何推动工程实践教育高质量发展？如何加强工程训练？ 邵新宇(以下简称“邵”)：首先，工程训练是一种实践认知。人的认知过程，刻骨铭心的是“亲身实践”。“I hear，I forget.I see，I remember.I do，I understand.”只有亲身做了，才能真正明白。机械原理也好、机器人六自由度运动也好，单纯讲授理论课程，很快就会忘记；工程训练中亲手实践过，就会有较深印象，将来工作中就可以很快回忆起此前学过的知识。特别是对工科教育而言，仅仅靠理论课是培养不出拔尖创新人才和卓越工程师的，一定要重视工程训练！ 其次，工程训练要体现时代特征，用*领先的理念、*前沿的技术、*先进的应用来支撑人才培养。现在社会需求变化非常快，一些行业的技术革新和科技创新发展速度超过了高校。高水平大学要引领发展，一定要教给学生*前沿的技术，要让大学生尽可能早地在校内接触*先进的应用。要把企业的一些优秀成果和*新理念搬到课堂，请企业家、杰出工程师到课堂给学生授课，与学生交流、互动；要把前沿科技吸纳到学校，将一些先进技术融入工程训练，颠覆对制造技术的传统认识，体验前沿科技带来的生产力革命。这样，可以让参加工作以后才有机会接触的新技术、新应用，在大学阶段就能提前实践，从而激发大学生去思考、去领悟、去钻研。 *后，工程训练要尽可能把原来主要面向理工科的工程实践教学，开发成通识体验课，面向全校所有学科开放。医科生、文科生也可参加工程训练，身临其境地了解制造业的发展历程及其与各领域的融合，了解制造业从业人员必须具备的工匠精神、敬业素质、工程伦理。 在我的理解上，工程训练既是工程实践，又是思维训练，两者要结合起来，缺一不可。要努力营造一个开放的、创新的实践环境，让学生在工程训练中提升工程素养，强化质量意识，培养系统思维。 工程训练还要加强针对性。传授专业知识时，可以针对不同年级、不同专业学生设计不同的单元模块。例如，一、二年级本科生的工程实践教学，并不一定要求他们马上掌握一些十分深奥的专业知识原理，也不要求他们必须理解加工工艺背后的具体算法和模型，但要有意识地让他们建立相应的概念和兴趣。总的来说，作为重要的实践育人环节，工程训练要着力培养大学生的工程观、质量观、系统观。 2.工程观要面向问题、面向需求、面向应用 问：您刚才谈到了工程训练要着力培养大学生的工程观、质量观和系统观。请问，如何理解工程观？如何培养大学生的工程观？ 邵：以前一讲创新，就讲科学创新，就讲技术创新。现在我们认识到，创新实践应在科学、技术、工程三个层面同时发力。本质上讲，科学、技术、工程三者是不同类型的创造性活动，有着不同的发展规律。科学、技术、工程对人的能力、素质要求是不一样的。 目前比较普遍的是，大学课堂上注重讲授科学、技术原理，实验室里也追求基础和前沿技术的创新，这些固然是大学的主要使命，但不可忽视的是，工程层面的创新实践教育，还未引起足够重视，工程观的培育和熏陶，还着力不够。 树立学生的工程观，提升工程素养，首先要建立起面向问题、面向应用、面向现实需求的意识。*重要的工程素养是能发现问题和提出解决问题的方案。什么叫工程？按狭义的理解，工程是一种有组织的造物活动。例如，造出一条产线、盖好一幢建筑、安装好一个大型科学装置(如FAST)。如何把一个毛坯加工成具有特定功能的零件？从工程角度讲，就是要知道针对这种材料，通过哪些工艺去一步步地逼近，*终得到结构、功能、性能达到要求的零件。工程素养就是解决问题的能力。 工程观，要有“可靠性”意识。产品的可靠性包括产品的适用性、耐久性、安全性等。产品在设计寿命内应能稳定地实现设计功能，故障少。 工程观，要有成本意识。科研技术人员在和企业家交流时，不能只谈项目的科学原理、算法等，必须意识到，企业既追求产品的先进性、适用性，也追求产品的*，控制产品的成本等。