創新人才培養導向的機械類實驗教學改革

王亞良， 梁利華， 董晨晨， 潘 立， 蘭秀菊(浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310014)

?

創新人才培養導向的機械類實驗教學改革

王亞良， 梁利華， 董晨晨， 潘 立， 蘭秀菊
(浙江工業大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310014)

分析了目前高校實驗教學現狀，闡述了實驗教學的重要性。以人才培養的知識、技能和素養三要素中的實驗技能為抓手，以創新人才培養為導向，形成資源整合、教研互動、校企協同的實驗教學機制，提出校內外相融合的實驗教學體系。以機械工程CDIO實踐基地為例闡述如何做好提升學生的實驗技能和創新能力，從實踐基地架構、實踐項目實施和運作模式與機制等方面進行了比較深入的探索。通過幾年的實施表明機械工程類實驗教學體系架構是合理的，其教學和運行模式改革可行，效果良好，使學生較好地掌握了工程師應具備的知識、技能和素養。

機械工程； 實驗教學； 創新人才培養

0 引 言

機械工程專業的教學和培養必須通過理論與實驗教學的結合，才能讓學生盡快適應社會環境，具備一定的實踐動手能力和創新能力。如何培養學生實踐創新能力是工科院校機械類專業共同面對的問題。目前教學缺少真實工程背景下的以項目式或問題式的實踐解決方案，難以培養學生的團隊精神和解決工程問題的能力，普遍存在著“假題真做”現象[1-3]。具體表現為：實驗主體的主觀能動性不足；重視單元知識的實驗教學，工程系統觀念和總體掌控能力培養不足；工程的創新思維、問題解決能力培養不足；能為實驗能力培養的基地明顯不足。現有許多與企業合作建立的實踐基地，真正為學生提供課外實訓、產品設計、制作和調試的校內實踐基地相對較少，且基地開放及管理機制不健全，實踐基地的(時間、空間、內容和資源)開放形同虛設[4-5]。

機械類實驗教學體系改革目標：使學生具有寬厚的知識、扎實的技能和良好的素養，即知識、技能和素養三者的有機結合；具體來講就是依據裝備制造業對機械類人才的需求，致力于培養具有寬厚的理論知識，較強的工程實踐能力和工程創新能力，具有良好的人際和職業素質，較強的團隊領導和溝通能力的高素質、創新型人才。技能的培養不是天生就有的，而是通過各種實踐環節的鍛煉中獲取得[6-7]。本文主要針對如何做好學生的實驗能力來開展討論，以機械類專業為例，從實驗教學體系的構建、教學體制的完善、運行機制的改革等方面進行了討論和分析，重點闡述了機械工程CDIO實踐基地的架構、實踐項目實施、實踐基地運作模式等方面進行了比較深入的探索和實踐。

1 機械類專業實驗教學改革

緊緊圍繞強化學生實踐能力、創新能力培養的目標，以提升實驗教學質量為重點，以創新實驗教學方法為基礎，以有效整合實驗教學資源為依托，探索滿足新時期人才培養需要的實驗室建設和教學改革途徑，構建改革長效機制，形成優質資源融合、教學科研結合、學校與企業聯合培養人才的實驗教學新模式。

1.1 資源整合，教研互動、校企協同的實驗教學機制

(1) 整合現有實驗教學資源。建立機械工程實驗五層次教學體系，形成基本型、綜合設計型、研究創新型三類型實驗項目群。構建五層次的校內機械工程實驗教學體系：機械工程認知實踐、機械工程實踐教學、機械基礎實驗教學、機械工程專業實驗教學、機械工程CDIO實踐基地等，并按照專業認證的標準和個性化培養要求，優化實驗資源配置，對基本型、綜合設計型、研究創新性三類別實驗項目群進行創新性改革[8]。

(2) 實驗教學與科研、工程和社會應用實踐結合。實驗課程和訓練項目與科研、工程及社會應用實踐緊密結合。充分利用學科建設優勢，注重科研促進實驗教學，利用教師最新科研成果，更新和充實實驗內容，使學生深入了解本學科和鄰近學科的發展前沿和研究熱點，提升了實驗教學水平。結合多種形式開展科研促進實驗教學：將科研成果引入實驗教學中，提高實驗教學內容和深度；在綜合設計型和研究創新型實驗中，引導學生自主學習和探求知識的欲望和能力；學生的工程創新項目實踐緊密結合科研、工程和社會應用，在大工程觀指導下開展各種科技創新實踐，并具備較好的可行性 和經濟性。

