面向大工程觀的機械基礎課程群教學改革與實踐

摘 要： 工程教育要服務于工程實踐。在新時代工程教育改革和工程認證大環境下，探索了機械工程人才培養的大工程觀內涵，據此開展機械基礎課程群改革與實踐。以新疆農業大學機械基礎課程群為例，對人才需求側需求調研與分析，從課程群教學架構、實踐教學、創新能力培養等方面研究了機械基礎課程群構建與一流專業人才培養相適應的課程體系和培養模式，同時探討了傳統“老中青”傳幫帶、援疆政策支持教學骨干培養方法及現代虛擬教研室相結合的教學團隊培養模式，以支撐面向大工程觀的機械基礎課程群改革與實踐。

關鍵詞：大工程觀；機械基礎課程群；創新實踐；STEP 教學模式

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0125-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.022

0 引言

中國制造轉型過程中，工程人才結構性過剩與短缺并存，傳統產業人才素質提高和轉崗轉業任務艱巨，而領軍人才和大國工匠嚴重緊缺，建設一流機械工程專業，培養具有國際競爭力的工程技術人才迫在眉睫。未來的優秀工程師需要具備大工程觀，即具備多學科知識和系統認識，能夠從多學科視角審視工程問題[1-2]。在新工科背景下，工程制圖、機械原理、機械設計及機械制造等機械基礎課程教學作為機械工程人才培養的重要基礎環節，迫切需要開展面向大工程觀的機械基礎課程群改革與實踐，形成大工程觀的機械創新型人才培養實踐教學新體系、新內容、新方法和新模式。

1 人才需求側需求調研與分析

新時代背景下，全球新一輪科技革命和產業變革對人才的需求發生了重大變化，需求側的新需求是供給側人才培養方案中課程改革的導向和遵循。2016 年，教育部、人力資源和社會保障部、工業和信息化部共同編制了《制造業人才發展規劃指南》，對制造業10大重點領域人才需求進行了需求預測，預計到2025 年，新一代信息技術產業、高檔數控機床、機器人和農機裝備等重點領域人才需求量將達到近3 000 萬人，人才需求發生了深刻變化[3]。為了適應智能制造發展的需要，急需高校培養既有適應時代特點的專業理論知識，又具有大工程觀的復合型、實用型、創新型高級人才。

相同的專業，在不同的高校因其主要就業領域和地區不同，其培養方案也會有所不同。因此，充分調研高校專業主要就業領域和地區的需求變化，借鑒其他院校的經驗，因地制宜地開展課程教學改革具有實際意義。多年的畢業生就業追蹤統計調查顯示，新疆農業大學機械專業畢業學生主要集中在新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）烏昌地區（烏魯木齊市、昌吉回族自治州）企事業單位，烏昌地區作為新疆的核心工業區，與全國一樣急需具有大工程觀的高級專業人才。為了更加精準地掌握本區域的機械人才需求特點，以便制定符合實際情況的人才培養方案和課程改革，采用實地調查和調查問卷相結合方式，對烏昌地區規模以上工業企業2025 年用人需求進行了調研，調研情況如表1 所示。

由表1 可知，人才需求情況呈現3 個特點。①目前烏昌地區工業企業新技術的應用使生產設備的技術要求和加工工藝不斷提升；新產品不斷出現，其結構復雜程度、質量、精密度要求愈來愈高；生產過程在應用最新的電子技術、人工智能技術后自動化程度發展到空前的高度，這些對從業人員文化基礎、專業能力、綜合素質和全局視野提出了更高的要求，由于技術的發展和企業生產經營模式的變化，對從業人員質量的要求已經超過了對數量的要求，行業就業門檻在不斷提高。②產業升級使企業就業崗位技術含量越來越高。產業升級既需要科學研究和創新創業型人才，也需要大量的一線高素質工程應用型人才作支撐。企業轉型升級急需的高素質應用型人才約7 400 人，目前還存在很大缺口。而且，隨著企業自動化制造水平的持續提高，智能化、自動化設備方面的應用型人才缺口將逐年增加。③對機械專業學生的機械專業技能和工程化實踐水平要求越來越高。因此，采用傳統的教學方法培養學生已經不能適應新時代的新需求，迫切需要進行改革重塑。

