面向解決復雜工程問題的機械工程專業實踐教學體系

鄒光明， 劉源泂， 肖 涵， 王興東， 侯 宇， 余 震

（武漢科技大學機械自動化學院，武漢430081）

0 引 言

工程教育在國家工業化進程中，對門類齊全、獨立完整的工業體系的形成與發展發揮了非常重要的作用。2016 年6 月我國正式加入《華盛頓協議》，以此為契機，推進工程教育的全面改革，加快從工程教育大國向工程教育強國邁進［1］，這對我國高等工程教育提出了更高的要求。工程教育專業認證工作所引入的先進工程教育理念，對加強“新工科”的建設亦有著十分重要的意義。在國家對高級工程技術人才需求大幅增加的新形勢下，均在不同程度上強調培養學生解決實際工程問題的能力，中國工程教育專業認證協會又專門提出了培養學生解決復雜工程問題的能力要求［2-3］。

我校機械工程專業辦學歷史久遠，以冶金機械為特色。2007 年獲批國家特色專業，2012 年獲批“卓越工程師教育培養計劃”，2013 年獲批國家級專業綜合改革試點項目，2008 年獲批機械工程專業基礎課程國家級教學團隊。工程教育專業認證要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學資源條件配置等都圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開，對實踐教學提出一系列的新要求［4］。本研究從實踐教學入手，結合自身人才培養定位和專業特色，構建實踐教學體系，進行了一系列的改革與實踐，使其滿足工程教育專業認證標準的要求，著力提高學生的工程設計、綜合和創新能力，達到認證協會提出的學生解決復雜工程問題能力的培養要求。

1 復雜工程問題特征

根據工程教育認證標準，機械工程專業的學生應該具備解決復雜工程問題的能力，標準中所提到的復雜工程問題必須具備下述特征①，同時具備下述特征②～⑦的部分或全部［2-3］：①必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決；②涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

很多學者對復雜工程問題進行了剖析［5-7］，其中必須具備的第1 條特征，注重知識深度，強調學生應具備從掌握知識到運用知識的能力。解決復雜工程問題能力培養，并不能在某一門理論課或者實踐課中就可以得以實現，它是一個系統工程，需要在整個培養體系中逐步得到解決，特別是需要貫穿于整個實踐活動環節之中逐步得到提升。本專業充分考慮復雜工程問題的特征，結合在校生／家長、用人單位、行業專家以及畢業5年左右的往屆畢業生反饋意見制定了學生的培養目標。

2 構建面向解決復雜工程問題的機械工程專業實踐教學體系

學生解決復雜工程問題能力的培養必須通過整個培養體系實現，因此需要將復雜工程問題的特征進行分解，落實到培養的各個環節中［8］。結合工程認證，眾多專家學者對人才培養模式和教學體系進行了研究［9-18］，本專業為提升學生的工程教育水平，加強解決復雜工程問題能力的培養，對工程認證復雜工程問題能力的內涵及特征進行剖析后，結合本專業特色，對專業培養方案進行了修訂和完善，特別對實踐教學中存在的問題進行持續改進，重新設計了實踐教學體系，如圖1 所示。

為了加強對學生解決復雜工程問題能力的培養，對實踐教學環節進行了優化設置，刪除了機制工藝學課程設計，增加了機械測繪、數學建模實踐和專業課程設計等環節；單獨開設了機械原理、液壓傳動、機電測控技術3 門綜合實驗課程，各單獨設課實驗課程1 個學分。為了在實驗中更直接培養學生解決復雜工程問題能力，根據復雜工程問題特征，對所有課程實驗內容進行了基礎實驗、設計與綜合、創新實驗3 層次設計。

積極拓展校企聯合實踐基地和校內實踐場所，構建多方位面向工程的實踐教學平臺，在面向工程的實踐教學平臺支持下，采用基于項目的實踐教學方法進行實踐教學的實施，提升學生的工程設計能力、工程綜合能力和工程創新能力，從而完成學生解決復雜工程問題的能力達成。

3 優化實踐教學環節，改革實踐教學內容，加強解決復雜工程問題能力的培養

針對復雜工程問題必須具備的特征，考慮學生的認知規律及知識融合的必要性和復雜性，將傳統的實踐模塊進行了優化設置，每個實踐模塊的設置具有較強的層次性，每個層次設計了相應的培養目標和實施方法，實踐環節分為人文社會、工程基礎、工程設計及綜合、工程創新4 個層次的實踐。結合復雜工程問題的特征，對各實踐環節進行分析和設計，為最終學生解決復雜工程問題能力的目標達成制定了合理的實踐內容，如機械原理課程設計環節屬于工程設計與綜合實踐模塊，其實踐內容具有復雜工程問題的5 個特征。