工程是人类有组织地综合运用多门科学技术进行大规模改造世界的活动，它除了要考虑技术的先进性和可行性，还要考虑成本和质量，做到经济、实用、美观。 工程观，要有效率意识。制造厂商必须快速响应市场、响应用户需求，才能赢得竞争。如手机生产厂每隔半年甚至几个月就要推出新产品，汽车制造商每年要推出新的车型。这里面实质上有设计、制造周期的问题。“并行工程”是很好的指导原则。产品开发人员从设计开始就要考虑产品寿命周期的全过程，在满足功能、性能的前提下，设计的产品要易于制造、便于装配，还需要考虑使用过程中方便维护乃至回收处理。 工程观，要善于使用先进的工具并充分发挥其效用。通过应用数字化样机、仿真分析、增强现实等技术，加快设计，及时改进，并让潜在的设计错误、用户可能不满意的方面等尽早在虚拟仿真中暴露出来，提前改进。这样，可以大量减少产品的缺陷。 培养大学生的工程观，就是要在工程训练中强调这些理念并尽可能地设计一些实践体验环节。当然，前提是要让大学生有足够的工程训练时间。 3.质量观要面向竞争，聚焦产品性能 问：那么，什么是质量观？如何在工程训练中培养学生的质量观呢？ 邵：质量观要面向竞争、聚焦性能，其核心是要树立竞争意识、市场意识。 产品的核心要素首先是质量。从宏观层面讲，质量为先，就是把质量作为建设制造强国的生命线，以质量引领制造业发展，将质量提升作为制造业发展的优先工作，推动制造业走以质取胜的发展道路。 高质量很大程度来自市场压力和竞争意识。因为你的竞争对手也在生产类似产品。如何超过竞争对手？*终靠的是产品的质量。 当今世界，“德国制造”是高质量的代名词。但“德国制造”的光环并非与生俱来。从历史上看，“德国制造”经历了由弱到强、由辱到荣的蜕变过程。德国工业发展早期，采用仿造英、法等国产品的做法，廉价销售冲击市场，遭到工业强国的唾弃。1876年费城世博会上，“德国制造”被评为“价廉质低”的代表。那之后，德国意识到，要赢得竞争，必须靠质量而非价廉。德国人不断将质量观融入血液，紧紧抓住国家统一和第二次工业革命的战略机遇，改革创新，锐意进取，通过对传统产业的技术改造和对产品质量的严格把关，大力发展钢铁、化工、机械、电气等制造业和实体经济。“德国制造”完成华丽蜕变，德国在一战前跃居世界工业强国之列。 在建设制造强国、推进经济高质量发展、实现中华民族伟大复兴的进程中，我们必须进一步加强对“质量强国”战略的认识——质量是制造业的核心竞争力，只有靠质量，产品才能赢得市场。 工程训练要着力培养大学生的质量观，将质量意识落实到学生工程训练的各个环节和所做的每件产品之中。要让大学生理解，产品质量的形成过程就是设计、制造、装配的过程，每个环节都不能出问题，否则一定会影响到*终产品的质量。 今天的工程训练，要让学生掌握更深层次的质量内涵。对机加工零件而言，质量不光有尺寸、公差、表面粗糙度等要求，还有性能、材料特性等多方面的要求。我们以前参加工程训练(那时候还叫作“金工实习”)，把作品，比如小锤子做出来，拿着游标卡尺一量，尺寸多少，公差符合要求，就可以了。但现在我们要告诉学生，这个产品的品质还涉及显微裂纹、应力集中等。要建立起几何形貌、微观组织、力学特性的概念。今天的工程训练，要让学生更深入地检测自己做的零件，不仅宏观上做到“控形”——产品的几何形貌要达标，这是基本的；而且微观上做到“控性”——产品的微观组织、力学特性也要达标。要让学生建立“控形控性”认知。当然，工程训练中心要提供或借助科研实验室提供必要的检测手段。 我希望今天的学生在做工程实训产品的时候，跟三十多年前我们的制作观念有所不同；虽然产品是一样的，材料是一样的，工艺可能也是一样的。我们当年主要是看尺寸是否达到了、倒角是否都有、螺纹能不能被拧进去。