“三進(jìn)階”（3S）項(xiàng)目縱向全貫通式多方協(xié)同創(chuàng)新教學(xué)與實(shí)踐

張國(guó)淵，段清娟，陳永琴

（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710071）

在教育部的政策指引下，國(guó)內(nèi)高校已逐步開(kāi)展了不同層次的新工科教育改革專(zhuān)題活動(dòng)[1-2]。近五年，為響應(yīng)新工科教育改革發(fā)展要求和實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)復(fù)合型專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，西安電子科技大學(xué)面向“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)”，以思政教育為基點(diǎn)、以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向，創(chuàng)新性地提出了一門(mén)跨度3 個(gè)學(xué)期、累計(jì)3 學(xué)分的課程--機(jī)械創(chuàng)新綜合實(shí)踐項(xiàng)目，探討面向新型工程人才培養(yǎng)的教學(xué)方法、進(jìn)階課程、實(shí)踐訓(xùn)練等核心教學(xué)改革問(wèn)題。課程結(jié)合大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等主題，設(shè)置三階段提升、多學(xué)科交叉、多方協(xié)同指導(dǎo)的綜合實(shí)踐項(xiàng)目，旨在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，深入探討貫通式進(jìn)階項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下綜合知識(shí)應(yīng)用能力的訓(xùn)練方式、新工科創(chuàng)新項(xiàng)目中心課程模式、競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)理論課程教學(xué)等對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響。提出的新教學(xué)模式主要解決以下問(wèn)題。

Step 2 Taking the failure of the 1st joint as an example,the range of motion is traversed at a given angle step size,and the kinematic equation is established according to the known end position and attitude as

（1）傳統(tǒng)教學(xué)雖強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，并提倡將工程實(shí)踐課程融入日常教學(xué)活動(dòng)，但在實(shí)際教學(xué)中缺少有別于講授方式的工程實(shí)踐教學(xué)體系，也缺乏以項(xiàng)目訓(xùn)練為主題的學(xué)習(xí)成效評(píng)定與評(píng)價(jià)適用性教學(xué)模式[3-4]。

（2）在結(jié)構(gòu)化教學(xué)活動(dòng)中，重視個(gè)體知識(shí)和能力的培養(yǎng)，但知識(shí)體系較為單一，課程訓(xùn)練設(shè)計(jì)靈活性不足，未能體現(xiàn)個(gè)體差異及互動(dòng)協(xié)同，對(duì)通過(guò)進(jìn)階式工程項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作、工程創(chuàng)新等各方面能力的效果認(rèn)識(shí)不足。

（3）部分項(xiàng)目式教學(xué)模式陳舊，教學(xué)目標(biāo)不清晰，教學(xué)過(guò)程欠缺靈活性，學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)注重形式[5-6]，這與新工科強(qiáng)調(diào)“面向未來(lái)”的教學(xué)理念相矛盾。

（4）課程改革及學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)機(jī)制不健全，評(píng)價(jià)方式單一，缺少過(guò)程性評(píng)價(jià)，難以對(duì)學(xué)生的能力準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需要發(fā)展面向過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)方法，以完善評(píng)價(jià)機(jī)制[7]。

過(guò)程控制系統(tǒng)不僅要滿足輸出值跟蹤給定的期望值，而且要保證控制器的輸出平穩(wěn)。因此，算法的優(yōu)化性能指標(biāo)可用式(4)表示：

針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)五年多的實(shí)踐探索，新的教學(xué)模式趨于成熟，體現(xiàn)了以創(chuàng)新主題競(jìng)賽為導(dǎo)向的非結(jié)構(gòu)化教學(xué)設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建了“三進(jìn)階”（3S，即3-Step，方案選擇與評(píng)估階段S1：Selection and evaluation，技術(shù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段S2：Specific design，實(shí)物加工與測(cè)試階段S3：Solution and test）項(xiàng)目縱向全貫通培養(yǎng)模式，并形成了基于“逆向教學(xué)”實(shí)施方式的創(chuàng)新課堂組織形式和面向產(chǎn)出的多元化達(dá)成評(píng)價(jià)及持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