3.1 人文社會實踐

人文社會實踐模塊包括：軍訓、社會實踐、公益勞動等；本實踐模塊主要培養學生良好的實踐品質和實踐習慣。

3.2 工程基礎實踐

工程基礎實踐模塊主要包括大學物理、電工、電子等基礎課程實驗、專業基礎課程及專業課程的基礎實驗、金工實習、機械測繪和認識實習等環節，著重培養學生良好的實踐習慣和基本工程素養。

各課實驗中的基礎實驗屬于工程基礎實踐模塊，該層次實驗方法包括各類靜／動態模型演練示范、多媒體現場實況展示、虛擬仿真示范與講解、現場操作示范與講解、親手操作等。通過這一層次的實驗教學，使學生系統地掌握機械工程各分支學科研究的基本實驗方法和技術，并具有較好的基本工程素養、獨立實驗能力和自主訓練能力。

解決復雜工程問題能力的培養首先需要進行基本技能的訓練，因此本專業在工程基礎實踐模塊增加了機械測繪的課程實踐環節。該環節是通過對現實機械設備的測繪，使學生能理論聯系實際，掌握機件測繪的工作程序及技能，培養學生具有基本的繪制和閱讀機械圖樣能力，具備解決復雜工程問題的基本工程素養。

通過本模塊實踐環節的訓練，培養學生在機械工程問題中識別、表達和分析復雜工程問題的能力。

圖1 面向解決“復雜工程問題”的機械工程專業實踐教學體系

3.3 工程設計與綜合實踐

工程設計與綜合實踐模塊包括專業基礎課程和專業課程的綜合實驗、機械原理課程設計、機械設計課程設計、專業課程設計、機制工藝實習和生產實習等環節，該模塊是在老師的引導下，學生運用所學知識開展設計和綜合實踐，培養學生的工程思維和工程實踐能力，強化工程設計意識，逐步具備解決復雜工程問題的能力。

工程設計與綜合實踐模塊中開設設計與綜合型實驗。如針對單獨設課的機械原理實驗，在此環節新增機構運動測試及仿真實驗。設計與綜合實驗以培養學生綜合設計能力和跨學科的工程應用能力為目標，構成具有機、電、液交叉的設計綜合型實驗教學模塊，體現多學科知識融合。實驗以現代測試技術、控制技術、計算機應用及CAD／CAM／CAE集成技術為基礎，采用各種現代技術，提高學生認識工程問題、分析工程問題、解決工程問題的能力。

本專業在發展過程中，始終堅持冶金特色。課程設計以冶金機械為對象展開設計。如機械原理課程設計，以冷軋生產線的飛剪機構為對象進行設計分析；機械設計課程設計以冶金礦山用傳輸帶齒輪減速器為對象進行設計；專業課程設計以煉鋼廠起重機為對象進行設計。機械制造工藝實習、生產實習中安排了許多冶金企業實踐環節，使學生了解冶金生產過程高速、重載等特征，并將所學的冶金機械相關理論知識與生產實際相聯系，培養學生對機械系統的分析、設計、研究的能力。

3.4 工程創新實踐

工程創新實踐模塊包括相關課程創新實驗、數學建模實踐、畢業實習和畢業設計（論文）、課外創新實踐（專業能力系列競賽、工程項目訓練和科研項目訓練）等，培養學生工程實踐能力及解決復雜工程問題的能力。

本模塊實驗基于由液壓傳動、機械原理、冶金核心裝備和機電測控技術等課程實驗所組成的創新實驗教學平臺，依托本專業冶金機械技術上的優勢，構建10多項代表學科前沿、并具有較強工程背景的創新型實驗項目，供學生進行機、電、液系統個性化設計和研究創新實驗。該層次實驗主要是在更高層面上培養學生的工程設計能力和創新能力，體現專業的冶金特色。本平臺開發了緊跟學術前沿的探索性實驗項目，如高壓靜電噴涂控制、軋機遠程監測與故障診斷、金屬結構疲勞可靠性、受控五桿機構實驗等。學生自己設計實驗方案，自己獨立實施整個實驗的過程，使學生從選題、實驗設計、實驗操作、數據處理、結果分析、報告撰寫與答辯等各個環節得到較為全面的創新能力和方法的訓練。

另外，在此模塊增加了數學建模實踐，該課程的教學是以學生為主體，自主選題、自主探索和改進仿真實驗方法，采取多形式、多渠道的評價方法，突出學生對分析問題能力和創新思維的培養；學生以5 ～6 人為1組，團隊分工協作，教師做專業性指導，協調本小組成員共同完成綜合實踐任務，學生成果評價突出創新性定位、歸納和展示。