今天的学生还应该理解产品质量更深层次的内涵，做出的产品是否经久耐用，还取决于其他一些重要因素。建立这种认识的学生将来走向社会、进入企业，一定会带来积极的变化和促进作用。 4.系统观要强调综合优化、整体效益 问：传统工程实践教学中，系统观强调得不多。但现代工业生产系统复杂，通常是大规模生产模式，树立系统观也是当代大学生的**素养。在学校工程训练课程中如何加强系统观教学呢？ 邵：要培养学生的系统思维，让他们知道，解决一个工程问题，需要具备多学科知识。比如，怎么焊好汽车“白车身”？不是说有了激光器、工业机器人，就能把车身焊接出来；这里面还涉及焊接工艺优化、工装夹具定制、焊缝质量在线检测、自适应控制技术等系列问题，涉及机械、材料、光学、控制、力学等多学科。解决复杂工程问题的方案通常是系统层面的。 还要培养学生大工业生产背景下的系统观。大学工程训练一般以离散型制造训练为主，当然也有涉及流程型制造训练的。离散型制造业生产过程复杂，产品种类繁多，工艺路线和设备使用灵活，车间形态多样，运营维护复杂。工程训练中，要尽可能让学生了解：在现代化大规模生产、大批量产品制造中，计划、调度、执行、反馈，如何无缝对接、一体优化？如何做到产品多而不乱、生产忙而有序？工程训练中心车间布局的生产线涉及多个工序，如何在优化每道工序的基础上追求产线的综合优化？片面追求单一工序的*优化很可能导致整体“生产过程”效率下降。要建立精益生产等概念，还要实践体验远程控制、在线检测、运行优化、节能环保、人机共融等新技术。我们培养卓越工程师，脑子里一定要有系统观，而不仅仅是懂机床操作。 系统观也包括责任观，要考虑全链条，考虑社会效益。比如，某些高速高精加工工艺能生产高品质的复杂产品，但其加工过程能耗很高，污染排放也严重，综合来看，其整体效益并非*大化。我们不一定让学生懂得生产过程的每个环节，但是要让学生学会思考：当一个方面有所改善时，会不会增加其他方面的损耗或影响？要让学生有一定的系统思维能力，建立全链条整体效益分析意识。 培养人文情怀对建立系统观很有帮助。小到锤子、大到产线，我们要做到每件产品都是“艺术精品”。系统观需要科技与人文交融，讲究人与社会、生态、环境和谐发展。这方面，不少大学已有积极的探索和实践。 5.工程训练要舍得投入，形神兼备 问：不少高校都在深化工程实践教育改革，推进工程训练实践平台建设。您认为，在工程训练实践平台建设升级过程中，要注意哪些方面？ 邵：工程训练，要舍得让学生动手，让学生操作。工程训练实践教学一定要舍得投入，包括软硬件设备，尤其是耗材，一定要真刀实枪、真材实料地开展工程训练。我认为，生均实践耗材投入是衡量一所高校是否重视实践教学的重要指标。考核一所高校重不重视教学、重不重视实践环节：要看它真正用在学生身上的实践耗材数量是多少；要看学校财务报表，每年学生实践耗材究竟花了多少钱；学校的实践教学，到底是学生人人都动手，或是几名、几十名学生分组动手，还是老师演示给学生看；金属切削，到底是真材实料，还是用蜡模、木头等代替金属。用蜡模、木头等做作品，可以初步建立起加工的概念，但很难树立前面所说的质量观。只有真正保障实践教学经费投入，支持学生真实践，允许学生去试错，学生才能尽快真正掌握知识，练就过硬本领。 工程训练实践平台建设要做到“形神兼备”。“形”就是让学生对现代大工业生产甚至智能制造的形态有感官认识，能看到现代化生产或者说一定规模的生产是怎么组织的，是由哪些部分构成的。车铣磨、铸锻焊、增材制造、特种制造、加工中心、工业机器人、AGV自动导引运输车(automated guided vehicle)。、制造执行系统等，这些都要有。工程训练面向不同专业，实践平台建设不可能面面俱到，但也不能太肤浅，要有一定深度，也就是说，要有“神”。