“項目驅動、數字賦能”的機械類本科生跨學科知識貫通融會的探索與實踐

韋 錦，蒙艷玫，陳遠玲，耿葵花，董 振，李 俚

（1.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 教務處，廣西 南寧 530004）

0 引言

新業態下機械行業的深刻變革，尤其是數字化時代的到來，深刻影響著社會體系、企業結構的發展，對機械、計算機與信息、液壓和測控技術的綜合運用提出了更高要求，機械工程專業不僅要求課程相互之間聯系與銜接，更突出了機、電、液、控多學科領域知識的融會貫通，最終達成數字時代機電液控一體化的知識體系和設計思維[1-3]。

然而傳統的機械工程專業教學體系改革大都基于原有課程體系的基礎上，刪減陳舊知識，加入新知識進行調整，存在專業的縱向知識結構不夠完整，主干課程間知識結構關系不夠清晰，學科交叉知識融會貫通教學環節欠缺等問題，導致學生不能清楚理解機電液控知識體系的整體性和關聯性，缺乏綜合運用機電液控知識解決復雜工程問題的能力，尤其缺乏對學科交叉知識與實際項目之間關系的視野[4，5]。

鑒于此，提出了“項目驅動、數字賦能、貫通融會”的教學理念，依托國家級機械工程實驗教學示范中心和國家級機械工程虛擬仿真實驗教學中心以及校外玉柴股份公司—廣西大學國家級實踐教育中心三個高水平實驗實踐平臺，以產學研真實項目作為學習載體，將知識的拓展與項目學習研究過程的迭代相結合，用項目研發的漸進思想與知識構建的思路貫通主干課程知識體系的系統性和關聯性，以數字化、智能化賦能，極大提升學生跨學科知識的綜合運用與創新實踐能力，多舉措并舉實現在技術、質量、效率、經濟、安全、社會、法律等多種約束條件下學生綜合素質的培養。

1 改革思路

基于線上線下、課內課外案例教學與創新項目的設置、學生創新團隊建設和本科生導師制的實施，通過項目設計、組織落實、校內外綜合實驗實踐平臺建設及質量評價保障體系等關鍵性要素，突出掌握機、電、液、控多學科知識的融會貫通和綜合運用，深入思考主干課程基礎理論與核心技術的關系，拓展學生的視野和跨學科知識，推動工程實際、科學研究、科研成果向本科教學移植和轉化，充分挖掘學生的創造潛能，全面培養學生分析與解決問題能力、自我調控能力、團隊合作精神和創新能力。結合課程思政，大力弘揚追求真理、崇尚創新的精神，培養學生家國情懷和使命擔當的責任感，提高學生綜合素質。

2 改革措施

2.1 跨學科知識綜合運用與創新能力培養的新架構

在社會需求真實的背景下，有機結合互聯網+數字化、智能化技術，構建系列化工程案例和項目貫穿本科階段主干課程知識體系，著力培養學生機電液控多學科知識的綜合運用與創新能力。項目包括典型工程案例、課程設計、畢業設計、綜合設計性實驗、導師制下達的科研子項目、競賽項目以及其他課外創新實踐等。線上線下、課內課外項目式教學貫穿本科生4 年學習時間，整個過程嚴格按模塊化、系列化的工程案例與實際項目開展。把創新人才培養過程從社會需求的熱點技術分析開始，到項目的需求分析、設計、實施、測試、項目管理及最終對人才培養的作用、效果和評價等，各環節通過項目有效串聯起來組成有機整體，實現相互間信息的交流和知識的融會貫通，多維度確保項目驅動教學與實踐落到實處，實現學科交叉知識學習的關聯性、整體性和系統性。架構如圖1 所示。

