面向新工科的機械研究生人才培養交叉課程模式探索

趙昕玥 何再興 劉振宇

摘 ?要：相對于傳統的機械人才，未來新興產業和新經濟需要實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才，傳統的計算機輔助技術課程內容單一，知識點陳舊，已經不再適用于新工科背景下的機械研究生。因此，原課程從教學內容、教學方式、考核方式三個方面改革，旨在培養研究生的交叉學科專業知識能力、交叉學科算法研究能力、軟件運用與開發實踐能力、文獻查閱能力以及綜述撰寫能力。首先，在教學內容改革方面，整合機械工程研究生研究以及工程實踐所需的多學科交叉前沿技術。其次，在教學方式改革方面，采用授課英語和漢語相結合、課內與課外相結合、理論與實踐相結合、個人鉆研與分組討論相結合的方式。最后，在考核方式改革方面，摒棄傳統卷面考試，采用上臺匯報及編程作業相融合的形式。通過制定評估方案且經實踐證明，上述改革對提高機械研究生能力有一定作用。

關鍵詞：新工科;教學改革;交叉課程

中圖分類號：C961 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）18-0162-04

Abstract： Different from the traditional mechanical students， the "new industries" need students with strong practical ability， strong innovation ability and international competitiveness. The traditional content of computer-aided technology is old and not rich enough， which is no longer suitable for the new mechanical graduate students. Therefore， the new course starts from the aspects of teaching content， teaching mode and reform of examination， to cultivate the interdisciplinary knowledge ability， algorithm research ability， software application ability， literature review ability and review writing ability of postgraduates. Firstly， in the aspect of teaching content， several interdisciplinary technologies required by mechanical students are integrated. Secondly， in the reform of teaching mode， the combination of bilingual， in class and extracurricular， theory and practice， personal research and group discussion are adopted. Finally， in terms of the reform of examination， the traditional examination is abandoned， and the form of reporting and programming is adopted. Practice has proved that the above reform can improve the abilities of mechanical graduate students greatly.

Keywords： new engineering; teaching reform; interdisciplinary

在新工科建設背景下，國家對研究生創新能力培養提出更高的要求。傳統的計算機輔助技術課程內容單一，知識點陳舊，不適合新工科背景下的機械研究生。為提升機械類研究生的創新能力以適應新工科的要求，探討如何將傳統計算機輔助設計課程與新興的人工智能、模式識別等學科交叉融合顯得意義重大。因此，為了進一步深化機械專業研究生培養模式改革，讓學生更好地掌握先進的計算機輔助技術，了解學科前沿科技，本文從教學改革思路、教學改革方案，包括教學內容、教學方式、考核方式等方面開展一些教學探索和嘗試。

一、教學改革思路

新工科專業，主要指針對新興產業的專業，以互聯網和工業智能為核心，包括大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、虛擬現實、智能科學與技術等相關工科專業[1]。新工科專業是以智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統工科專業的升級改造，相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[2]。

傳統的計算機輔助技術面向機械專業研究生，該課程內容包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助質量控制（CAQ）及計算機輔助繪圖等[3]。課程內容單一，知識點陳舊，不適合新工科背景下的機械研究生。本校教學團隊通過試講、調研、分析和總結，將課程內容進一步升級，不再局限于計算機輔助技術的范疇。在提煉、濃縮原有課程內容的基礎上，增加與機械學科密切相關的其他交叉前沿技術，包括虛擬現實及其應用技術、工程數據可視化技術、人工智能與圖像處理技術等，并更名為工信交叉前沿技術。通過對以上交叉前沿技術知識進行講授和實踐訓練，意在提升學生的綜合知識體系及五大方面的能力，主要包括。

1. 交叉學科專業知識能力。本課程是機械專業研究生課程，是學生學習專業課和從事本專業的前沿科研與生產工作必備的理論及應用基礎。該課程主要包括CAD/CAE/CAM、工程信息可視化、圖像處理、機器視覺及模式識別等知識，囊括了在機械設計制造及計算機信息領域應用最為廣泛和最重要的前沿技術。通過本課程的學習，可以使學生掌握計算機輔助技術領域中的基本概念和基本理論，了解其最新發展和一些相關的應用研究，為今后的項目研究和論文撰寫提供堅實的理論和應用基礎。

2. 交叉學科算法研究能力。新工科背景下的計算機輔助技術的核心之一是人工智能和機器學習，其中最重要的內容就是算法的研究與實現[4]。本課程通過講授其中前沿技術最新的算法原理，鼓勵學生自主思考，并讓學生結合自己的科研方向，學習現有經典算法的原理，了解算法創新產生的根源，結合科研活動實踐，嘗試研究新的算法來解決科學技術問題。長遠來看，培養機械學科學生的算法研究能力，符合我國的制造業轉型升級、智能制造戰略的人才需求。

