“新工科”理念的“機械綜合能力實踐”課程設計與探索

彭麗泓，伍 權，徐衛平＊，伍凱峰

（1.貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴陽 550025；2.浙江大學 教育學院，杭州 310000）

0 引言

“工業4.0”的提出，要求利用信息化技術促進產業變革，大數據及智能化，導致地方高校機械工程專業人才培養越來越不能適應行業的轉型升級的要求。“新工科”理念下的“新機械人”，從某種意義上來講，就是一種“全人”的教育理念，倡導實施工具理性和價值理性融合的工程教育，培養兼具工程技能和工程素養的綜合型工程人才。具備工程技能是要求學生具有知識遷移能力，工程創新設計、實踐、問題分析能力及解決復雜工程問題能力等；具備工程素養是要求學生具備團隊合作、溝通表達能力、工程管理與決策能力、職業道德、社會責任感等[1-2]。

高校是人才培養的主體，課程是人才培養的載體。地方高校作為“新工科”建設的重要力量，應按照社會需求和自身特點，明確定位，改革和建設“新工科”專業課程體系和課程，創新教學模式，培養適應經濟社會發展的卓越工程人才[2]。為此，基于“新工科”背景剖析地方高校機械工程專業實踐類課程教學方法與問題，探討并提出了“機械綜合能力實踐”課程的設計構建與實踐創新。

1 地方高校機械工程專業實踐類課程教學方法與問題

傳統的實踐教學課程，因教學時數、教學模式、教學內容等限制，學生很難在有限的時間和空間內提升自己實踐和創新能力，難以對畢業要求中“解決復雜工程問題”能力形成有效的支撐[3]。

實踐類課程教學課時少、教學模式單項化。大多是地方高校在工程教育上普遍存在理論課時占比多于實踐課；相關的實踐課程呈現“層狀”隔開，缺少基于問題式的“網狀”融合[4]。實踐類課程多是單項模塊化技能的訓練，缺少綜合多項技能鍛煉的平臺，導致學生工程實踐能力獲得感不足。

實踐類課程內容陳舊，沒有融入新知識。具體表現為：（1）實踐訓練理論與實踐的融合性不足，往往是單一的動手能力鍛煉和簡單的工程設備的使用運行，忽視了對工程背景、工業流程、產業系統的理解和掌握[5]；（2）課程設計多為沿用已久的驗證性的教學內容，缺乏契合當前及未來產業發展實際的綜合性、設計性、研究性的課題；（3）學生到企業的生產實習深度不足，甚至是走馬觀花，流于形式，缺乏任務感、責任感[5-6]。這樣的實踐課程難以達到實踐訓練和創新能力培養目標，無法滿足企業對工程人才所期盼的實際需求。

基于上述弊端，面向“未來的綜合型工程人才”培養，提出了“新工科”理念的“機械綜合能力實踐”課程改革。

2 “機械綜合能力實踐”課程建設

2.1 課程介紹

為貫徹“新工科”發展理念，以創新能力培養為核心，將人才的培養與產業發展緊密結合，積極推進“卓越工程師教育培養計劃”[7]。為此，貴州師范大學機械與電氣工程學院經過10年的實踐探索，由淺入深、循序漸進，優化機械類課程之間的結構、整合內容，面向“機械工程專業”的學生開設“機械綜合能力實踐”課程，培養兼具工程技能與工程素養的綜合型工程人才[8]。

“機械工程專業”基于6學期內完成理論知識的學習，7學期完成綜合實踐，8學期完成畢業設計的人才培養模式。通過優化整合原有的教學體系內專業課程，開設以專業特色為導向的“機械綜合能力實踐”課程，該課程具有承上啟下的過渡功能[3]。通過第7學期的集中性實踐教學環節，不僅能夠融會貫通6學期內所學知識，有效提升學生工程技能，而且直接聯動后續畢業設計的質量。