圖1 跨學科知識綜合運用與創新能力培養的新架構

2.2 跨學科知識綜合運用的項目式教學內容構建

項目設置是項目驅動教學與實踐的核心，要充分體現對學科知識的融會貫通，將機電液控技術緊密結合的知識體系貫穿始終，突出解決機電液系統復雜工程問題的能力。首先，針對“項目”任務，確定和描述所對應的機、電、液和控制多領域學習的知識、內涵和能力，確定項目的學習目標和學習內容。并進而對理論知識和技術實踐知識進行目標分解，圍繞項目任務為中心，按其性質、功能以及內容和它們相互間的內在聯系的整合，從基礎到應用、從線上到線下、課內到課外完成基于項目驅動教學內容的設置。如圖2 所示。

圖2 跨學科知識貫通融會項目式教學內容的設置

（1）典型工程案例。通過對實際工程項目設計問題、技術問題和裝備問題的整合梳理，依據工程項目的設計、實施、評估、優化的邏輯流程來組織所涉及的基礎性理論知識、應用技術知識的有機結合，逐一剖析關鍵知識點，構建典型機電液系統的工程案例庫。

（2）綜合設計研究性實驗項目。跨學科實驗教學內容的選擇和優化重點應考慮學生知識系統和能力系統的科學構建。實驗內容依據學習階段由淺入深設置，通過科學合理的系列化綜合設計性、研究性實驗項目，強化學生自主設計實驗內容、準備實驗、完成實驗操作、獨立完成實驗總結的自主學習實踐過程，注重培養學生機電液控知識、思維和方法的綜合運用與創新實踐能力。根據以上教學要求，已開發各類實驗項目100 多項，出版配套實驗教材4本，已在我校機械工程本科生中應用多年。典型案例之一：機械手綜合設計實驗。它是集合機械、電子和控制相關知識的創新性綜合實驗，學生要根據裝置所使用的場合，設計合理的機械手結構與外形、驅動與傳動方式，根據抓取的物件大小和行走軌跡，研究控制方法和軌跡規劃等。

（3）創新產品研發項目。包括工程實際項目、立項的創新實踐項目和各類機械學科競賽作品的設計。創新產品研發項目很好地覆蓋機械學科系統全面的知識。同時通過建立校企聯合實驗室，校外實習基地，使項目內容從內涵體系上更符合工程設計的實際情況。

典型案例——多功能綠籬苗木修剪機項目

本科生項目組2014、2015、2016、2017 級30 多位學生參與了項目研究，學生研究團隊在蒙艷玫教授等4 位導師指導下，在幾年時間里，從創新實踐項目、創新設計大賽以及畢業設計和論文，系統展開相關的系列設計研究，取得的良好成效。獲得國家大學生創新性實驗計劃項目立項，結題被評為“優秀”。研制成功的修剪機獲全國大學生機械創新設計大賽二等獎。以“多功能景觀苗木修剪機”項目為背景組建的模擬創業團隊，在第七屆“挑戰杯”大學生創業計劃競賽獲得全國決賽銀獎，“青銳科技——園林機械智能國際化的探索先行者”獲得第六屆互聯網+大賽廣西賽區金獎。項目實施過程中，學生參與獲授權發明專利10件，有8 位同學免試推薦讀研，6 位同學考取研究生。該項目實現成果轉化443 萬元。

（4）導師制科研子項目。創新能力的培養，科學理念的滲透和貫穿是不容忽視的，對于培養學生科學的思維方法和嚴謹認真的實驗態度、提高學生發現、分析和解決問題的能力起到關鍵的作用，參加教師的科研項目是有效手段。在參與科研項目研究中，學生需要了解教師的科研思想來源、本研究領域國內外的最新科研動態，生產實際中急需解決的問題，全過程必須主動地綜合運用主干課程的知識，實現了機電液控理論知識的系統理解和創新實踐能力的綜合訓練。近5 年，學生參與老師科研項目實現成果轉化1000多萬元，實現了真正意義的項目式教學模式。

（5）課程設計與畢業設計選題緊密結合工程實際，真題真做，內容圍繞以復雜機電液產品分析設計的解決方案為主線，將機電液控技術緊密結合的系列課程貫穿始終，以更全面、更系統的形式構建智能制造模式教學設計內容，突出解決機電液系統復雜工程問題的能力；學生廣泛應用現代工程工具開展設計和分析，圖像識別、信息融合、智能算法等現代設計方法也得到越來越多的應用，極大提升了畢業設計（論文）的水平。