2 傳統教學方法存在問題

國內高校近年來推行厚基礎、寬口徑的機械工程類人才培養模式，主要采用理論教學，在傳統教學內容、教學方法，以及課程體系上延伸、拓展和合并。實踐環節以演示性、程序化實驗為主體，教學改革動力不足，實踐性不強。系統性設計理念缺乏引導，多學科交叉融合不足，所培養的工程人才缺乏大工程觀思維，解決復雜工程問題能力有待提高[4-7]。

2.1 教學模式、內容不適應一流機械工程專業培養需求

傳統機械工程專業人才培養模式更關注本專業的知識和技能，對其他工程學科知識及一些人文學科知識關注偏少，對新技術和新產業發展的新知識更新滯后，學生缺乏全局思維、大工程觀及解決復雜工程問題的能力，與未來工程人才需求不適應。

教學模式單一、重知識傳授、輕能力和素質發展，學生自我體驗、自主學習、自由創造的環境配備不充分。需要借助遠程交互、移動互聯、團隊實踐、虛擬現實及人工智能等現代教學理念和手段，不斷改革教育薄弱環節，將學生從簡單獲得知識，變為多學科的驗證知識，獲得體驗、經驗和能力。

2.2 工程實踐教學環節缺乏學業挑戰度

實踐性環節是機械工程類學生必須的一個環節，通常有金工實習、認識實習、生產實習和專業類課程設計等一系列實踐性環節。由于師資情況、學校教學設備的供需失衡、教學改革進程滯后、實踐教學方法過于傳統及創新驅動較弱，使工程實習、課程設計與畢業設計、論文等環節程式化和形式化，學生在程式化的實踐環節中得到的訓練挑戰度不夠，難以激發和調動學生的創新意識和創新思維。深層次校企協同的體制、機制尚未形成，與企業協作的實習、實踐等教學環節也停留在淺層次教學中，缺乏企業方的深度參與，學生解決實際工程問題的能力并沒有得到明顯提高。

近年來，雖然學校更加重視實踐教學，投入了大量的實驗裝備，也進行了實踐教學改革，但由于缺乏與企業的深度融合致使實踐教學的工程性大打折扣，與真實環境的工程項目、生產制造有較大差距，增加實驗數目或課時數并不能有效地提升學生的創新實踐能力。

3 機械工程人才大工程觀

3.1 大工程觀內涵

大工程觀是1993 年由麻省理工學院時任院長喬爾·莫西斯提出來的。他指出，工程教育的改革方向是要使建立在學科基礎上的工程教育回歸其本來的含義，更加重視工程實際及工程教育本身的系統性和完整性。大工程觀的本質是將科學、技術、非技術和工程實踐融為一體，其主要特征是實踐性、整合性和創新性。大工程觀是以整合、系統、應變、再循環的視角看待大規模復雜系統的思想。大工程觀包括宏大或復雜工程視野、工程的多學科視野及其所需要的科學基礎素養，此外還應包含相應的人文情懷及工程組織素養。

