機械工程專業應用型人才培養模式改革與實踐

黃 民， 米 潔， 王紅軍， 李啟光

(北京信息科技大學 機電工程學院，北京100192)

0 引 言

北京信息科技大學是由原北京機械工業學院和北京信息工程學院合并組成的北京市屬高校，機械設計制造及其自動化專業是學校最早設置的專業之一，具有長期的辦學歷史和經驗。多年來立足服務首都經濟社會發展，面向先進制造領域、面向企業生產一線，以社會需求為導向，以能力培育為重點，以工程技術為主線，注重知識、能力、素質全面協調發展，注重為學生搭建發展平臺，在課程體系、實踐教學體系、教學模式和方法、學生課外科技創新及競賽等方面進行改革和探索，努力培養具備卓越工程師素質和技能，既懂專業理論知識，又有較強的工程實踐能力和創新能力、可持續發展的應用型高級工程技術人才。逐步形成“機、電、計算機及信息技術有機融合，突出應用型人才的工程實踐和創新能力培養”的專業特色，2009 年評為北京市特色專業［1］。

1 以“大工程理念”為引領，建立多層次、全過程、全方位的實踐教學體系

圍繞學校“立足北京、服務首都，面向生產一線，培養高素質應用型工程技術人才”的目標定位，以“大工程理念”為引領，改革傳統實踐教學和工程教育，廣開資源、延伸時空、拓展內涵，構建了“一條主線、三個層次、五個平臺”的實踐教學體系，為培養和提升學生的工程實踐與創新能力創建了一個全過程、全方位的培養環境。廣開資源是指充分開發和利用學校和社會的各種實踐教學資源，包括了校內的北京市機械工程實驗教學示范中心、機械工程學科科研基地、校外的人才培養基地、科研合作企業、國內國外合作辦學院校等;延伸時空是指科學延伸實踐教學的時間和空間，包括開放性實驗、第二課堂、科技創新、學科競賽、科學研究等課外實踐活動;拓展內涵是指機、電、計算機、信息、管理等專業知識有機融合，注重學生工程實踐和創新能力的培養，樹立嚴謹的科學態度和團隊協作精神［2-3］。

①一條主線:以工程實踐和創新能力培養為主線。②三個層次:將能力培養分為工程基礎能力、專業技能與工程實踐能力、科技創新能力三個層次。③五個訓練平臺:工程基本技能訓練、專業基礎訓練、專業綜合訓練、企業工程實踐訓練、科技創新訓練五個實踐訓練平臺。如圖1 所示。④全過程:是指實踐創新教育在人才培養全周期的延伸和覆蓋，指學生從入校開始就進入相關的實踐訓練項目，從大一到大四不間斷地進行實踐創新能力訓練。⑤全方位:硬件方面廣開資源、軟件方面形成了學生、教師、教學管理人員、學生工作人員、企業工程師多主體共同參與，學校、企業、社會聯合培養學生實踐創新能力的聯動機制。

圖1 “一條主線、三個層次、五個平臺”實踐教學體系

2 以實踐創新能力培養為主線、重構面向應用型人才培養的課程體系和培養方案

以培養學生具備“完整的知識結構、全面的工程師素質、較強的工程實踐與創新能力、自主學習和終身學習能力”為根本宗旨，以社會需求為導向，以大工程理念為引領，以知識傳授為基礎，以能力培育為重點、以工程技術為主線，以提高工程實踐和動手能力、創新意識、團隊合作精神為核心，以激發學生興趣為切入點，重構面向應用型人才培養的課程體系和培養方案。

2.1 整合系列課程，優化課程體系結構

對課程體系進行模塊化劃分，分模塊進行管理和建設，共分工程制圖、工程材料與力學、機械設計技術基礎、機械制造技術基礎、測控技術與儀器基礎、現代設計理論方法及應用、制造裝備設計與制造、機械傳動與控制8 個課程群模塊。進而對各模塊中的系列課程進行了優化整合，注意專業知識的整體性和關聯性，明確課程之間的分工和銜接，避免交叉重復，凝練課程及課程內容，以有限的課程及學時滿足日益增長的專業知識需求［4］。