本專業培養方案中學生需取得3 個創新學分，因此對課外實踐活動進行整合優化，以項目的形式開展實踐，將項目劃分為設計創新型、工程應用型和學術研究型。設計創新型項目實踐是結合專業系列能力競賽活動的主題來展開，具體活動包括機械創新設計大賽、“挑戰杯”課外科技作品大賽、互聯網＋創業大賽、工程訓練綜合能力競賽、節能減排科技大賽、Robocon 機器人大賽、先進成圖大賽、機械產品三維數字化設計大賽、創新實驗技能競賽、點子大賽、創業計劃競賽等，這些賽事分為院級、校級、省級和國家級，采用學生“自由報名、自由組隊、自主選題、自主實踐”機制，然后組織答辯，進行方案評比，對構思新穎的可行方案，導師和學生雙向選擇組隊，給予經費資助進行產品制作。這些競賽活動中取得的成績作為學生的創新學分。工程應用型和學術研究型項目實踐活動是利用冶金裝備及其控制教育部重點實驗室、機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室平臺，定期發布學術研究型和工程應用型課題，學生依據自身的知識儲備和興趣自由選題。以學生參加科研活動的階段性成果（實物、論文或總結報告等）和指導教師評價作為學生取得創新學分的評定依據。

本模塊實踐培養學生綜合運用知識解決實際問題的能力，能應用所學知識和所掌握的技能從事機械工程領域的科學研究、技術開發、工藝創新、工程組織管理等工作，完成解決復雜工程問題的能力培養。

4 進一步加強面向工程的實踐教學平臺建設

為了提升學生解決復雜工程問題能力，全面營造有利于學生開展實踐的環境和條件，建立了面向工程的實踐教學平臺，為提升學生解決復雜工程問題的能力提供軟硬件支持。本專業傾力打造及可利用的實踐教學平臺包括：國家級機械實驗教學示范中心、工程圖學自主學習中心、校企聯合實習基地、工程訓練中心、大學生創新工場、教育部冶金裝備及其控制重點實驗室和湖北省機械傳動重點實驗室。

4.1 國家級機械實驗教學示范中心的建設

實驗室的基礎建設和開放程度直接關系到培養學生解決復雜工程問題的能力目標達成，為此，本專業一直致力于加強國家級機械實驗教學示范中心的建設。

4.1.1 實驗教學平臺的建設

根據學生認知和學習規律，結合復雜工程問題特征，根據實驗內容和實驗技術的需要構建了基礎、設計與綜合和創新3 層次實驗教學平臺。通過實驗，漸進培養學生解決復雜工程問題的能力。

4.1.2 信息化建設

實驗室加強信息化建設，學生可通過信息平臺進行實驗預約、下載實驗電子資源（實驗指導書、多媒體課件、視頻錄像、虛擬仿真軟件）、實驗預習、實驗仿真、提交電子版實驗報告、查詢實驗成績等。實驗示范中心定期進行培訓，提升實驗教師的信息化能力。通過信息化平臺，可實時查看中心的軟硬件資源情況，從而使得中心的資源可更充分地服務于校內外的教學、科研及工程服務，大大提高中心資源的利用率。中心隨時為本科生開放，中心教師可利用教學網站進行排課、實驗報告的批閱、成績錄入，可與學生進行網上實驗教學交流，給學生答疑解惑。實驗示范中心建立了完善的實驗管理系統和門禁系統。

4.1.3 建立校企聯合實驗室

在實驗中心建立校企聯合實驗室。與武鋼合作成立的武科大-武鋼聯合實驗室，給學生提供了一個了解鋼鐵生產流程與典型冶金設備的最佳平臺；與武漢船用機械有限公司建立了智能制造實驗室；與中冶南方有限公司建立了軋機傳動實驗室；與中國大恒（集團）有限公司建立機器視覺聯合實驗室。學生通過校企聯合實驗室平臺，進一步拓展了學生面向工程的知識面，利用企業的優勢資源培養學生工程能力，提升學生解決復雜工程問題的能力。

4.1.4 虛擬實驗平臺建設

近年來，實驗中心加強虛擬仿真系統實驗室平臺建設，2019 年液壓元件及系統成功獲批國家級虛擬仿真實驗室，并推進了機械設計與機械原理虛擬實驗平臺、柔性車間虛擬仿真實驗平臺、機械測試虛擬仿真實驗平臺等系列虛擬實驗平臺建設，虛擬實驗平臺為加強機械工程專業學生工程實踐能力和實踐創新能力的培養提供了保障。

4.2 建立了工程圖學自主學習中心

本專業建立了工程圖學自主學習中心，其架構如圖2 所示。以機械制圖課程內容為基礎，建設涵蓋工程模型、掛圖和工程標準庫以及工具間在內的自主學習中心，在低年級增加學生動手和實踐時間，形成學生自主學習、主動學習和更有興趣學習的良好氛圍，培養學生基本工程素養。