(3) 建立企業實踐基地，實現校企協同育人。校企結合是為了發揮學校和企業的各自優勢，共同培養社會與市場需要的人才。通過學校與企業的合作，教學與生產的結合，校企雙方互相支持、互相滲透、雙向介入、優勢互補、資源互用、利益共享，是實現教育現代化，促進生產力發展，培養生產、建設、管理、服務一線人才的重要途徑。目前，已與中國重汽集團杭州汽車發動機有限公司、浙江萬向精工有限公司、杭州愛知工程車輛有限公司、數源科技股份有限公司、浙江華昌液壓機械有限公司、杭州中糧包裝有限公司、杭州汽輪動力集團股份有限公司、杭州鋼鐵集團股份有限公司、杭叉工程機械股份有限公司、杭州通用電氣能源集團、杭重工程機械有限公司、杭氧集團股份有限公司、杭州人本集團有限公司等30多企業建立實踐基地。

1.2 機械工程實驗體系基本構架

圖1 機械工程實驗教學體系

機械工程實驗體系包含校內實驗環節、校內外實驗環節和校外實驗環節，基本構架見圖1，校內實驗環節包含5個層次。即機械工程認知實踐：其目的是使學生了解機械工程對人類社會發展的貢獻，掌握產品的基本概念，建立工程意識。機械基礎實驗教學：結合理論課程(工程圖學、機械設計、機械原理、力學等主干課程)，開設相應實驗項目，使學生對機械產品的繪制、設計、構造及性能分析有較好的理解。機械專業實驗教學：通過機械專業實驗項目的訓練，讓學生對整個機械產品的設計、制造、裝配和控制等過程有全面的體會和深入的了解，能初步設計的功能完備的機械產品。機械工程CDIO實踐基地：由產品概念設計實踐平臺、主題設計與制造I實踐平臺和主題設計與制造II實踐平臺等3個實踐平臺的組成。機械工程CDIO實踐平臺全面實行項目實踐模式[9-10]，緊密結合浙江省產業特色，自主申報主題項目，掌握機械產品和系統生命周期4個階段(構思、設計、實現、運行)的工程實踐與創新能力。虛擬仿真實驗室與教學體系各層次相互融合，主要由產品虛擬設計、產品虛擬制造和產品虛擬裝配組成，為學生虛擬實驗環境、實驗對象和實驗項目，加深學生對“難實易虛”實驗項目的理解，并構建數字化實驗教學資源協同平臺，實現資源共享。校內外結合實驗環節主要通過教學科研良性互動和融合，提升科研反哺實驗教學的轉化率；校外實驗環節主要通過建立企業實踐基地，實現校企協同育人來實現。

2 機械工程CDIO實踐基地架構及運行機制

2.1 機械工程CDIO實踐基地架構

機械工程CDIO實踐基地應突出自主性、開放性及個性化的實踐教學理念，為培養高素質創新型工程人才提供實踐條件[11]；基地應提供必要的作業空間、加工平臺、原材料及標準的零部件，為學生個性化的項目式教學提供保障。以實踐項目為中心、以學生團隊為主體；課程教學組負責實踐教學的指導任務，在項目實施階段負責技術咨詢和指導、過程監管和結果評定。機械工程CDIO實踐基地基本架構見圖2。

① 計算機房：主要用于學生實踐的二維、三維圖紙的繪制。② 認知產品展示室：主要對電動工具樣機、物流機械樣機、汽車零部件等典型產品進行綜合認知，通過現場實踐、查閱資料后對這些產品進行概念設計。③ 學生作品展示室：主要陳列學生獲獎作品(省級二等以上)，供低年級學生觀摩學習，未獲獎作品拍攝后，電子陳擋并拆解陳放于原材料領用室，重復利用。④ 原材料領用室：為學生課外科技競賽、產品制作提供必要的原材料(鋁型材、螺釘螺帽、動力裝置、示波器、萬用表以及工具等)。⑤ 產品加工車間：為學生制作產品提供加工設備，如機床、鉆銑床、鉗工臺等。⑥ 產品調試車間：為學生裝配、調試作品提供場所和必要的工具。⑦ 師生交流互動室：為老師、學生提供一個相互探討，解決實際產品制作中碰到的實際的場所。

2.2 機械工程實踐項目實施步驟

機械工程實踐基地以項目式教學方式為主導，以項目為載體，積極引入CDIO工程教學大綱理念[12-13]。以培養溝通能力、團隊領導能力，現代大工程環境下的創新構思、設計、實施、運作的能力為目標，積極倡導主動實踐[14]。

機械工程實踐項目實施對機械類學生開展新產品設計和主題競賽等項目運用項目管理的思想對其進行有效管理的過程。其主要特點如下：項目主要參與主體為機械類學生；項目主題以實現某些特定功能的新產品設計、制造為主；項目進度跨度較短(一般在1年以內)，項目成本投入相對較少。結合機械工程實踐項目的特點，機械工程實踐項目實施的基本步驟如下：