1 “三進(jìn)階”（3S）項(xiàng)目縱向全貫通式多方協(xié)同創(chuàng)新教學(xué)模式

具備綜合考慮制造工藝、安裝與調(diào)試、經(jīng)濟(jì)和安全等問(wèn)題的能力，可確定項(xiàng)目中關(guān)鍵零部件的材料及工藝方案[11]，依照前述圖紙制作完成實(shí)物或核心零件。

圖1 “三進(jìn)階”（3S）競(jìng)賽導(dǎo)向I-II-Ⅲ結(jié)構(gòu)

（2）學(xué)生能夠綜合應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并考慮安全、法律、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素，設(shè)計(jì)滿足特定需求的機(jī)械系統(tǒng)，并能在設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。

該階段驗(yàn)收和提交的成果包括答辯、紙質(zhì)方案設(shè)計(jì)報(bào)告。

表1 “三進(jìn)階”（3S）課程組織形式

2 創(chuàng)新課堂組織與實(shí)踐效果

上述階段的執(zhí)行，將完成傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（至少提出兩種方案，從技術(shù)、動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、創(chuàng)新性等方面對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，決策最優(yōu)方案），根據(jù)最優(yōu)方案確定各構(gòu)件的尺度參數(shù)，針對(duì)系統(tǒng)約束條件和功能實(shí)現(xiàn)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其正確性進(jìn)行推理與驗(yàn)證，完成方案設(shè)計(jì)報(bào)告。

圖2 三階段項(xiàng)目的閉環(huán)反饋系統(tǒng)

該階段完成已選方案的技術(shù)設(shè)計(jì)，考慮加工流程、應(yīng)用、維修、成本和安全等問(wèn)題，完成詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求應(yīng)用三維造型軟件，以此完成模型圖和零件圖的繪制和轉(zhuǎn)換，并對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度或剛度計(jì)算。

2.1 S1 階段

（1）學(xué)生能從機(jī)器功能要求出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和方法，初步具備擬定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的能力，能夠解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，且能夠?qū)鉀Q方案的可行性進(jìn)行初步分析與論證。

“三進(jìn)階”（3S）項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)跨度為3 個(gè)學(xué)期，每學(xué)期通過(guò)講授、實(shí)驗(yàn)、上機(jī)、綜合練習(xí)或多種形式交替實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同指導(dǎo)，表1 為“三進(jìn)階”（3S）課程組織形式。

在廢塑料高速轉(zhuǎn)型調(diào)整期，如何整合回收環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈，探索自建及完善中國(guó)再生資源回收體系，突破新的可再生廢塑料種類(lèi)及技術(shù)，升級(jí)改造高效分選、高效造粒、廢塑料熱解等環(huán)保技術(shù)與設(shè)備，成為當(dāng)前的聚焦點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的PET、PC、PS、PP、PE、PVC、ABS等通用廢塑料種類(lèi)外，POM、PTFE、尼龍(-6、-66)、PVB等材料再生也逐漸受到企業(yè)的青睞。

“三進(jìn)階”（3S）創(chuàng)新性跨學(xué)科項(xiàng)目采用逆向教學(xué)方法進(jìn)行流程設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)組織，實(shí)施了從“概念設(shè)計(jì)”“詳細(xì)設(shè)計(jì)”到“實(shí)物制作”的多層次教學(xué)內(nèi)容。這是一個(gè)典型的“逆向教學(xué)”模式，即以項(xiàng)目目標(biāo)為起點(diǎn)，從設(shè)計(jì)頂層學(xué)習(xí)目標(biāo)、開(kāi)展多樣化學(xué)習(xí)活動(dòng)、運(yùn)用OBE評(píng)價(jià)方法三方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的全反饋流程。該教學(xué)過(guò)程加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)目標(biāo)、評(píng)價(jià)與教學(xué)活動(dòng)一致性的評(píng)價(jià)與考核[10]。在實(shí)施過(guò)程中，首先明確了工程認(rèn)證所倡導(dǎo)的思想，細(xì)化了畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)[11-13]；其次，細(xì)化了項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)施方案和考核方式的流程化設(shè)計(jì)；最后，依據(jù)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證要求的基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出模式，對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)和細(xì)化的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行了達(dá)成度評(píng)價(jià)。上述三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成了整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的流程，形成了一個(gè)反饋閉環(huán)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。由圖2可見(jiàn)，該課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了“成果導(dǎo)向”“學(xué)生中心”和“持續(xù)改進(jìn)”的工程認(rèn)證理念[14-15]。