將原來的“計算機輔助設計”和“有限元分析”整合為“計算機輔助設計及分析”，將“機械系統設計學”與“機電一體化技術”整合為“機電系統設計與分析”，將“優化設計”與“可靠性與產品壽命預測”整合為“現代設計方法”，上述3 門課程輔以“產品建模與仿真分析”、“機械創新設計”，共同構成“現代設計理論方法及應用”課程群模塊。將“生產過程信息化技術”并入“制造裝備及自動化”，輔以“數控技術”、“數控編程”、“先進制造技術”等課程構成“制造裝備設計與制造”課程群模塊。將原來的“計算機控制技術”、“可編程控制器及應用”整合成“計算機控制技術及應用”，輔以“機電傳動與控制”、“液壓傳動與控制”、“單片機應用技術”等課程構成“機械傳動與控制”課程群模塊。將原“測試技術”改成“測試技術與試驗方法”，優化充實課程內容，增加課程總學時及實驗學時，與“機械控制工程”、“傳感器及調理電路”、“虛擬儀器技術”等課程構成“測控技術與儀器基礎”課程群模塊。同時，為加強學生專業知識的綜合應用能力，開設融合多門課程知識與內容的綜合課程設計，包括設計綜合課程設計、制造綜合課程設計、機電綜合課程設計，每個為期兩周，如圖2 所示［5-6］。

圖2 新舊培養方案中相關專業課程和實踐環節設置對比分析及其與工程實踐能力培養匹配示意圖

此外，為了培養和提高大學生的綜合素質和實踐創新能力，在培養方案中増設了兩類課程，一類是寫作課，包括“調研報告和公文寫作”、“學術報告與科研論文寫作”，包含主題調研和訪問、討論與辯論、陳述與講演、閱讀和寫作等多種授課形式及內容。另一類是自主實踐類選修課，可通過參加開放性實驗、科技創新和學科競賽獲得相應學分，也可以通過自選課題或參與教師的科研項目開展科學研究，完成課題調研、設計、實驗、論證、撰寫研究報告后，獲得該學分。如圖2所示。美國高校機械類專業也很重視學生人文素質和創新能力的培養，常設有上述兩類課程［7］。

2.2 加強實踐教學，促進理論與實踐教學有機融合

加大實踐教學的比重，加強理論與實踐教學的聯系。原培養方案采用傳統結構，理論課程與獨立實踐環節分設為兩大模塊，其缺點是二者之間的對應性不明確、聯系不緊密。為了克服不足，密切理論教學與實踐教學的有機聯系，在培養方案的體系構架上進行了改革，將課程按照綜合(通識)、基礎和專業三個層次進行分類，每個層次設置相應的理論課以及與之配套的實踐教學環節，使實踐教學與理論教學融為一體，進一步密切了理論知識傳授與實踐能力培養之間的聯系。

在課程設置上，一方面增設綜合性課程設計等綜合性獨立實踐環節，另一方面設置自主實踐類選修課，形成必修與選修互補的實踐教學課程體系。自主實踐類選修課包括開放性實驗、學科競賽、科技創新、大學生科研訓練計劃、本科生科學研究等，構成了激發學生學習興趣、鼓勵學生個性發展、培養學生實踐能力和創新意識、豐富多彩的課外實踐創新訓練平臺［8］。

在學時分配上，提高課內實驗和獨立實踐環節的學時比例。針對實踐性較強的專業課，如計算機輔助設計及分析、產品建模與仿真分析、單片機應用技術、計算機控制技術及應用等10 余門課程，大幅增加實驗學時，使理論學時與實驗學時之比達到或接近1 ∶1，如圖2 所示。

2.3 實踐教學不斷線，將工程實踐與創新能力培養貫穿于人才培養的全周期

實施“專業教學早進入、工程實踐早進入、科技創新早進入”。將專業教育和工程實踐向低年級延伸，在大一開設專業導論課、工程認知實習和實踐，增加學生的專業認知、學習興趣和動力;將創新訓練向低年級延伸，吸引一、二年級同學參加科技創新及學科競賽;將畢業設計選題提前，結合科研項目的選題提前到第7 學期初，與科技創新及競賽相結合的選題則提前到大三甚至大二啟動，形成工程設計過程的長效機制，可盡早培養和鍛煉學生綜合運用專業知識的能力、激發其對新課程、新知識學習的興趣和目的性，提高了畢業設計質量。重構的培養方案實現了工程實踐與創新能力培養四年不斷線、學做結合的系統化全周期訓練［8］。

