交大好設(shè)計，為中國“智”造積蓄力量
家有老人，怎樣散步既鍛煉身體又安全省力? 機械與動力工程學(xué)院學(xué)生劉志穿上一副特殊的“骨骼”，向大家演示他和同學(xué)設(shè)計的老年人散步“省力神器”:輔助行走及鍛煉一體機。
“我們實驗發(fā)現(xiàn)，正常人散步4小時就累得走不動了，穿著輔助行走及鍛煉一體機至少可多走0.6小時。”劉志說，他的爺爺奶奶年齡大了，走路不方便，所以他想設(shè)計一種可以幫助老人行走鍛煉的機械。這個機器的靈感來源于國外一些成功的外骨骼設(shè)計，在實際設(shè)計時，劉志和他的團隊成員使用了滑輪、彈簧等部件，借助走路時手臂擺動和膝蓋彎曲的力量帶動老人雙腿行走，既安全輕便又省勁兒。
除了輔助行走及鍛煉一體機等生活常用好幫手，還有學(xué)生團隊制作的特定領(lǐng)域?qū)I(yè)助手。微創(chuàng)腹腔鏡是未來外科手術(shù)的大趨勢。機械與動力工程學(xué)院學(xué)生劉柯團隊設(shè)計了一款電磁式免氣腹腹腔成腔裝置，通過控制電磁鐵的吸力就能成腔，避免了傳統(tǒng)方法引起的手術(shù)并發(fā)癥。“這個裝置的吸力能根據(jù)手術(shù)需要控制調(diào)節(jié)，我們還設(shè)計了散熱方案降低電磁鐵工作時產(chǎn)生的熱量。”劉柯介紹說。
這些成果都來自上海交大機械與動力工程學(xué)院不久前舉辦的2015學(xué)年本科生課程項目成果展。
據(jù)了解，此次展出的都是上海交大機械與動力工程學(xué)院 《工程學(xué)導(dǎo)論》、《設(shè)計與制造Ⅱ》、《工程設(shè)計》三門本科生專業(yè)課程的設(shè)計項目，共展出近800名本科生完成的160項課程項目成果。這些“交大好設(shè)計”的選題設(shè)計來自于校企合作項目、指導(dǎo)教師研究課題以及學(xué)生的自選發(fā)明。
對接國際先進教學(xué)理念，創(chuàng)新“項目式”工科教學(xué)模式
“通過解決日常生活中的實際工程問題，學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合工程能力都得到了鍛煉，未來中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型就需要綜合工程實踐能力很強的人才。”上海交大機械與動力工程學(xué)院院長奚立峰教授表示，從2012年到2015年，機械與動力工程學(xué)院已成功舉辦了五屆項目成果展，每次展出的學(xué)生作品都會受到廣泛關(guān)注。
這些“交大好設(shè)計”每個成果背后都有一位指導(dǎo)老師和一個學(xué)生團隊。機械與動力工程學(xué)院副院長章俊良教授介紹說:“目前機械與動力工程學(xué)院采用的教學(xué)模式與世界一流大學(xué)工科教育一致，很多課程都采用項目式教學(xué)組織方式。每4-6名學(xué)生組成一個團隊，他們在學(xué)院教師和企業(yè)專家的指導(dǎo)下，完成來自企業(yè)與實際工程問題相關(guān)的項目，體驗市場調(diào)研、概念設(shè)計等工程產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，最后通過項目成果展示環(huán)節(jié)接受評審考核。項目式學(xué)習(xí)的過程，讓學(xué)生將教學(xué)內(nèi)容中的原理、知識等綜合運用在實際的項目中，完成對相關(guān)知識體系的構(gòu)建和能力的鍛煉。”
在奚立峰看來，傳統(tǒng)的工科人才培養(yǎng)模式偏重于知識的傳授，學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實，但實踐能力與創(chuàng)新意識比較薄弱，與實際工程應(yīng)用環(huán)境距離較遠。而在經(jīng)濟全球化的背景下，無論是面向“工業(yè)4.0”還是“中國制造2025”，“工程”和“工程師”的發(fā)展正呈現(xiàn)新趨勢。首先，“工程”正向大工程方向發(fā)展，具有多學(xué)科協(xié)調(diào)、跨國等特性;其次，“工程師”已逐漸要求在分工的基礎(chǔ)上強調(diào)全面素質(zhì)的綜合。因此，必須培養(yǎng)符合未來需求的國際化的、具有創(chuàng)新思維能力的現(xiàn)代工科人才，高校和工業(yè)界必須資源共享、探索全新的產(chǎn)學(xué)合作路徑。