“神”就是形态背后的“内涵”，“内涵”才是真正需要教给学生的东西。工程训练实践课程及平台建设，要花更多心思在内涵建设上。 工程训练培养学生，一方面不能本末倒置，“智能制造”“大数据”“云平台”等名词满天飞，只讲一点概念，什么都“不接地气”，偏离了工程训练的初心；另一方面也不能“老气横秋”，还是二三十年前的教学方案，还是车铣刨磨钳做一把锤子，要紧跟科技革命和产业变革的时代步伐。具体来讲，以智能制造为例。智能制造的主体在于制造，主导在于智能；制造追求的是产品的品质、生产成本的控制，以及上市的周期等。“智能”是为“制造”服务的，而制造的“魂”就是质量。因此，大数据、物联网也好，云计算、人工智能也罢，这些概念要在工程训练实践体系有所体现；但是，一定要让学生树立这样的观念：这些新技术的应用，是为产品的品质、成本、周期服务的。对工科学生而言，工程训练首先要培养专业知识能力，不能说面向智能制造高端人才培养，学生却不知道什么是铣的工艺，什么是磨的工艺。再怎么智能，再怎么工序复合，也是基于这些单元专业知识的综合集成。学生参加工程训练，首先要落脚到对工艺特点的认知上。 大学开设许多专业课程，特别是机械大类学生可能还要修读“机械设计”“金属工艺学”“机械制造基础”等课程。大学要考虑将某些专业课程或者专业课程的部分环节挪到工程训练中心现场上去，与现场装备的演示结合起来。一些复杂的理论知识、枯燥的结构原理、多样的运动方式，到工程训练中心现场一看就知道了。现场教学比黑板板书、播放课件(PPT)或视频教学有效得多。工程训练实践平台要同时为专业课程教学服务。 大学科研平台、重点实验室、工程中心的装备设施，要尽可能都纳入工程训练实践体系。这些高端装备都要向学生开放。当然，不一定是让学生动手操作这些装备。可以由专业人员操作，向学生演示讲解，让学生开眼界、长见识。高水平大学要让所有学生享受到*好的科研资源所带来的教育要素，要让*新的科研成果、*新的科研手段，服务于人才培养。 著名教育家、原华中工学院老院长朱九思曾说过，“科研是源，教学是流。”这个观点到现在都不过时！高校一定要重视科研成果向教学成果的转化，教学要反映*新科研成果，这样才能与时俱进、不误人子弟。 6.智能制造工程训练的“三国六化一核心” 问：不少高校在以智能制造为特征建设新一代工程实践创新中心。您认为，智能制造工程训练的特点是什么？ 邵：我在牵头承担几个全国智能制造试点示范项目时曾总结了“三国六化一核心”，可供工程实践创新中心参考。 “三国”是指采用国产智能装备、国产数控系统、国产工业软件。习近平总书记指出：“新时代的中国青年要以实现中华民族伟大复兴为己任，增强做中国人的志气、骨气、底气”。我们要有信心使用国产软硬件，看到我国取得的成就并用上自主成果，同时也要了解与国外先进技术之间的差距，激发科技自立自强的信心和勇气。 “六化”是指实现装备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化、决策自主化。我们建设智能产线、智能车间，就是运用各种数字化、智能化手段实现这“六化”，当然还要实现“绿色化”。在以智能制造升级改造工程训练实践平台时，要让学生有机会实践并体验这些应用。 “一核心”是指智能工厂大数据。企业制造过程产生了很多数据，要善于挖掘、分析大数据背后隐藏的规律，这才是核心——“懂得如何做(knowhow)”。在智能制造工程训练中，要让学生学习对制造大数据的挖掘和分析。 新工科建设不能丢掉魂，要重视对学生的工程观、质量观、系统观的培养，扎实推动工程实践教育高质量发展，加大对工程训练课程体系和实践平台的改造建设，提高学生的工程素养，强化质量意识，建立系统思维，培养一大批历史使命与专业精神兼具、堪当民族复兴重任的时代新人。