3.2 重塑機械工程專業課程體系

借鑒重慶大學機械工程專業培養模式，結合學校實際，重塑機械工程專業課程體系。重慶大學機械工程專業基于大工程觀研究機械工程專業人才的“知識→能力→素質”成長規律，提出了機械工程專業人才“迷茫→追逐→悟道→得道”4 重境界認知模型，如圖1 所示[8] 。基于此模型和大工程觀內涵，優化理論課程群設置，強化學科競賽和創新實踐實習環節，重構強邏輯的知識體系。首先，通過工程導論、工程制圖等先導課程的學習與實踐，引導學生認知、感受工程，建立工程思維，使其熱愛專業，消除工程迷茫，產生立志服務社會的遠大志向。其次，通過材料力學、理論力學和機械原理等基礎課的學習和創新實踐實習環節的歷練，強化學生工學知識基礎和機械產品開發本領，使其逐步構建思辨精神和哲學思想。再次，通過機械設計、制造技術等專業基礎課的學習和參加學科競賽，讓學生建立起基本的機械工程專業知識框架，在設計中不斷提高團隊合作和表達溝通的能力，領悟機械工程的內涵。最后，結合學校辦學方向和人才需求調研結果，優化設置設計方向選修課和畢業設計等環節，通過校企實踐、終身學習，培養學生復合機電系統設計與開發能力，培養學生恪守職業道德和不斷創新的意識。

4 課程群教學改革與探索

4.1 加強頂層設計，優化課程群教學架構

原有機械基礎課程群架構聯系松散、邊界模糊、鏈接缺少精細設計，學生知識體量有余，但能力深度不足。主動適應國家戰略發展新需求和世界高等教育發展新趨勢，圍繞激發學生學習興趣和潛能深化教學改革，研究機械基礎課程群知識體系、能力體系、教學平臺、教學模式和教學方法的映射關系。加強頂層設計，優化新工科背景下課程群生態結構，開展課程群一體化項目式訓練推進路徑與實踐研究，夯實課程的高階性、創新性、挑戰度，建好建強機械基礎課程群。機械基礎課程群教學架構如圖2 所示。

宏思維能力是在關聯力基礎上，需要在多個教學環節中體現“關聯”。探索教學大綱、教案知識點和工程實際問題設計等環節如何引導課程內、課程之間的關聯性，對課程集中研討、跨課程集中研討等的關聯點進行設計，提出引導學生建立問題空間及其相互關聯的新方法；探索課堂教學中如何啟發、引導學生關聯模式；探索虛擬教研室和“慕課西行”的教學實踐經驗，不斷優化課程群教學架構。

4.2 堅持問題導向，重構實踐教學體系

4.2.1 縱向貫通實踐教學體系

按照新工科建設的目標要求和新修訂的培養方案中機械類基礎課程實踐教學對培養目標、畢業要求的支撐要求，進行以機械工程實踐創新能力培養為目標，圍繞科研（技）成果中的典型案例，從機械制圖、機械原理、機械設計及機械制造等課程培養目標維度進行剖析，重構實踐教學環節，實現機械類課程實踐教學從碎片化實踐教學向貫通式實踐教學轉變。通過貫通式重構，實現完整工程案例貫通整個機械類課程實踐教學環節，不同課程實踐教學環節將其所要達成的知識、能力、素養及思政元素融入其中，讓學生通過在實踐教學中對課程知識的應用，進一步加深對課程理論知識的理解。通過實踐教學中對案例的剖析，培養學生的創新能力，構建以理論指導應用，在應用中實現創新的螺旋式上升能力培養為主線的實踐教學體系。

4.2.2 橫向拓展實踐教學維度

將機械基本原理、方法嵌入到課程項目實踐環節，實現基本認知與基礎實踐融合；通過工程案例導入，實現理論基礎課程與基礎實驗融合，提高實驗教學內容的高階性；將機械基礎課程實踐與多層次學科競賽融合，提高課程教學內容的創新性；結合學科前沿，實現應用教學與科研項目融合，提高課程學業的挑戰度。4 層深度融合構建了具有高階性、創新性和挑戰度的機械設計專業創新實踐體系，如圖3 所示，實現學生創新實踐能力迭代式培養，提升學生解決復雜工程問題能力。