2.2 課程設置

（1）構建“一體系、兩目標、兩模塊”課程結構

“新工科”背景下對未來機械工程人才的需求，結合地方高校機械工程人才培養目標，以服務地方產業、促進就業為出發點，培養學生工程綜合能力[8]。“一體系”是指“機械綜合能力實踐”課程結構體系以該課程為載體，探索人才培養途徑、優化教學內容、創新教學方法，完成教學目標。“兩目標”指培養的綜合型工程人才包括工程技能與工程素養兩方面的能力。“兩個模塊”指實踐能力提高模塊和創新與素質拓展模塊，注重培養學生的動手能力和創新能力，旨在提高學生的綜合素質。“機械綜合能力實踐”課程培養目標及途徑如圖1所示。

（2）注重學科的交叉和融合

為適應“新工科”的發展需求，應加強機械工程類課程與產品創新設計、職業倫理、經濟學與管理學等其他學科的交叉融合。目前地方高校機械工程專業課程設置偏向傳統工科，專業課程內容陳舊，導致培養的學生難以適應區域經濟發展變化。因此面向機械工程人才培養，需要提升學生的綜合素養，不僅是技術層面的對工程問題的解決，還包括人文層面上對工程的情感、態度和價值觀。此外，培養的工程人才大多都是面向企業，需要完成更多的管理協調工作，因此有必要在課程體系中加入包括企業運行管理與決策等相關課程[8]。

圖1 “機械綜合能力實踐”課程培養目標及途徑

2.3 創新教育方法

以學生為中心，采用MOOC、微課等教學手段，滿足學生個性化學習需求。課程采用線下課堂實踐教學為主、線上創新與素質知識拓展為輔的混合教學模式。

（1）課堂引入CDIO模式，實施項目化實踐教學

基于產品生命周期的CDIO模式是以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動及實踐的方式學習工程，包含了工程活動的4個新階段，即構思-設計-實施-運行。教師提供項目需求與相關背景，組織學生分組合作，以項目為載體，按照CDIO式將項目分為構思、設計、實施、運行四個階段的小項目，學生小組自主分配任務，真正做到“以學習者為中心”[9-10]。教師在此過程中負責實時跟蹤學習動態、指導協助、及時反饋與評價，從而把控教學節奏，完成整個設定的任務。項目選擇是影響項目化教學效果的關鍵環節，因而必須遵循3個原則：①項目須來自于企業實際問題，旨在培養學生解決實際問題的能力；②項目具有一定的綜合性和復雜性，鍛煉學生分析解決問題能力；③項目須緊扣理論知識、難度要適中[2]。

（2）以現代化信息技術為手段，建立豐富完善的線上教學資源。通過微課的形式為學生拓展工程創新與素質知識，強化學生在課堂實踐中對工程素養內涵的認識。如以企業項目為載體實施教學，需要涉及一些有關項目管理、企業戰略、運行管理等跨學科領域的知識，筆者在MOOC選取優質教學資源（如工程經濟與管理課程）推送到在線學習平臺，供學生自主學習，教師實時跟蹤學習動態。同時增設一些有關產品創新設計、模擬仿真、工藝分析、加工制造等多個案例分析視頻，防止學生在實踐中發現對知識理論知識構建不完善或有所遺忘，遇到知識盲區可以有針對性地進行知識點的回顧與理解，一定程度上滿足了個性化教學，提高學習效率。

2.4 課程實施

整個課程的執行過程中，以項目周期形式管理實踐教學過程，采用CDIO模式將一個大項目轉化為構思、設計、實施、運行四個階段的小項目[9-10]，這些小項目環環相扣，最終形成一個完整的大項目，基于CDIO模式項目化實踐教學活動如圖2所示。具體實施如下：

（1）構思階段：主要培養學生“需求”思維和“批判性”思維。以產品功能和性能需求中心，采用“問題式”教學方法，將學生置于復雜且有意義的問題情境中，通過教師指導或者小組合作探究的方式進行方案分析、討論，多次頭腦風暴，提出設計方案，質疑并改進設計方案。構思階段的階段是學生自主、解決問題及掌握隱含在問題背后的科學知識的階段，著重培養學生創新思維和解決實際問題能力。