3. 軟件運用與開發實踐能力。著重培養學生對CAD/CAM/CAE以及圖像處理/模式識別技術等機械領域中應用最為廣泛和重要的交叉技術的基本概念、重要理論及實際應用的理解，能正確地、較熟練地進行計算機輔助設計、制造、分析和圖像處理，并掌握相關軟件的基本操作、程序的編寫，具備基本的軟件開發能力。培養機械學科研究生的新工科交叉技術相關軟件運用與開發能力，對促進學生今后的項目研究以及畢業后的快速適應工作均大有裨益。

另外，除了掌握這些前沿技術的專業知識，機械研究生還需要有一定的科研論文撰寫能力。學位論文是研究生學術水平和能力素質的主要體現，是研究生取得學位的關鍵成果，是研究生培養質量的重要標志。改革后的課程對提高機械研究生的論文撰寫能力主要體現在兩個方面。一方面，創新是論文的靈魂，而創新的來源往往是先進技術，因此，學習交叉前沿學科知識，更有利于機械研究生了解創新的過程與創新的方法，獲取創新的源泉。另一方面，還需注重培養學生的文獻查閱能力和綜述撰寫能力，這些均是學位論文的基礎和重要內容。

1. 文獻查閱能力。通過改革后課程的學習，使學生掌握從大量文獻中針對性檢索所需內容和信息搜索的能力，熟悉前沿技術文獻的查找方法和資料的積累方法，在查找的過程中也擴大了知識面。同時，培養學生閱讀外文文獻的能力，以適應在未來科研中查閱英文文獻的需要。

2. 綜述撰寫能力。文獻綜述撰寫能力是新工科下機械研究生需要培養的一項重要技能，文獻綜述的作用在于介紹研究的現狀。改革課程通過培養學生在搜集整理與利用文獻資料的基礎上，撰寫文獻綜述，提高學生歸納、分析、綜合寫作能力，有利于獨立工作能力和科研能力的提高，對以后研究的選題、開題、研究等研究生培養環節均有重要的作用。

二、教學改革方案

新工科環境對機械研究生的知識儲備和實踐能力提出了更高的要求，這導致了目前落后的教學內容及方式與社會對機械研究生的能力要求之間的矛盾。為了達到上述教學目標，教學團隊從教學內容，教學方式以及課程考核方式等方面開展了教學探索和嘗試，在提升研究生培養質量方面效果顯著。

（一）教學內容改革

研究生的教學不同于本科生，研究生以做研究搞科研為主，需要更廣闊的視野以及和解決工程實際問題的能力[5]。原有的課程內容過于單一和陳舊，對于研究生來說，知識體系已經不足以滿足其需求，因此改革內容整合了機械工程研究生研究以及工程實踐所需的多項交叉前沿技術，包括CAD/CAE/CAM、科學計算與工程信息可視化、圖像處理、機器視覺及模式識別等多種工程領域的計算機信息技術知識。改革后的課程可密切結合機械及信息技術前沿，給學生帶來最完善的知識體系和最先進的技術內容。本課程為2學分，總學時為32學時，一共設置八章內容，教學章節安排見表1，每一章節具體內容以及主要學習意義如下。

表1 教學計劃安排表

1. 第一章為計算機輔助設計CAD技術基礎。計算機輔助技術（CAX）作為核心技術，用于產品的設計、制造和測試等過程，輔助人們在特定應用領域內完成任務。CAX是CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM的統稱。本講通過講授CAX技術、結構優化設計技術等，引導學生根據其實際項目需求掌握計算機輔助技術網絡化、智能化、標準化方面的前沿技術。

2. 第二章為虛擬現實及其應用技術。虛擬現實技術建立人工構造的三維虛擬環境， 用戶以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響， 極大擴展了人類認識世界， 模擬和適應世界的能力。虛擬現實技術在仿真訓練、工業設計、交互體驗等多個應用領域解決了一些重大或普遍性需求， 虛擬現實增強技術通過真實世界和虛擬環境的合成降低了三維建模的工作量， 借助真實場景及實物提高了用戶體驗感和可信度， 促進了虛擬現實技術的進一步發展。本講講授虛擬現實/增強現實的軟硬件技術、新的建模技術、渲染技術、交互技術、注冊定位技術，提高學生的算法研究能力。