依靠校外基地、實驗示范中心及重點實驗室，聯合華電新疆發電有限公司、新疆金風股份有限公司、新疆立新能源股份有限公司及新疆缽施然智能農機有限公司等企業，探索拔尖人才培養的創新實踐能力培養新模式，搭建對應跨學科創新實踐產學研實訓實習平臺，為學生培養提供科研與教學實踐開放基地。同時，結合前沿科學研究和重大工程實踐，動態設置跨學科實踐教學團隊，增設跨學科專題訓練、科研項目訓練環節，知能協同，培養機械創新設計能力和解決復雜工程問題能力。機械創新學科競賽強化創新實踐能力培養，促進學生創新實踐能力持續、遞進提升。

4.3 貼近工程實際，引入STEP 教學模式

4.3.1 STEP 教學模式

STEP 是軟件（software）、理論（theory）、試驗（experiment）和項目（project）的簡稱[9-10]。STEP 教學模式是指在課程學習過程中，軟件工具、理論教學、試驗和項目實踐緊密結合、缺一不可。

基于STEP 的機械基礎實踐教學模式是指將軟件工具、理論教學、試驗和項目實踐緊密結合、共同實現整個實踐環節。STEP 理念在機械基礎系列專業課程教學中主要涉及以下軟件：AutoCAD 或者Solidworks（工程制圖）、ADAMS（機械原理）、ANSYS 或者ABAQUS（機械設計）及UG（機械制造、工程制圖）等。

STEP 教學模式重點強調：①以貼近實際應用的環境來促進學生的技能培養；②學習者投入自主探究和解決實際問題的過程；③設計真實任務。強調將實踐能力的培養放在復雜、有意義的問題情境中，通過學習者的自主探究、建構和合作，來解決實踐問題，激發學生的創新能力，從而間接地激發學生的創業激情，使其掌握隱含在問題背后且僅通過原有教學方式不容易掌握的實踐技能，形成解決問題的技能和自主學習的能力。面向工程教育的機械基礎STEP 教學模式如圖4 所示。

4.3.2 STEP 教學模式案例

引入某風電機組齒輪增速箱的設計成果作為項目案例來說明STEP 教學模式，如表2 所示。在工程制圖課程教學中，首先參觀新疆重點實驗室“新疆智能農業裝備重點實驗室”的風力發電機組，由教師介紹風力發電原理并結合國家風電產業發展史植入大國工匠精神、科技報國的家國情懷和使命，然后進行風力發電機組變速箱拆裝測繪，在后續的計算機繪圖中利用AutoCAD、Solidworks 及UG 等工程軟件繪制二維、三維圖。在機械原理課程教學中，讓學生再次參觀齒輪箱中齒輪，并從動力學角度分析齒輪機構的運動特點，并應用ADAMS 和Matlab 等工程軟件進行虛擬樣機創建和仿真的基本方法。在機械設計課程教學中，用ANSYS 和ABAQUS 等工程軟件對齒輪機構進行結構設計和強度分析，培養結構設計能力和創新意識。在機械制造課程教學中，以風電齒輪箱中某個齒輪為對象進行加工工藝設計，實現一個案例貫通整個機械基礎類課程群教學環節，并把不同課程教學環節將其所要達成的知識、能力、素養及思政元素融入其中，實現科教融合，顯著提升了學生解決復雜工程問題的能力。

5 教學團隊培養模式

5.1 以傳幫帶形式培養青年教師

為幫助年輕教師盡快成長，教學團隊實行青年教師導師制，為每位年輕教師配備一名帶教老教師。在入職的第1 學年里，年輕教師跟堂聽老教師上課，第2 學年老教師跟堂聽年輕教師講課，團隊共同備課，形成了通過教學評價→教學反饋→教學實踐的機械基礎課程團隊教學培養模式，傳幫帶培養青年教師。