（2）設計階段：培養學生“優化”思維—成本意識、創新思維、外觀美感。產品設計中一般以成本最小化為目標，以性能指標為約束條件，求解最優設計方案。一般分兩步走：①定性優化設計，即先產生系列可行方案，再根據評估標準，分析產生最優方案；②定量優化設計，即優化設計數字模型，獲得設計最優解，反復驗證最優解后確定最優方案。確定優化方案后，進行仿真模擬分析，評估機械產品性能，如位移、速度等，實現“預測”的功能。

（3）實施階段：培養學生“產品加工制造分析”思維和“成本”思維。制造分析包括產品加工工藝分析、數控編程與成本分析。加工工藝分析主要包括選材、工藝尺寸鏈計算、加工精度分析。從虛擬制造分析到零件成型等整個制造工藝鏈過程，學生能夠切實感知產品從無到有的設計制造步驟，系統全面地提高學生動手實踐操作技能和工程問題分析能力。

（4）運行階段：培養學生“質檢”意識和項目完成時間意識。零件制造完成后，學生需進行裝配、調試，從而引導學生觀察、分析、檢測產品是否達到規定要求。

項目實施運行的每個階段定期進行節點匯報，展示階段性的項目成果，包括三維建模、工程圖、工藝卡片、成品、性能測試報告、結題報告等。

圖2 基于CDIO模式項目化實踐教學活動

2.5 教學評價

（1）建立多元化的評價體系。實踐教學無法僅用成績衡量，實踐環節考核要綜合考慮學生的過程表現等方面。根據課程培養目標以及多層次遞進式的實踐教學方式，創新評價方式，建立多元化考核體系[10]。課程成績由平時成績、方案構思成績、方案設計成績、方案實施成績、方案運行成績五個部分組成，不僅考查學生的日常表現，同時對學生的創新設計能力、工程實踐能力、團結合作能力、職業道德感等多方面進行評價。這既發揮了評價的導向和激勵作用，又能全方位多角度地評價學生，促進學生全面發展。根據考核內容設置不同的考核方法，包括觀察法、教師點評、學生自評等，實現評價主體多元化[10]。學生通過自評或他評對自己有全面的認識，從而有針對性地加強學習；教師也能有效地對學生進行相應的指導，幫助學生不斷改進、獲得發展。

（2）學生能力的自我評價調查分析。學生作為評價的主體，更關注學生學習過程的研究，通過學生的自我感知與評價來研究學生的能力增值與賦能。本研究通過設計問卷的方式，對兩個班級（各班級人數30人）相同專業的學生對自身能力發展水平的滿意程度調查，共發放了60份問卷，在工程技能與工程素養兩個維度從“非常不滿意”到“非常滿意”分成5級，分別計為1～5分，然后從這兩個維度分析學生的能力。A班級學生未參與本探索的課程；B班級學生參與此課程，兩個班級學生在工程素養維度對比見圖3；工程技能維度對比見圖4。

圖3 工程素養

圖3和圖4數據顯示，工程素養與工程技能兩方面能力滿意度調查，B班級學生比A班級學生各方面能力的平均分都顯著性提高，尤其在工程素養方面，B班學生各方面能力比A班分值差距明顯。綜上所述，通過兩班級的教學實踐表明，“機械綜合能力實踐”課程獲得良好的反饋效果，有效地提高了實踐教學質量。課程設計期間選拔了一支優秀隊伍的實踐項目《低溫冷風切削裝置》代表我校參加“第十二屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”比賽，榮獲二等獎并申請了實用新型專利。

3 結語

“新工科”建設對工科學生的工程實踐能力不斷提出新的要求，傳統的機械工程教育給予學生實踐和創新空間非常有限，同時單一固化的專業知識架構很大程度上制約了跨學科的工程創新能力。基于此，筆者構建探索的“機械綜合能力實踐”課程，真正做到以學生為中心，引導學生從“做中學”，培養兼具工程技能與工程素養的綜合合型工程人才，以滿足地方區域經濟社會發展變化對工程人才的需求。

圖4 工程技能