(1) 確定機械工程實踐項目主題，明確項目應達到的技術參數。

(2) 組建項目團隊，確定項目負責人。

(3) 對項目進行工作分解結構，明確項目范圍，并確定各子項目的責任人。

(4) 運用甘特圖、關鍵路徑法和計劃評審技術對實踐項目進度進行安排。

(5) 在滿足項目預定技術參數的前提下，進行必要的成本控制。

(6) 項目其他知識領域進行管理和控制。

(7) 在規定的時間、成本預算范圍內，保質保量地完成實踐項目的預定目標。

2.3 實踐基地運作模式改革與實踐

2.3.1 積極引入研究生新型實驗助教模式

新型實驗助教是指研究生在校學習期間，在完成學習任務的同時，積極參與新上實驗室項目的建設工作，如設備選型、方案論證和實驗項目開發工作；參與機械分析測試等國際領先設備的操作、測試和維護，培養其運用高端技術裝備解決工程實際問題的能力；指導學生課外科技作品制作；參與實驗指導，特別是研究設計型實驗的指導，培養研究生的實驗研究能力；充分享用機械工程實驗中心所有設備等一系列的實驗教學或教學輔助工作。

積極引入研究生新型助教模式，不僅培養了研究生的教育教學技能，更為重要的是加強了研究生與本科生之間的交流，對本科生的實踐教學和能力提升起到了至關重要的作用，有助于緩解當前實踐基地實行全面開放的體制下師資力量薄弱的問題。

2.3.2 建立實踐基地柔性運行模式

實踐基地牢固樹立為學生服務的思想，運用現代化的科學管理辦法，加強實踐基地建設的組織領導和協調服務，強化實踐基地的組織建設和制度建設，以提升實踐基地的開放服務質量為中心，不斷優化實踐基地的開放機制。以學生的工程素質和創新能力培養為目標，突出學生的個性化和自主性發展需求，不斷探索和改進實踐教學的新形式與新方法，以完善的管理機制建立實踐基地的柔性運行模式，系統化地構建學生創新能力培養體系[15]。

(1) 完善實踐基地的資源優化配置，通過教學建設和改革項目等形式鼓勵教師特別是教授參與基地的實踐教學指導工作。已初步形成一支具備較強研究和工程實踐能力、掌握先進技術的實踐教學隊伍。

(2) 實踐基地接受全校學生的預約開放，每個星期實行7×12 h開放制度，安排專人值班，上班時間有專業老師巡檢，并提供現場指導；實行全天候的實踐基地開放制度。

(3) 在項目實施過程中，學生可利用機械工程實踐基地設備進行產品設計制作實踐，自主進行零部件的制作、裝配和調試工作；對于比較復雜的零部件，機械工程實踐基地配備了專業技術人員，對學生加工進行指導，特別復雜的零部件，由專業技術人員給予加工。

(4) 制定了機械工程實踐基地一系列管理制度：“機械工程實踐基地管理總則”、“機械工程實踐基地原材料入庫及領用管理制度”、“機械工程實踐基地加工設備持證上崗管理辦法”、“機械工程實踐基地鑰匙管理辦法”、“機械工程實踐基地原材料采購制度”、“機械工程實踐基地值班人員管理辦法”，為實踐基地的有序運作提供了制度保障。

2.3.3 為實踐基地提供政策和經費保障

機械工程實踐基地實行全開放的運作模式，并提供加工設備和原材料等服務，其投入相對傳統的實踐教學更大，管理更為復雜。其具體管理部門為機械工程學院下屬的機械工程教學中心(省級示范中心)；為保障實踐基地的正常運作，機械工程實驗中心重點保障實踐基地的經費投入，并積極爭取各種建設經費和教學建設項目，自實踐基地建成以來，各種政策保障到位，經費能滿足日常支出需要。

3 結 語

機械工程實驗教學體系及內容應緊緊圍繞強化學生實踐能力、創新能力培養的目標，以提升實驗教學質量為重點，以創新實驗教學方法為基礎，以有效整合實驗教學資源為依托，探索滿足新時期人才培養需要的實驗室建設和教學改革途徑，融合卓越工程師培養要求和國際工程教育大綱，進一步凝練實驗教學理念，建立適應區域經濟和產業特征的機械工程實驗教學體系，不斷改善實驗教學方法和手段，進一步完善理論教學與實驗教學互動、教學與科研互動、學校與企業互動、科研平臺與實驗教學平臺共享、實驗技術研究與科研互動的可持續發展機制。