5.2 利用各項援疆政策培養教學骨干

近年來，為了提高西部特別是新疆地方高校的教師教學水平，中央及各部門先后出臺了高校對口援疆計劃、援疆師資計劃及“慕課西行”計劃等，新疆農業大學機械基礎課程教學團隊積極利用各項援疆政策，送教學骨干到重慶大學等985 高校對口專業進行短期課程培訓和長期學位提升等深造活動，開拓教師眼界和提升教學質量。

5.3 發揮虛擬教研室作用，提升團隊整體教研水平

在新時代背景下，重慶大學機械基礎教學團隊牽頭建立西南地區機械基礎課程群虛擬教研室，在機械制圖、機械原理、機械設計教學研究室基礎上，組建虛擬教研室一流課程+名師專家團隊，遴選各校機械基礎課程群骨干教師，形成專家?骨干教師?課程團隊研修共同體。通過定期線上線下結合舉辦專題教學學術講座、教學改革研討、示范觀摩課和教學競賽等活動，共建共享建設成果，在課程群中形成比、學、趕、幫、超的教學文化環境，推進教學跨越時空傳幫帶，共同提升教學能力和水平。新疆農業大學積極融入其中，通過“慕課西行”、線上線下混合式教學、同步課堂及“克隆班”等方式，采用智慧教學平臺、智慧實驗室等手段提升新疆農業大學機械課程師資團隊整體教研水平。

6 課程改革成效

近年來，通過持續的機械基礎課程群教學改革與實踐探索，教學質量得到明顯提升。通過系統的創新實踐能力訓練，學生經歷完整的機械產品設計制造過程，培養解決復雜工程問題的能力。創新實踐能力訓練成果豐碩，通過系統的創新實踐訓練，學生的創新能力提升明顯，2019 年至今，學生在各類學科競賽獲省部級及以上獎項35 項，其中國家級獎項11 項，省部級獎項24 項，學生參與獲得各類專利32 項，其中發明專利1 項。畢業生面向企業就業競爭力明顯增強，工作能力得到企業認可。一批大中型企業主動來學院尋求合作、招聘優秀畢業生，機制專業學生就業率在學校名列前茅。

學校機械設計制造及其自動化專業成為新疆支持的緊缺專業并成功獲批國家級一流本科專業建設點，農業機械化及其自動化專業獲批省級一流本科專業建設點，在建1 個自治區重點實驗室，建成1 個新疆教育廳重點實驗室和1 個自治區級實驗教學示范中心；與其他學院共建1 個教育部工程研究中心、1 個自治區級工程中心和1 個協同創新中心；2 門課程被認定省級一流課程建設點，2 門課程分別獲國家級一流課程和省級一流課程建設點遴選資格。

7 結束語

在人才需求側需求調研與分析結果和傳統教學存在的問題剖析的基礎上，結合機械工程人才培養的大工程觀內涵，開展機械基礎課程群改革與實踐探索，從課程理論教學、實踐教學、創新能力培養等方面研究了機械基礎課程群如何構建與一流機械工程專業人才培養相適應的課程體系和培養模式。結合實際情況探討了傳統老中青傳幫帶、援疆政策支持教學骨干培養方法及積極利用虛擬教研室提升教學質量，以支撐面向大工程觀的機械基礎課程群改革與實踐。

機械基礎課程群的改革，是一項專業綜合性改革，涉及專業建設的方方面面，既需要頂層設計，也需要廣大教師的積極參與。在后續的持續改革中，需進一步完善課程改革方案，精細化工程能力實現矩陣，按工程專業認證規范和一流專業人才培養目標優化課程教學大綱和課程考核方式，深入開展課程教學目標達成度評價研究，積極探索實施課程教學目標達成度評價，以教學目標達成情況作為評價教學質量的主要指標。

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基金項目： 2022 年度新疆維吾爾自治區高校本科教育教學研究和改革項目（XJGXPTJG-202215）；2023 年新疆農業大學校級教研教改項目（2023HHSY20）；2021 年重慶市教改項目（213023）；2020 年教育部第二批新工科研究與實踐項目（E-SPNL20202326）