“機械與動力工程學(xué)院近幾年著力探索創(chuàng)新工科人才培養(yǎng)模式，多層次、多維度地提高人才素質(zhì)，其中包括項目式教學(xué)模式探究，工科實踐平臺建設(shè)，校企產(chǎn)學(xué)合作探索。”章俊良教授認為，這一培養(yǎng)模式把傳統(tǒng)的灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿魇綄W(xué)習(xí)，構(gòu)建了開放的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供獲取知識的多種渠道。同時，這種教學(xué)模式也構(gòu)建了企業(yè)、高校聯(lián)合參與工科教育的產(chǎn)學(xué)研合作的工科實踐平臺，不僅解決了企業(yè)實際工程問題、提高了學(xué)生的工程實踐能力，也讓教師充分了解了企業(yè)的實際需求和前沿熱點，實現(xiàn)了“三贏”。
聚焦“中國制造2025”，培養(yǎng)創(chuàng)新工科人才
作為國家教育體制改革首批試點學(xué)院，交大機械與動力工程學(xué)院始終重視學(xué)生的國際競爭能力的培養(yǎng)，自2000年起相繼與美國密西根大學(xué)、普渡大學(xué)、賓州州立大學(xué)等開展國際合作教育。同時，還以學(xué)生為中心，通過建立工科實踐平臺———“學(xué)習(xí)工坊”，加強產(chǎn)學(xué)合作，進一步完善機械工程人才培養(yǎng)體系，提高學(xué)生工科創(chuàng)新思維和實踐能力，培養(yǎng)具有國際競爭力的創(chuàng)新人才。這也是學(xué)院目前本科人才培養(yǎng)工作的重點。
該學(xué)院2012級本科生曹家駿同學(xué)是上海交通大學(xué)在交大附中培養(yǎng)的第一屆科技創(chuàng)新班成員，在高中時就進入上海交大工程訓(xùn)練中心參與課題，并獨立完成了課題《環(huán)形電磁驅(qū)動技術(shù)研究和模型設(shè)計》，獲得了第26屆上海青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎、全國青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎，并代表中國參加第63屆International Science and Engineering Fair。
一進入交大，曹家駿就進入實驗室實習(xí)，大一時完成的課題 《基于磁懸浮飛輪的分布式電能處理存儲系統(tǒng)》，獲得了全國大學(xué)生節(jié)能減排科技創(chuàng)新大賽特等獎，并代表交大參加中英美工程院全球重大挑戰(zhàn)峰會且獲銀獎。大四時完成的課題 《基于雙螺桿萬向關(guān)節(jié)的單孔微創(chuàng)手術(shù)機器人》，獲2015年全國挑戰(zhàn)杯特等獎。
曹家駿說，正是學(xué)院豐富的科創(chuàng)實踐平臺，使得自己的眾多創(chuàng)新想法得以付諸實踐，而每學(xué)期一次的課程項目成果展也鍛煉了他的學(xué)術(shù)表達能力。
首屆錢學(xué)森班學(xué)生馬景鋮同學(xué)獲得了“協(xié)鑫杯”首屆大學(xué)生綠色能源科技創(chuàng)新大賽一等獎、第八屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐及科技創(chuàng)新大賽二等獎、第十三屆上海-新加坡“陳嘉庚杯”青少年發(fā)明獎三等獎、“柳工杯”挑戰(zhàn)杯機械與動力工程學(xué)院選拔賽一等獎、第二屆中英美工程院全球重大挑戰(zhàn)峰會銀獎等。作為第一發(fā)明人，他還成功申請“自供能的真空管集熱器阻垢系統(tǒng)”國家發(fā)明專利。“第一次課程項目成果展讓我覺得課本上所學(xué)習(xí)的內(nèi)容可以通過實踐成功做出來，我的科研熱情從那時起一下子點燃了! 工程實踐平臺也幫助我們順利完成產(chǎn)品的制作。這一切都讓我更堅定地在科創(chuàng)這條路上繼續(xù)砥礪前行。”