2.3 基于項目驅動教學的組織實施

基于項目化教學的實施從線上線下、課內與課外、校內與校外多維度展開，如圖3 所示。

圖3 基于項目驅動、線上線下教學的組織實施方式

（1）線上線下項目式學習。基于實驗中心門戶網站建設網絡化機電液測控綜合實驗室，利用研發的導學軟件、虛實結合的教學項目、教學互進系統等網絡化教學資源，開展課前預習自學、課堂教學研討、課后反饋拓展的項目式學習。學生可以通過導學系統進行自主學習、探究學習、協作學習；也可以通過教學互進系統與老師進行深層次交流，對于比較復雜的工程問題，學生還可以與老師進行面對面的深層次交流。多方式拓展了老師與學生的交流渠道，形成了“學生自主學習”“師生現場深層次交流”“互進系統協作學習”的突破時空限制的開放式教學組織方式。

（2）校內校外項目實訓的組織實施。在本科生導師制實施的前提下，具有社會需求的各類項目以立項方式交給學生，學生組成研究小組，申請進入開放性實驗室，在規定時間內進行項目研究實踐。項目的全過程，從查閱文獻、制訂研究方案、研發產品原型、組裝測試到撰寫研究總結報告，是對課堂知識的深化和檢驗，從中掌握較系統的科學研究方法和開發技能，完成本科生實踐環節培養由單純的學習型向社會型轉變，增強社會責任感，豐富了工作經驗，提升掌控自我發展軌跡的自信心。同時與區內外知名企業建設深度合作的產學研聯合培養實踐基地，實現學生實習、課程設計和畢業設計與工程實際深度結合，高效利用企業的人才資源和先進設備資源，構建項目式學習良好的校內校外教學環境。

2.4 項目式教學支撐平臺

依托國家級廣西大學機械工程實驗教學示范中心、國家級機械工程虛擬仿真實驗教學中心以及廣西大學-玉柴股份公司工程實踐教育中心3 個實驗與實踐教學平臺。同時擁有一批企業實踐實習基和校企聯合實驗室以及廣西大學蔗糖產業省部共建協同創新中心。還有廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室和學院級的科研平臺，為開展項目式教學提供有力支撐。

2.5 金字塔型導師隊伍建設

為確保項目式教學的順利實施，組建金字塔型的導師團隊。團隊由具有豐富工程經驗和創新精神的教授領銜、青年教師以及企業工程師構成金字塔主體、參與日常教學實踐管理的研究生和優秀高年級學生筑成塔的底部。教學團隊以教師為主導，同年級學生團隊互學為主體、研究生和高年級學生帶低年級學生為輔助手段，實踐探索出教師、研究生和本科學生三贏的良性循環、可持續發展的教學組織形式。結構合理的多年級、多層次教與學緊密結合的教學團隊，大大減輕了在大眾化教育的形勢下，師資力量不足的問題。

圖4 項目式教學支撐平臺

2.6 質量保障制度建設

學校出臺了“廣西大學普通本科生導師制實施辦法”，學院制定了“關于本科生導師制工作實施細則的文件”，建立了一系列項目驅動的教學質量保障制度，從課內資源和課外實驗條件、師資力量、制度規范等多維度建設有力的保障措施，制定了相應的管理辦法和實施細則。典型工程案例、設計研究性實驗、課程設計等經過認真梳理與優化整合形成教案和教材，課外創新項目內容的設立經過專家評估和論證，并設計“創新項目計劃及運行表”“創新實踐教學及管理質量調查表”等與教學質量監控相配套的記錄文檔。采用分組管理、項目考核、結題答辯、項目驗收、座談會、調查問卷等形式，通過周期性評估、階段性考核、實地查驗、日常監控、信息反饋等手段抓好項目實施進度、評價結果分析診斷、評價結果信息反饋幾個環節，確保創新實踐項目落到實處。