機械工程CDIO實踐基地始終堅持以提升開放服務質量為中心，優化實踐基地的管理及運行體制。努力提高實踐基地的學生受益面，積極推進實踐基地儀器、設備等資源的共享，進而提高利用率。基地面向機械工程領域問題，積極探索以主題實踐項目為主線的實踐教學模式，注重培養學生解決工程實際問題的能力和團隊協作精神；指導教師參與實踐項目的全過程，加強學生在實踐項目的主體性和主觀能動性，應用項目管理知識對實踐項目進行管理和考核；創新實踐基地運行機制并持之以恒，取得了較大成績。自2009年機械工程實踐基地建成以來，積極推行實踐教學改革，注重實踐能力的培養，為學生創造良好的實踐環境和條件。學生在競賽中取得較好成績。在各類國家級大賽中獲一等獎9項，在各類省級大賽中獲特等獎2項，一等獎14項；申請專利300余項，發表論文10余篇。

[1] 劉 勃, 劉 玉, 鐘國輝,等. 基于真實項目的實踐教學體系探索[J].高等工程教育研究, 2012(1): 116-121.

[2] 李培根, 許曉東, 陳國松. 我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究, 2012(3):1-6.

[3] 白 強. 創新人才培養“特區”實證研究[J].重慶大學學報( 社會科學版),2014,20(2):176-181.

[4] 石永軍, 劉 峰. 機械工程實驗教學中心建設與創新人才培養[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(2): 110-113, 134.

[5] 楊志強. 強化實驗教學示范中心建設 促進創新人才培養[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(12): 130-132, 140.

[6] 潘柏松, 王亞良, 胡 玨. 機械工程CDIO實驗室建設與研究[J]. 實驗室研究與探索, 2012,31(4): 368-370,374.

[7] 王亞良, 張 燁, 陳 勇, 等. 基于CDIO的實驗項目開發與實踐[J].實驗技術與管理, 2010 (2): 119-121.

[8] 朱昌蘭, 歐陽林娟, 鐘 蕾. 培養創新能力為核心的農學類實驗教學體系構建[J]. 實驗室研究與探索, 2013,32(6):124-127.

[9] Crawley E F, Malmqvist J, Ostlund S. Rethinking Engineering Education — The CDIO Approach [M]. NY: Springer, 2007.

[10] Bankel J, Berggren K F, Engstr?m M,etal. Benchmarking engineering curricula with the CDIO syllabus[J]. International Journal of Engineering Education, 2005, 21(1):131-133.

[11] 劉宏升, 劉曉華, 王 正, 等. 精英人才培養模式下創新實踐基地的建設與探索[J]. 實驗技術與管理, 2011,28(10): 156-158.

[12] 顧佩華, 沈民奮, 李升平, 等. 從CDIO 到EIP-CDIO—汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J]. 高等工程教育研究, 2008(1) : 12-20.

[13] 顧學雍. 聯結理論與實踐的CDIO—清華大學創新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究, 2009(1):11-23.

[14] 嚴 薇, 袁云松.加強實驗室開放為培養創新人才提供良好支撐[J].實驗室研究與探索, 2009,28(5):16-17.

[15] 李 慧, 魏紅偉, 尤 文. 依托大學生科技創新實踐基地的自主學習教學方法研究與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2012,31(4):339-344.

Mechanical Experimental Teaching Reform Oriented Cultivation of Innovative Talents

WANGYa-liang,LIANGLi-hua,DONGChen-chen,PANLi,LANXiu-ju
(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The paper analyzes the current status of experimental teaching, elaborates the importance of experimental teaching. Talent education is composed of three elements of knowledge, skills and quality. The practical skills are as the main research object, and it is worth to discuss how to train the students' practical skills. The paper puts forward the experimental teaching system based on fusion of inside and outside the school. The system considers the cultivation of innovative talents as the guidance, and considers the formation of resource integration, mechanism of experimental teaching and research interaction, school and enterprise collaboration. Mechanical engineering CDIO practice base is taken as an example, we carry on the exploration and the practice deeply from the aspects of practice base architecture, practice project implementation steps and operation mode and mechanism, and ensure the smooth implementation of practice skills teaching reform. The results show that the architecture of the practice base is reasonable，and the skill teaching and operation mode reform is feasible. The reform obtains the good effect, and enables students to better grasp the knowledge, skills and qualities of modern engineer.

mechanical engineering； experimental teaching； cultivation of innovative talents

2014-04-03

教育部“卓越工程師教育培養計劃”(研究生層次)機械工程領域(教高廳函[2013]38號)；浙江省實驗室工作研究項目(YB201405); 浙江工業大學校級教學改革項目(JG1310)

王亞良 (1977-)，男，浙江上虞人，碩士，高級實驗師，研究方向：機械電子工程、物流裝備。

Tel.：0571-88320456；E-mail：wangyaliang@zjut.edu.cn

TH 11； G 642.0

A

1006-7167(2015)02-0188-04