3 突出工程應用，深化實踐教學內涵建設及方法改革

3.1 以工程應用為導向，加強實踐環節的工程化建設

不斷強化實踐教學項目的工程性、實用性和綜合性。邀請企業人員共同設計開發和更新實驗教學內容，強化綜合課程設計的工程應用背景，追求貼近工程實際的模擬實驗系統和實踐教學環境，使學生能在接近真實的環境下進行實踐與創新活動，切實提高學生的工程實踐能力［9-10］。

3.2 以實踐動手能力培養為核心，開展實物型、競賽型以及團隊形式的畢業設計

在選題上，強調實踐性和工程性，鼓勵選題與課外科技創新及競賽活動、與教師的科研項目相結合，大多數選題均來源于工程實際。在設計內容及成果形式上，力求設計內容具體、貼近工程實際，提倡小而精，鼓勵自主設計、大膽創新;鼓勵實物型畢業設計，每年約20%的學生在專項資金資助下開展實物型畢業設計。在組織形式上，探索跨專業團隊形式的綜合畢業設計、與課外科技創新及競賽相結合形式的畢業設計，團隊學生既明確分工又密切合作，教師聯合指導，發揮各自專業特長，拓展了學生的視野，培養了團隊協作和組織溝通能力［11-12］。

3.3 以創新能力培養為宗旨，廣泛開展學生科技創新活動，形成長效機制

建立激勵大學生參加科技創新的長效機制，如定期組織科技講座、設立每周一次的教授教師接待日、制定“創新實踐學分”激勵政策和科技創新活動年度獎勵制度、設立專項經費支持大學生開展科技創新及競賽、支持教師開設開放性實驗等，搭建起創新實踐平臺，營造了創新氛圍。通過創新教育制度化、常態化，使創新成為大學生的日常行為和思維習慣，提升了學生的創新意識和創新能力。目前，校內設有機械創新設計、機器人應用技術創新設計、汽車應用技術創新設計、三維數字化創新設計等學科競賽，并定期參加RoboCup 機器人世界杯、首都高校機械創新設計大賽、全國三維數字化創新設計大賽等［13］。本專業六成以上的學生參加過課外科技創新競賽活動，實踐創新能力顯著提升，榮獲包括3 屆RoboCup 中型組足球機器人世界冠軍在內的多項大獎，成績突出，受到社會和教育界同行的廣泛關注，中央電視臺、光明日報、北京晚報等多家媒體進行了直播、采訪和深度報道。

充分利用實驗教學資源和政策條件，創建了機械創新設計、機器人應用技術、汽車應用技術、三維數字化創新設計等大學生實踐創新基地，組建跨專業、跨學院常設大學生科技創新團隊6 支，如:機器人足球隊(Water 隊)、節能車團隊(捷能車隊)、無人機團隊均有幾十名隊員，他們來自多個學院，科技創新增進了不同專業師生之間的交流合作，培養了學生的團隊協作精神。

3.4 以激發興趣為切入點，探索學生自主學習、主動實踐的有效培養途徑

以“激發學生學習興趣，調動學生自主學習和主動實踐的積極性，鼓勵學生全面發展和個性發展”為宗旨，秉持育人與育才并重，培養學生的主體意識、創新意識和團隊協作精神，形成了激發學生興趣，引導學生主動實踐、自主學習的實踐教學模式。

遵循“學以致用、鼓勵實踐、由易到難”的原則，開放優質實踐教學資源，以項目任務為牽引，激發、調動學生的興趣和求知欲，引導學生主動實踐、自主學習。支持優勢特色的科技創新項目和團隊可持續發展，激勵學生實踐創新的主觀能動性，探索并形成了主動實踐、自主管理、角色管理、朋輩學習的自主式學習實踐和團隊協作機制。