工科實踐平臺破解人才困境
全球化的趨勢促進工程教育方式逐漸發(fā)生改變，高等院校的培養(yǎng)目標逐漸轉(zhuǎn)向綜合性、研究型、國際化方向發(fā)展。而學(xué)生進入企業(yè)實習(xí)、導(dǎo)師手把手進行教學(xué)實驗的可行性大大降低，而且，學(xué)生往往在強大的計算機模擬條件下進行工程設(shè)計，脫離了實際的工程應(yīng)用環(huán)境。工程教學(xué)的配套實驗也很少涉及與時俱進的實際工程操作，更難有加入學(xué)生可以主觀參與的環(huán)節(jié)。
工業(yè)的發(fā)展離不開大學(xué)人才培養(yǎng)等方面的支撐。大學(xué)的課程需要根據(jù)工業(yè)發(fā)展不斷反饋適應(yīng)，更新相關(guān)專業(yè)課程，而目前專業(yè)課程大綱的更新相對行業(yè)的發(fā)展較為滯后。這也造成了工科學(xué)生的培養(yǎng)與工業(yè)發(fā)展的需求脫節(jié)。
投入工程行業(yè)的學(xué)生，除了要有深厚專業(yè)基礎(chǔ)，廣博的工程實踐綜合能力，還需要良好的系統(tǒng)分析能力、對工程整體構(gòu)成的熟悉 (包括經(jīng)濟、歷史、環(huán)境、客戶和社會需求)、工程道德、團隊合作、批判性和創(chuàng)造性思維，好奇心和求知欲等。
大學(xué)如何平衡科學(xué)研究與應(yīng)用實踐，如何搭建好產(chǎn)學(xué)合作平臺，讓學(xué)生直觀、系統(tǒng)地實踐，成為了亟待解決的問題。而上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院則通過打造工科實踐平臺，探索破解這一人才培養(yǎng)困境的實踐。
三大對策培養(yǎng)工程人才
打造工科實踐平臺—“學(xué)習(xí)工坊”，堅持“從實踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中實踐”，是未來工科專業(yè)教育的方向
1994年，作為美國國家科學(xué)基金會工程教育的一項為期三年的資助賓州州立大學(xué)、波多黎各馬亞圭斯大學(xué)(UPRM)、華盛頓大學(xué) (UW)、桑迪亞國家實驗室和24個企業(yè)合作探索“學(xué)習(xí)工坊”。
“學(xué)習(xí)工坊”的理念來源于產(chǎn)學(xué)結(jié)合激勵下的學(xué)生主動學(xué)習(xí)。作為鼓勵學(xué)生了解實際工程項目、主動學(xué)習(xí)的措施，強化學(xué)生工程科學(xué)的實踐經(jīng)驗，同時平衡當前教育環(huán)境下學(xué)生難以接觸實際工程制造的局限。
“學(xué)習(xí)工坊”能夠作為教師課堂講授的補充訓(xùn)練;學(xué)生也通過動手實踐獲得經(jīng)驗;學(xué)生通過“學(xué)習(xí)工坊”與實際工程企業(yè)的密切合作，在專業(yè)教師與行業(yè)贊助企業(yè)專家的共同指導(dǎo)下完成工程設(shè)計項目;在此過程中學(xué)生能夠很好地綜合應(yīng)用基礎(chǔ)工程課程的理論與實踐、培養(yǎng)設(shè)計和經(jīng)營理念等。
“學(xué)習(xí)工坊”是連接大學(xué)與企業(yè)的橋梁，它提供工科實踐的平臺，使高校能更容易地接觸企業(yè)工程項目，使師生積極參與其中。“學(xué)習(xí)工坊”也獨立處理重要的行政管理事宜，如市場營銷、評估學(xué)生項目以及處理知識產(chǎn)權(quán)問題等。團隊合作中學(xué)生、專業(yè)教師和行業(yè)專家的參與，豐富了教育過程，為各方提供了切實的幫助，實現(xiàn)“多贏”。