3. 第三章為工程數據可視化技術。數據可視化的主要任務是將數據信息轉化為一種視覺形式，其充分利用人們對可視模式快速識別的自然能力。可視化將人腦與計算機這兩個最強大的信息處理系統聯系在一起。可視界面使得我們能夠更有效地觀察、操縱、研究、瀏覽、探索、過濾、對比與理解大規模數據，并與之方便交互，從而可以極其有效地發現隱藏在信息內部的特征和規律。可視化是一種計算的方法，它把符號或數字轉換成幾何信息，使得研究人員可以觀看他們的模擬與計算情況。本講通過講授數據可視化技術，要求學生查閱相關科技文獻，撰寫機械領域中數據可視化技術的研究綜述，提高其綜述撰寫能力，同時引導學生根據其實際項目需求研究新的可視化技術，提高其算法研究能力。

4. 第四章為圖像復原與重建技術。圖像處理在機械領域中的應用非常廣泛，獲取清晰和準確的零件或設備圖像對后續的處理非常重要。但是，由于攝像設備和環境的限制，獲取圖像的質量有時并不高，失去了圖像本來的面目。圖像復原技術的主要目的是以預先確定的目標來改善圖像，利用退化現象的某種先驗知識來復原被退化的圖像。本講通過講授最經典以及最先進的圖像復原與重建技術及相關算法，豐富學生這一方向的交叉學科專業知識，促進學生思考相關的算法改進，提高其算法研究能力。

5. 第五章為小波和多分辨率處理技術。機械領域的目標尺度差別巨大，大至飛機輪船，小至齒輪螺釘。如果目標的尺寸較大或對比度較高，只需要粗略的觀察就足夠了;如果目標的尺寸較小或者對比度較低，那么我們需要用較高的分辨率來研究它們。但是，當尺寸較大與尺寸較小的目標同時存在時，則需要多分辨率來處理，小波變換是最重要的一種多分辨率分析方法。本講通過講授這方面的知識，轉變學生長期以來在單一尺度下解決問題的慣性思維，了解從單一尺度到多尺度（多分辨率）處理的創新過程，激發在項目研究中的創新思維，并通過小波變換多分辨率處理算法的編程實踐，提高其軟件開發實踐能力。

6. 第六章為圖像表示與描述技術。在獲取機器、設備、零件或產品等的圖像后，需要計算機對這些圖像做出理解、判斷和處理。然而，對計算機而言，這些圖像只是一個或多個二維矩陣，計算機難以理解與處理。因此需要對圖像或圖像中的部分像素集合進行表示與描述，將其轉化為計算機能夠處理的圖像描述子（圖像特征）。本講通過講授圖像描述子的類型以及各類型經典描繪子，要求學生選擇一到兩種描述子進行軟件編程實現，提高軟件開發實踐能力;并引導學生查閱相關科技文獻，了解描述子研究的最新成果，提高其文獻查閱能力。

7. 第七章為目標檢測與識別技術。對圖像中的零件、設備或產品進行識別是機械制造過程中最重要、也是最終的視覺處理環節。其實質是一個模式識別問題：在機械設備故障監測中，需要判斷圖像中的設備處于正常還是異常狀態;在產品缺陷檢測中，需要判斷產品是否存在缺陷以及缺陷的嚴重程度;在機器人的視覺引導中，需要判斷圖像中的對象是否為待操作的目標。本講通過講授目標檢測與識別的常用及先進技術，要求學生查閱相關科技文獻，撰寫機械領域中目標檢測與識別技術的研究綜述，提高其綜述撰寫能力，同時引導學生根據其實際項目需求研究新的檢測與識別方法，提高其算法研究能力。

8. 第八章為研討課，通過前7次課程的學習，讓學生自主搜集資料，結合課程知識點與學習感悟制作5分鐘 PPT，在研討課上進行匯報、討論，激發學生的自主創新意識。

（二）教學方式改革

為了配合教學內容的改革，教學方式改革主要從四個方面進行。

首先，在授課語言方面，為了培養機械研究生的國際視野和英語聽看能力，本課程采用英語和漢語相結合的雙語教學方式，在保證課程課件為全英文的同時，為學生講解時采用了英語漢語雙語教學，由國外留學回來的教師授課，這樣在向學生傳授專業知識同時，還可以提高學生的英語閱讀及聽力水平，使其掌握一些專業英語詞匯以及專業英語表達方法。

同時，在課堂形式方面，采用課內與課外相結合的方式，由于現在已經進入了網絡時代，網絡資源的搜索能力至關重要，知識的獲取形式也不再只依賴老師課堂講課，老師的作用為引領學生入門，本課程的學習除了課堂內老師講授，圍繞該知識點，課外學生還需要利用互聯網自己檢索相關信息自己學習，并且以撰寫論文和制作匯報PPT的形式加以檢驗學習效果。