讀后感：1 8歲的伊福琳·安娜·克露頓說(shuō):“信中謙和甚至帶著抱歉的口吻，不僅沒(méi)有刺激我，反而讓我覺(jué)得敢于向哈佛提出申請(qǐng)，本身就是一件非常值得自豪的事。”

2.2 S2 階段

（1）學(xué)生熟悉三維造型軟件，并以此完成模型圖和零件圖的繪制和轉(zhuǎn)換，能有效支持零件的加工，能夠用圖紙或?qū)嵨锍尸F(xiàn)綜合項(xiàng)目作品。

（2）學(xué)生能夠合理分析評(píng)價(jià)復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，理解自身應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。

（3）學(xué)生可基于機(jī)械工程相關(guān)背景知識(shí)，具備正確認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)綜合實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展影響的能力。

以創(chuàng)新競(jìng)賽主題為導(dǎo)向的“三進(jìn)階”（3S）項(xiàng)目縱向全貫通式多方協(xié)同創(chuàng)新教學(xué)新模式應(yīng)用于具體的教學(xué)活動(dòng)，并基于面向產(chǎn)出的多元化達(dá)成度評(píng)價(jià)及持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，有層次、有步驟、有規(guī)劃地完成了8 個(gè)方面的教學(xué)目標(biāo)[3]，具體如下。

該階段驗(yàn)收和提交的成果為紙質(zhì)技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告（包括裝配圖1 張，二維零件圖紙不少于4 張）。

2.3 S3 階段

課程貫徹工程認(rèn)證和新工科教育理念，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)及元認(rèn)知思維方式為目標(biāo)[8-9]，將“創(chuàng)新導(dǎo)向、項(xiàng)目引領(lǐng)、理論與實(shí)踐融合”思想貫穿項(xiàng)目全過(guò)程。課程教學(xué)在3 個(gè)學(xué)期開(kāi)展，分為S1、S2、S3三個(gè)階段實(shí)施（I-II-Ⅲ結(jié)構(gòu)），分別在大學(xué)第5 到7 學(xué)期完成，每學(xué)期課程都為1 學(xué)分。在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生將實(shí)現(xiàn)不同階段成果的互動(dòng)循環(huán)，即階段成果可以反饋于前序階段的改進(jìn)，各階段實(shí)現(xiàn)本階段對(duì)應(yīng)能力和課程知識(shí)點(diǎn)的提升，三階段學(xué)習(xí)完成后，提交完整競(jìng)賽作品，包括完整圖紙、加工、裝配、性能測(cè)試等全過(guò)程，圖1 為“三進(jìn)階”（3S）競(jìng)賽導(dǎo)向I-II-Ⅲ結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目的執(zhí)行可以培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)一性及批判性思維，激發(fā)學(xué)生的好奇心和自信心，對(duì)于其形成解決復(fù)雜工程問(wèn)題及學(xué)科交叉融合能力具有重要作用。

該階段驗(yàn)收和提交的成果為結(jié)題答辯、實(shí)物作品、結(jié)題報(bào)告。

有色金屬是國(guó)民日常所需的最重要、最基礎(chǔ)的材料。近年來(lái)，隨著我國(guó)供給側(cè)改革等改革政策的推進(jìn)和實(shí)施，有色金屬業(yè)的規(guī)模在不斷的擴(kuò)大，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在不斷的優(yōu)化，產(chǎn)品的質(zhì)量也在不斷的提高，近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。西部礦業(yè)企業(yè)作為中國(guó)礦業(yè)十佳企業(yè)，應(yīng)緊跟國(guó)家政策的改革及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，分析企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)明確自身的優(yōu)劣勢(shì)來(lái)獲得更好的發(fā)展。通過(guò)對(duì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的分析及企業(yè)財(cái)務(wù)結(jié)構(gòu)下核心競(jìng)爭(zhēng)力的分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如擁有高海拔地區(qū)開(kāi)采礦山的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)等，同時(shí)，企業(yè)存在一些需要改進(jìn)或避開(kāi)的問(wèn)題，具體如下：