3 改革的成果與成效

3.1 改革成果

經過10 年的理論與實踐、課內課外項目式教學模式探索，獲得5 個國家教學質量工程標志性成果，2007 年獲得國家級實驗教學建設示范中心，2013 年通過驗收；筆者的機械工程及自動化專業主要特色獲2010 年國家級特色專業；2014 年中心獲得國家級虛擬仿真實驗教學中心；2016 年和2019 年機械設計制造及其自動化專業兩次通過了中國工程教育專業認證，2019 年獲國家級一流專業建設點。2019 年“機電液系統分析與測控實驗技術”獲自治區一流課程。

研究構建了基于項目驅動的跨學科知識融會貫通的教學新模式，探討了項目驅動、線上線下、開放共享的內涵和架構，融入先進的信息化、數字化、智能化技術，對其進行系統化的深層次改革和建設，并在我校機械工程專業理論與實踐教學，校外與校外課程設計、畢業設計、企業實習和實踐創新實踐活動多維度的改革實踐研究中進行具體的探索，構建了以“項目驅動、數字賦能”，體現跨學科知識系統性、整體性和關聯性的創新能力培養新模式。

（3）獲全國高校自制實驗儀器設備優秀成果二等獎和優秀成果獎3 項，研發“虛實結合”實驗項目100多項，編寫配套實驗教材4 本，獲全國高校自制實驗儀器設備二等獎、三等獎等3 項。近5 年，本科生參與老師科研項目實現成果轉化1000 多萬元，參與企業服務項目125 項，實現了真正意義的項目式教學。

3.2 改革實踐成效

（1）極大提高了學生對學科交叉知識的貫通融會。基于課內課外項目驅動的教學模式，機電液控主干課程知識系統性、關聯性、開放性得到充分體現，多維度增強學生理解、鞏固和掌握知識，促進知識的轉化和拓展，提高學生綜合專業能力，貼近產業的項目式教學，拉近機械工程教學與產業實際的距離。使學生更清晰地認識機械生產一線的特點，提高學生的適應能力和就業能力。

（2）線上線下的教學模式突破了時空條件限制。網絡化項目式實驗和實踐教學，實現優質資源24 h 開放性教學。做到線上線下優勢互補，使課內教學、課外教學、虛擬仿真、實際操作四位一體，創建了學習的最佳環境和情境，最大限度地開放了項目式教學資源，實現了社會優質資源的共享。

（3）學生創新實踐能力顯著提高。完全開放的實踐教學模式，極大地激發了學生的自主學習熱情，提高了學生實踐動手和創新設計能力，學生獲獎和科研成果數量快速增長，見表1。

表1 改革前后學生獲授權專利和競賽獲獎情況

（4）受益面：項目式教學模式改革實踐10 年，2017 年本科生導師制已在我校全覆蓋實施，學生從大二開始到大四畢業，嚴格按照項目管理制度參與項目研發。在一個或多個系列化項目研究學習中，學生從理論到實踐多次反復，通過真實項目研究學習，實現了機電液控課程知識體系系統全面掌握。5 年來50多人的畢業論文評為校級優秀；156 人獲得免試推薦研究生，培養出高素質的復合型工程人才深受企業歡迎。

4 結語

基于本科生導師制的項目式教學模式在2014 年開始以學生科技創新團隊展開，并于2018 年在廣西大學全覆蓋實施；基于項目式教學的組織實施從線上線下、課內與課外、校內與校外多維度已經開展多年，成果第一完成人主持建設國家級機械工程實驗教學示范中心和虛擬仿真實驗教學中心十多年，構建了典型工程案例庫，研發了近100 項“虛實結合”創新實驗項目，并將教師研究成果轉化到教學中。以實驗中心開放性實驗室和本科生專業導師制為依托，以面向工程實際的產學研真實項目研發作為學習載體，將知識的拓展與項目研究過程的迭代相結合，用項目研發的漸進思想與知識構建的思路貫通主干課程知識體系的系統性和關聯性，注重課內課外、線上線下和校內校外資源優勢互補，極大提升學生跨學科知識的綜合運用與解決復雜工程問題能力。