其次，采用理論與實踐相結合的方式，課程學習不局限于書本文獻的理論學習，在相關章節中，還需要學生靈活應用所學算法自己動手完成實際的程序編寫，提高解決實際工程問題的能力。除了理論知識，教師在授課內容中也會以自身參與項目為例，以實踐工程角度出發，啟發學生。

最后，采用個人鉆研與分組討論相結合的方式，課程的最后會安排一次研討課，除了需要學生課下自己查資料學習，也需要和其他同學相配合完成最后的課程展示，并在最后一次課時小組以匯報答辯的形式闡述討論結果。這樣可以鼓勵學生在個人學習的同時，和小組成員共同討論，互相學習，共同進步，提高團隊合作能力，且知識的學習更加多樣化。

（三）考核方式改革

研究生的培養是為了給社會輸送優秀的人才，原有的卷面應試考試已經不能對研究生的能力進行正確的評價和考核。本課程摒棄傳統卷面考試方式，從應用的角度出發，采用上臺匯報及編程作業相融合的形式。

首先，學生需要自己查閱文獻形成具有獨特見解的論文報告及答辯PPT，并以小組的形式在課程末進行答辯，學生搜索文獻撰寫報告能力及口頭表達能力均可以得到提高。其次，每個學生需獨立完成和課程內容相關的程序編寫，需要靈活應用課程中學到相關算法，在算法編程中，鼓勵學生采用創新算法，對于有潛力的算法教師會幫助學生整理成科技論文以及專利，在國內外期刊上投稿發表，大大鍛煉了學生的編程能力，培養學生創新思維。

雖然考核方式不設限，不是以卷面考察，但通過現場答辯、論文的撰寫以及編程作業的完成均可看出學生是否對所學技術知識有所掌握，是否掌握了文獻閱讀、論文撰寫以及程序編寫的能力。雖然對學生素質的某些培養可能無法短時間看出來，但是通過一年的后續追蹤，通過分發調查問卷的形式可以判斷本課程是否能夠幫助學生科研素質有所提升，上過本課程的學生是否比沒上過本課程的學生在后續科研進展中上手更快，更容易切入導師布置的課題。

（四）教學改革是否有效的評估方案

為了評估上述改革方案是否有效，從培養學生的五個能力方面制定了相應的評估指標。在評估交叉學科專業知識能力方面需要學生在CAD/CAE/CAM、工程信息可視化方面，重點熟悉其中一個方向的主流技術，在圖像處理、機器視覺及模式識別方面，重點熟悉其中一個方向的主流算法。在評估算法研究能力方面，學生需要能夠對計算機輔助技術中的一個方向的主流算法提出自己的獨立見解，并且能夠分析某一個重要算法的原創貢獻，同時能夠提出一種具有一定原創性的算法，或對現有算法進行創新改進。在軟件運用與開發實踐能力方面，學生需要熟練掌握一種主流CAD/CAE/CAM/VR/工程信息可視化應用軟件，并能夠采用C++編出圖像處理、機器視覺及模式識別方向指定內容的算法程序，并對代碼進行必要的注釋。在文獻查閱能力方面，學生要以7講中的其中一講為主題，每名學生精讀閱讀前沿文獻資料10篇以上，每名學生總結所了解的算法或技術，將其合理分類，且每名學生綜合所閱讀的前沿文獻資料，做課堂匯報1次。在綜述撰寫能力方面，要求每名學生以一個方向為主體，撰寫一篇不少于3 000字的綜述，綜述中的參考文獻能夠達到30篇以上，且綜述中技術分類合理、技術優缺點總結到位。通過一年的試講以及評估方案的評估，證明本教學改革是有效的，研究生的相關能力確實得到提高。

三、結束語

本文從多年來指導研究生的經驗出發，針對性地構建了計算機輔助技術全新的授課內容，與學生現有的課程內容互相補充。課程內容豐富多樣，囊括了CAD/CAE/CAM、工程信息可視化、圖像處理、機器視覺及模式識別等多種工程領域的計算機輔助技術知識。課程內容先進，不限于傳統書本內容。并且為了順應教學內容的改革，課程教學方式以及考核方式都做了相應的調整，經實踐證明，這些改革方法在提高機械研究生交叉學科專業知識能力、交叉學科算法研究能力、軟件運用與開發實踐能力、文獻查閱及綜述撰寫能力等方面產生一定的有益幫助，在提升新工科背景下的機械研究生培養質量方面具有一定的意義。

參考文獻：

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