3.5 以科研促教學，注重科研成果向實踐教學內容的有效轉化

充分利用我校在機械工程學科及科研方面的優勢，將機械工程北京市重點建設學科、機械電子工程北京市重點學科、現代測控技術教育部重點實驗室、機電系統測控北京市重點實驗室等學科科研基地的建設與本專業及實驗室的建設密切結合起來。通過優質資源共享和開發利用，充實本科生實踐教學，為本科生的課程實驗、課程設計、畢業設計、課外科技創新競賽提供更加豐富、優越的設備資源和實驗條件。注重科研成果向實驗教學內容的有效轉化，自主研發實驗教學設備30 余種，提高了本科實驗教學設備水平和實驗教學質量。

堅持產學研結合，充實實踐教學。同北京京城機電控股有限公司、北京京儀集團等多家企業建立了穩定的科研合作關系，部分畢業設計選題源自與企業的合作項目，學生參與到企業產品的技術改造升級、新產品研制中。真刀真槍的工程鍛煉，大幅提高了學生的工程應用能力和創新能力，有效地縮短了就業適應期，提高了就業競爭力。

3.6 廣開資源，加強校外人才培養基地建設

廣開社會和企業資源，加強校外人才培養基地建設，已建成了京城機電控股、長春一汽、北汽福田等10余個穩定的校外人才培養基地，其中京城控機電控股為北京市級校外人才培養基地。組建成立了機械類專業企業界顧問委員會，聘請了首都機械行業知名企業及科研院所的12 位專家，每年定期召開會議，加強學校與企業界用人單位之間的聯系，一方面邀請企業界專家參與指導學校人才培養方案的制定、校內實踐基地建設、實踐教學環節的設計等;另一方面派送我校的學生和教師去這些企業進行工程實踐及培訓，提高實踐動手能力及工程應用能力。通過這一平臺使我校機械類專業應用型人才培養更好地適應和滿足首都企業界未來工作崗位的客觀需求［14］。

4 加強機械基礎課程群的建設與教學改革，夯實專業基礎、打造精品課程

機械基礎課程群主要包括工程制圖、工程材料與力學、機械設計技術基礎、機械制造技術基礎等課程模塊，是機械設計制造及其自動化專業的基石，因此著力開展機械基礎課程群的建設和教學改革，對于保證人才培養質量至關重要。通過不斷建設，“機械原理”、“工程制圖”、“機械制造技術基礎”先后被評為北京市精品課程，課程負責人均被評為北京市教學名師，機械設計、工程圖學教學團隊分別于被評為北京市優秀教學團隊。建立了精品課程網站，構建了系統完整的機械基礎課實踐教學體系，通過認知實踐、拆裝測繪實踐、課程實驗、開放性實驗、課程設計、綜合課程設計、課外科技創新活動等多層次、系統化的培養和訓練，夯實專業基礎、培養提高學生的基本技能和創新意識。同時，注重基礎課教材建設，先后出版基礎課教材及參考書40 余部，其中《機械設計基礎》、《工程制圖》、《機械制造技術基礎》、《機械制圖與計算機繪圖》被評為北京市精品教材，多部教材入選國家規劃教材，部分教材被中國農業大學、蘇州大學等30 多所高校采用。精品課程的建設與改革對本專業其他課程的建設起到了良好的示范和引領作用［15］。

5 結 語

綜上所述，我校在機械設計制造及其自動化特色專業建設、應用型人才工程實踐和創新能力培養方面取得了一些成效和經驗。基于大工程理念，以實踐創新能力培養為主線，重構了面向應用型人才培養的課程體系和培養方案，構建了面向應用型人才培養功能集約、資源共享、開放充分的實踐教學系統;以工程應用為導向，深化實踐教學內涵建設及方法改革，注重理論教學與實踐教學的有機融合，革新畢業設計模式，加強校外人才培養基地建設;以激發興趣為切入點，探索學生自主學習實踐的有效培養途徑，大力開展學生課外科技創新及競賽活動;延伸了實踐創新教育的時間和空間，使應用型人才培養在辦學的外延和內涵建設中得到全面落實，特色專業建設成效顯著，學生的工程實踐和創新能力大幅提升。

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