“學(xué)習(xí)工坊”的項目結(jié)合工程實際，主要來源有三個:一是教師從科學(xué)研究中凝練的典型工程問題;二是產(chǎn)學(xué)合作平臺共同提出，適合學(xué)生研究的工程問題;三是學(xué)生自己從生活與實踐中發(fā)現(xiàn)和提出的工程問題。按照項目的難易程度及技術(shù)復(fù)雜性等，分四個層次，使學(xué)生四年本科學(xué)習(xí)階段，能夠完成從工程認知———簡單產(chǎn)品開發(fā)———機構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)———復(fù)合機電系統(tǒng)開發(fā)等系列課程項目，循序漸進培養(yǎng)學(xué)生工程思維與綜合實踐能力。
在“學(xué)習(xí)工坊”中，采取學(xué)生自愿或教師指定的方式組合，組成4-6人的團隊，每位成員都需定期擔任項目團隊組長，負責協(xié)調(diào)、落實項目某個階段的具體工作，以鍛煉領(lǐng)導(dǎo)能力和組織協(xié)調(diào)能力。項目實施過程中，教師根據(jù)課程項目的不同階段，鞏固學(xué)生所學(xué)的知識點，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力、創(chuàng)新意識及綜合實踐能力。學(xué)生以團隊合作的方式在教師及企業(yè)工程師的聯(lián)合指導(dǎo)下共同完成由企業(yè)提出實際工程問題。
課程項目是課程教學(xué)實踐中非常重要的環(huán)節(jié)，其考核計入總成績。課程項目的評估包括設(shè)計報告、演講答辯、模型/原型制作、成果評審展示四個部分，每個團隊還有隊員間的互評。考察了包括學(xué)生對知識的掌握、運用，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程以及能力和素質(zhì)的提高等方面的內(nèi)容。對學(xué)生技術(shù)交流和表達，團隊協(xié)作與動手實踐能力等也有了較為全面的評估。
通過項目的實施，可以鞏固所學(xué)的知識點，了解工程理論如何在實際中應(yīng)用，學(xué)生可以將課程學(xué)習(xí)中獲得的離散知識，聯(lián)系、應(yīng)用到一個具體的工程系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)自身對相關(guān)知識體系的構(gòu)建。
在學(xué)期結(jié)束的教學(xué)評估中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍認為通過“學(xué)習(xí)工坊”項目，溝通能力和工作的能力;團隊合作能力，信息過程、結(jié)果的展示能力;批判性思維能力;處理沖突和不確定性的能力;解決問題的信息搜索與動手能力以及跨學(xué)科思維、學(xué)術(shù)表達等都得到了明顯的鍛煉。對于低年級學(xué)生來說，剛開始對于這樣的開放式學(xué)習(xí)會有些不適應(yīng)，但在項目進行以及指導(dǎo)老師的幫助下，大多數(shù)學(xué)生能夠在三到四周內(nèi)適應(yīng)新的學(xué)習(xí)方式，并提升自信。
目前，學(xué)院的工科實踐平臺正在不斷發(fā)展完善，“學(xué)習(xí)工坊”的項目也正在向多學(xué)科交叉平臺進行推廣。
加強校企產(chǎn)學(xué)合作，加大企業(yè)參與人才培養(yǎng)力度，推行以現(xiàn)實工程問題為主導(dǎo)的項目式教學(xué)新模式
學(xué)校與企業(yè)共建產(chǎn)學(xué)合作平臺
行業(yè)的反饋溝通是高校人才培養(yǎng)改革的一個不可或缺的組成部分。上海交大與美國賓州州立大學(xué)從2010年開始建立了國際產(chǎn)學(xué)合作平臺，通過引入企業(yè)的工程師對項目進行合作指導(dǎo)，并把企業(yè)解決實際工程問題的方式方法融入到教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程實踐能力。目前已有40多家國內(nèi)外企業(yè)參與了平臺的建設(shè)，其中包括GE、ABB、上海電氣等財富500強企業(yè)。