2.4 S1、S2、S3 全階段

（1）學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)精神及協(xié)作能力，能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中分擔(dān)任務(wù)，并承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任[12]。

（2）學(xué)生能夠在機(jī)械創(chuàng)新綜合實(shí)踐項(xiàng)目過(guò)程中通過(guò)口頭及書(shū)面方式闡述自己的方案，并能理解不同方案的差異性。

本文介紹的明挖地鐵站與市政高架橋“同期同位分離式合建”方案，在合肥地鐵1號(hào)線取得了成功的應(yīng)用。目前，市政高架橋已經(jīng)通車(chē)運(yùn)營(yíng)5 a，地鐵車(chē)站已經(jīng)通車(chē)運(yùn)營(yíng)1 a。該方案極大地節(jié)約了用地；高架橋與地鐵車(chē)站僅與豎向受力相關(guān)，橫向受力完全脫開(kāi)，傳力路徑清晰，地震工況受力良好；能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵車(chē)站全外包防水；高架橋可以與地鐵結(jié)構(gòu)同期施工，也可以在地鐵結(jié)構(gòu)后期施工。該方案的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程參考。

如上，通過(guò)新模式指導(dǎo)下的課堂創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)組織和作品制作，實(shí)現(xiàn)了教-學(xué)-賽動(dòng)態(tài)互動(dòng)新實(shí)踐，全方位提升了學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也有效促進(jìn)了學(xué)生整體素質(zhì)的發(fā)展。學(xué)生基于創(chuàng)新課堂完成的作品共獲得國(guó)家級(jí)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)4 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3 項(xiàng)；省級(jí)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)18 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)10 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)5 項(xiàng)；授權(quán)專(zhuān)利2 項(xiàng)；以競(jìng)賽獲獎(jiǎng)實(shí)現(xiàn)保研的學(xué)生達(dá)到了39 名，約占本專(zhuān)業(yè)保研學(xué)生的25%。

習(xí)近平總書(shū)記指出：“只有堅(jiān)持愛(ài)國(guó)和愛(ài)黨、愛(ài)社會(huì)主義相統(tǒng)一，愛(ài)國(guó)主義才是鮮活的、真實(shí)的，這是當(dāng)代中國(guó)愛(ài)國(guó)主義精神最重要的體現(xiàn)。”[注]習(xí)近平：《習(xí)近平在中共中央政治局第二十九次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)：大力弘揚(yáng)愛(ài)國(guó)主義精神 為實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)提供精神支柱》，《人民日?qǐng)?bào)》2015年12月31日，第1版。愛(ài)國(guó)主義是一個(gè)歷史范疇，愛(ài)國(guó)主義和熱愛(ài)中國(guó)共產(chǎn)黨、熱愛(ài)社會(huì)主義制度、熱愛(ài)中國(guó)特色社會(huì)主義相統(tǒng)一、相一致，是由沒(méi)有共產(chǎn)黨就沒(méi)有新中國(guó)、只有社會(huì)主義才能救中國(guó)、只有中國(guó)特色社會(huì)主義才能發(fā)展中國(guó)、只有中國(guó)共產(chǎn)黨才能帶領(lǐng)中華民族實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)的歷史事實(shí)和現(xiàn)實(shí)邏輯所決定的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建創(chuàng)新教學(xué)模式，開(kāi)展有效的創(chuàng)新課堂教學(xué)活動(dòng)，取得了良好的實(shí)踐效果。具體為：（1）提出以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，構(gòu)建了“三進(jìn)階”（3.5）貫通式多方協(xié)同創(chuàng)新教學(xué)模式；（2）制定了面向競(jìng)賽創(chuàng)新成果導(dǎo)向的學(xué)習(xí)目標(biāo)，探索了非結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)理念和課堂組織形式；（3）建立了面向產(chǎn)出的多元化達(dá)成度評(píng)價(jià)及持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了教-學(xué)-賽動(dòng)態(tài)互動(dòng)新實(shí)踐，并取得了顯著的教學(xué)成效。