圖2 工程圖學自主學習中心架構

4.3 拓展校企聯合實踐基地

本專業努力拓展校外實踐基地，除已有的武漢鋼鐵（集團）公司國家級工程實踐教育中心外，本專業建成了武漢船用機械有限公司省級示范實習實訓基地，另外新增中冶南方自動化公司、武漢重型機床集團有限公司、東風汽車集團公司十堰發動機廠、神龍汽車有限公司、湖北省地質局裝備中心等10 多個校級和院級實習實訓基地。

在省級示范實習實訓基地，針對本專業學生的培養，校企共同建設了機械標準概論、機械加工工藝及設備、機床夾具設計與實踐3 門實踐課程。在省級示范實習實訓基地內構建了集機械系統方案選擇、機械制造工藝和材料、機床夾具設計、數控加工技術與編程、機電液系統設計及機加工計劃與調度、排產等模塊為一體的工程實踐系統訓練平臺，實現了工程實踐訓練的模塊化。

4.4 構建大學生創新工場

本專業專門建立了大學生自主實踐創新工場，創新工場的具體構架如圖3 所示。為有效培養學生工程實踐及創新創造能力，形成了以“一個平臺為主體，兩營活動為兩翼，多項賽事為延伸，創新創業共融合”的特色工作機制。在創新工場，成立了多個創新團隊，如機器人團隊、機械創新設計團隊、工程訓練團隊、創新創業團隊等。在創新工場，除了進一步推動課外專業能力競賽活動、創新創業活動等外，同時致力于推進學科交叉融合，培養學生工程創新創造能力。

圖3 大學生創新工場架構

5 加強實踐教學隊伍建設

培養具有較強實踐能力和創新創業精神，能解決復雜機械工程問題的高素質應用型人才，就要求畢業生具有堅實的專業基礎理論、較強的工程實踐能力，這對專業教師隊伍提出了很高的要求。為保證師資隊伍質量，保障教師教學能力、專業水平、工程經驗、溝通能力和職業發展能力的協調和提升，學校、學院和本專業建立了一系列制度和措施。

本專業理論教學與實踐教學隊伍互通，專業教師參與實踐教學工作。根據本專業學生培養要求，專任教師需要具有較強的工程背景。具有工程背景的專任教師分為兩類：①曾經在企業擔任過工程技術工作職務而后進入本專業擔任教師職務的專任教師，或者派駐企業從事機械工程技術崗位超過半年以上的專任教師；②為與企業開展技術合作或科學研究，有豐富的企業項目工程研究經驗的專任教師。本專業要求教師以多種方式和多種渠道開展與企業的產學研合作；要求青年教師到企業掛職鍛煉，積累工程經驗。本專業所有教師均有企業科研合作、承擔企業科研項目的工程背景。豐富的工程實踐經歷不僅有助于提升教師的科研能力，也有利教師利用工程項目的經歷通過言傳身教提高學生解決復雜工程問題的能力。

6 探索基于項目驅動的自主實踐模式，提升學生解決“復雜工程問題”能力

依托各層次實踐平臺，針對本專業人才培養目標，實施項目驅動的實踐教學方法，①學術研究型項目的實施主要依托導師制，打通課程設計、創新實驗、企業實習、畢業設計環節，進行完整的科研訓練。②設計創新型項目的實施主要依托大學生創新工場，打通課程設計、創新實驗、學科競賽環節，將課內外實踐有機結合，進行完整的工程設計與產品開發訓練。③工程應用型項目的實施主要依托與企業建立的多層次聯合實習實訓基地，打通課程設計、實習實訓、畢業設計環節，在校企導師聯合指導下，針對企業生產實際問題，綜合工程設計、制造、管理、服務方面等進行訓練。通過項目驅動實踐環節的貫通、整合與優化。

7 結 語

機械工程專業面向解決復雜工程問題實踐教學體系的改革，全面提升了學生面向工程的設計、綜合和創新創造能力。近3 年來，本專業學生參加美國數學建模大賽，獲得一等獎2 項，二等獎5 項；發表科研論文30 余篇，申請軟件著作權10 余項，申請獲批專利30余項；參加挑戰杯、Robocon 機器人大賽、機械創新設計大賽等獲得國家級獎項40 余項，省部級獎項80 余項。近5 年開辦和孵化創業公司10 余家，如本專業李同學發明的工地“治霾神器”——高空霧化噴淋系統，被納入武漢市政府“1 號文件”，面向全市推廣。國內權威媒體對本專業實踐教學成果進行了廣泛報道，如中國教育報2017 年1 月報道：“三型”人才分類培養科學成長——武漢科技大學打造工程創新人才個性化培養“試驗田”；中國教育報2016 年報道：武漢科技大學讓學生成為雙創時代的幸運兒。教學實踐表明，實踐教學的改革成功地促進了機械類專業人才的培養。