基于逆向思維的材料類工程性創新人才培養模式探索

陳永楠+陳華鑫+王振軍+徐義庫+盛燕萍

[摘 要]根據材料類及近材料類專業創新人才培養的國內外發展現狀可知，加強大學生逆向思維的培養具有其必要性。長安大學材料學科結合本科培養特點提出了構建基于逆向思維工程的教學模式的框架結構。該體系將教學實踐環節和理論環節設置順序調換， 采用逆向、反復實踐—思考—實踐這種遞進式學習方法，通過本科實驗教學中心調控，建立從實踐到認知、從驗證到創新的實踐教學內容。同時，其也為探索新形勢下本科人才實踐創新能力培養提供了理論依據。

[關鍵詞]拔尖創新；實踐教學；多層遞進教學；教學改革

[中圖分類號] TG44 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0125-03

一個國家在國際上的競爭水平與其工業化程度都直接且極大地受到工業創新科技人才的數量和質量的影響，競相招募工程科技人才，是世界各國應對新一輪國際競爭的一種有效手段，為此，一系列國家戰略和應對政策紛紛出臺。著力發展工程前沿科技，提高創新能力，是一些發達國家如美國、日本等為搶占未來國際間發展制高點而采用的先導性戰略。這些國家在工程教育教學以及創新型人才培養方面，都把強化教育的工程性與創新性相結合這一點作為重要的改革目標。這要求高校要將工程科學與技術的教授作為工程教育的主要內容，使學生自身的知識生產功能在發展過程中穩步提高，從而成為國家科技健康可持續發展的必要基礎和動力。學校需要教授學生前沿的科學知識，培養出符合社會企業需求的高素質創新型人才。若要在理工科高等院校工程教育中實現創新，就必須要以工程性為基礎，既重視能解決實際生產問題的實踐，又要求在實踐中培養學生的創新能力。針對理工科類高等院校，特別是機械、材料類專業學生，采用與探索逆向工程培養模式，開展針對學生能力培養的創新性工程教學，在當下顯得更加重要。綜上，進行培養方法和方式的改革，促使學生在學習上投入更多的興趣和熱情，是目前在高等教育課題中尤為重要的課題之一。

一、逆向工程思維

逆向工程思維（Reverse Engineering），簡稱RE，是使用現有的條件與產品，通過數字化測量儀器分析測量樣品得到大概輪廓數據，再使用輪廓數據進行模型重構的一種倒裝式思考方式。所謂逆向工程思維是以逆向工程技術為基礎的思考方式，換句話說是從逆向工程的角度來思考問題的一種思維方式。這是一種與傳統的正向設計思路完全相反的方式。其是以設計目標作為思考的出發點，一步步拆分和還原設計目標，將目標的優先級與層次理清，將我們的設計目標分解還原為最初始的單個要素，而后再以單個要素的分級層次為基礎去修改與再設計的一種創新倒裝思維。為了讓學生適應開發產品和思維創新的方式，以培養具有先進知識、優良技能和高素質的創新型人才為基本目標，將實踐能力和創新能力互相結合這一理念貫穿于整個培養過程當中，在整個教學體系上進行改革，以提高學生工程創新能力和實踐能力為目的，形成教學運行新模式。

二、教學創新與學生能力的培養措施

目前我國的高等教育強調以“傳道、授業、解惑”為理念。“傳道”是第一位的，就材料類專業課程，如模具設計與制造、材料加工原料等課程來說，就是教師教授給學生一個模具的具體制作流程，然后學生按照教師教授的次序流程去把它還原出來。這個過程看似是很簡單且流暢，沒有任何疑問，但是經過細心考究，會發現學生在這個過程中就像是一臺只會被動接受的機器，沒有思維，也缺少去發現與解決問題的動力，這違背了高等教育的宗旨。所以在這些概念性較強的專業課程中，應該強調“解惑”的重要性而非一味的“傳道”，讓學生發現問題并解決問題。而教師只是學生在這個過程中的一個指南針，在他迷失方向時為他指明前行的道路。目前，國外許多名校的工科專業針對 RE 開展了適應教學模式，這些學校在本科教育培養目標上明確學生要掌握逆向制造模型和快速制造能力，只要可以實現實物模型的再現即可，對學生在綜合各方面知識的基礎上進行產品創新的能力培養反而要求不高。而以原產品為基礎進行再一次設計、分析、提高從而實現產品創新設計，才是逆向工程的真正意義所在。在實踐課程完成后，教師要求每個學生掌握產品數據收集、逆向造型和快速制造能力，且實現實物模型的再現。在此基礎上，對于綜合能力強的學生，要鼓勵他們發散思維，進行創新設計。

三、改革與創新

逆向工程思維對于材料類專業學生培養，特別是成型專業學生的培養來說非常重要，其培養模式具有很強的實踐性、應用性、綜合性。傳統的培養模式是首先要求學生在大腦中構思好設計目標的形貌、性能和大概的生產參數等要素，然后通過細致的設計與分析以完成各類數據的模型，例如動態三維立體模型等，最終將這個模型投入到接下來的生產活動中，并完成項目的整個設計與研發周期。我們將這樣的設計過程稱之為正向設計過程。而逆向工程課程學習和設計恰恰相反，它是一個從產品到設計的過程。換而言之，逆向工程思維就是根據現在已有的現象，反向來推出需要完成的項目數據的過程。特別是在科技日新月異的今天，它對于學生后續課程的學習和將來的工作都有巨大的現實意義。作者結合長安大學交通行業特色，針對材料及近材料類專業，采用逆向工程思維模式，構建以實用性內容為主的、培養學生工程應用能力的培養方案，將能力要素與知識點結合每個教學環節中，培養學生科學的思維方式，建立理論聯系實際工程理論的理念，培養較強的探索、發現、反思的能力。該方案體現在課程的創新性設計和實驗課程安排等多方面（如圖1所示）。