通過高校與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生的方式，在高校內(nèi)建立產(chǎn)學(xué)合作平臺，很好地解決學(xué)生在學(xué)校環(huán)境下很難接觸到實際工程項目與工業(yè)發(fā)展脫節(jié)的問題。同時，學(xué)校通過自身科學(xué)研究能力幫助企業(yè)解決實際工程問題，而企業(yè)也通過貢獻項目、資源、反饋，為學(xué)生培養(yǎng)提供幫助。
企業(yè)帶實際工程問題參與項目教學(xué)
項目式學(xué)習(xí)課程，是以現(xiàn)實社會中的工程項目為依托，企業(yè)帶著實際工程問題進入產(chǎn)學(xué)平臺。通過問題的解決，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性、提升學(xué)生成就感，學(xué)生在解決問題的過程中通過團隊合作，進行思維碰撞，頭腦風(fēng)暴，創(chuàng)新思維訓(xùn)練，不斷提高創(chuàng)造力。
項目式學(xué)習(xí)的目標是最終實現(xiàn)企業(yè)要求、學(xué)生設(shè)計、導(dǎo)師意見的統(tǒng)一，完成一項實際工程項目。所有項目都需要學(xué)生實踐基礎(chǔ)知識，同時發(fā)展溝通和團隊技能。
在實踐過程中，學(xué)生訓(xùn)練的基礎(chǔ)工程技能包括:產(chǎn)品解析———逆向剖析工程產(chǎn)品和制造過程，得出被分析產(chǎn)品獲得社會認可，在市場中成功的各項因素;并行工程———產(chǎn)品、過程開發(fā)的方法，在此階段掌握客戶需求，確保產(chǎn)品制造可行性和適用性;技術(shù)型創(chuàng)造———技術(shù)創(chuàng)新，再加上業(yè)務(wù)的規(guī)劃和發(fā)展 (也是對少數(shù)創(chuàng)業(yè)者以及工程領(lǐng)導(dǎo)力發(fā)展的要求);產(chǎn)品質(zhì)量工程———采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法分析、優(yōu)化工業(yè)過程，強調(diào)實驗經(jīng)驗的應(yīng)用;交叉學(xué)科項目設(shè)計———不同工科專業(yè)學(xué)生組建團隊解決企業(yè)客戶或者一些社會服務(wù)組織的設(shè)計要求。
未來發(fā)展方向———多學(xué)科交叉的產(chǎn)學(xué)合作人才培養(yǎng)模式
在產(chǎn)學(xué)合作實踐平臺“學(xué)習(xí)工坊”中，最重要、最持久的創(chuàng)新來源于鼓勵學(xué)生自主為企業(yè)提供開放式、多學(xué)科交叉的項目設(shè)計。在“學(xué)習(xí)工坊”提供的幫助下，學(xué)生有可能形成一個多學(xué)科交叉的團隊，在專業(yè)教師以及企業(yè)導(dǎo)師同時指導(dǎo)下完成實際的，開放式的項目設(shè)計課題。學(xué)生以此實踐所學(xué)到的專業(yè)知識，鍛煉工程常識思維和判斷能力，完成企業(yè)客戶日益交叉、綜合化、智能化的項目。贊助商除了企業(yè)外，還囊括了廣泛的工業(yè)組織以及社會基礎(chǔ)服務(wù)組織。
項目贊助企業(yè)在項目完成的同時，有機會更近距離地接觸高校培養(yǎng)的畢業(yè)生，以評估和招聘新的人才。企業(yè)深入?yún)⑴c高校人才培養(yǎng)各環(huán)節(jié)的合作模式，大大增進了企業(yè)與未來會成為行業(yè)中流砥柱的學(xué)生們之間的溝通了解，對提升企業(yè)口碑、知名度大有裨益，因此大多數(shù)贊助企業(yè)都選擇連續(xù)資助“學(xué)習(xí)工坊”項目。
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