（一）培養方案的構思

培養方案的設定和實施是保障學生學習效果的重要步驟。長安材料科學與工程學院是近年來發展起來的，材料學院以突出實踐創新能力為培養目標。逆向工程思維首先構架適合本學院特點的課程體系。學院教學以理論夠用為度，強調的是逆向思維模式下學生的實踐工作及由此形成的創新能力。這種狀況下實踐課程和理論課程的比例和開設時間對教學效果影響極大。為了實現以培養工程技術人員為目的、以創新能力為本的應用型人才的培養目標，學院在專業基礎課及專業課程中設置了10%～20%的實踐環節，并在5至6學期進行綜合實驗，通過項目制度，來評估學生的實踐創新能力。endprint

（二）課程大綱設計、教材的選取及創新設計

開設逆向工程思維課程，一體化的課程內容體系包含主團隊設計項目和子團隊設計項目。主項目主要是課程教學和整體演示性教學，貫穿于課程的整個教學階段，通常為一個完整的項目或者產品，其中包含了課程的核心知識點和能力要求。針對每個項目或產品，每個組件分解為多個子項目。子項目以單項操作為基礎，該項目的目的是加深和加強學生對課程內容的理解和應用，是基于單一操作和課程教學過程的需要。在此基礎上，學院制定了材料成型與材料科學上特色的教學大綱，這有力體現了我院對培養創新型實際人才的目標和因材施教的原則。

在教材的選擇和應用方面，教師在授課時會設定主教材一部，參考教材多部，實驗指導教材一部。經過4年的努力，目前實驗指導教材已經實現全面覆蓋，學校自編著教材已經覆蓋課程的30%。

（三）教學模式與方法

課堂教學以理論教學和實踐操作教學相結合，是項目和案例相輔相成的綜合教學方法，本文著重強調學生的自主探索和參與。教學應以實例教學為主，在每章的開頭給出一個具有代表性的例子，使學生在剛開始就對學習目標有一個比較全面的了解。在知道和了解所學習知識的用途之后再以實例為主介紹相關的知識。構建以項目設計為目標的教育方式，培養學生實踐創新能力，引導學生去主動學習獨立思考。使得學生在項目設計過程中發揮出足夠的學習能力、綜合應用能力，還要提高學生團隊合作精神和基礎項目管理能力。創建出可以一邊跟著教師的思路學習一邊可以自我實踐、滿足每個學生不同個性需求的因材施教的培養方法。在運用計算機網絡的前提下，要以學生本人需求為中心，向學生提供獨立自主使用逆向思維建模的學習環境，以此來提高學生在工程技術上的實踐創新能力。

此外，由于專業課程研究的對象主要是針對材料、機械以及力學等，特別是復雜幾何產品的測量和建模，使用多媒體和上機聯合教學，這種教學內容需要生動直觀的教學方法，否則，學生很難建立逆向工程理論與體系的基礎知識。許多復雜模型是無法在課堂上畫出的，所以使用多媒體課件在一定程度上能讓學生有一些基本的視覺感知理論。課程教學應當盡可能地采用小班化教學，只有這樣才能滿足學生動手實驗的需要，并且需要確保學生每人有一臺電腦在獨立的教學機房中進行授課，這使學生在教師介紹完基礎理論課程之后，可以自己獨立地逐步完成某些相關軟件功能的操作，理論結合實踐，這樣可以使學生盡快建立對相關內容的直觀理解，加強對內容的理解。

（四）實踐教學設計

以往材料學方面上的實驗中只是簡單地運用課程知識，以驗證為目的，缺乏自主創新。為了提高學生在新產品開發上的創新能力，構建新型的實踐創新教育培養體系，以及該體系下的實驗項目成果的評價要素、評價方式和運作機制等，突顯出與設計項目密切相關的交叉學科的跨領域交流合作。實踐教學環節除了在課程中體現以外，還特別設置了綜合性試驗。在注重基礎的同時，強調創新能力，討論啟發式教學，引導學生從選料、設計到制備一體化進行操作，這是實踐教學的主體。鼓勵學生對一個實際應用案例進行分析，大量搜集各種相關資料，將其消化并理解，提出多種成熟的方案，進行創新設計，在實驗中提出自己的觀點，一起討論、相互啟發。教師點評其優劣，并將學生在實驗中處理的問題及表現作為評定其成果的重要依據。理論與實際相結合是創新的根本，是當代大學生需要具備的重要素質。以逆向工程思維為基礎的實踐創新能力培養，應該多以生產生活為起點，像是我國的一些主要產品如汽車、電腦等，目的是通過生活中隨處可見的產品幫助學生加深對教學內容中理論的理解；以此為基礎，使學生能夠獨立地進行實驗測量儀器的獨立操作，并且熟知實驗數據的基本處理分析方式。整個過程都是以培養學生的實踐動手能力、創新思維能力和團隊協作能力為主要目的的。

（五）課程總結

在課程結束后，在課下讓學生運用所學的逆向工程思維方式，以設計項目的形式完成綜合實驗來對學生進行考核，不同的組完成不同的項目。以模具設計類課程為例，可采用分配任務制度，讓學生分組完成產品數據測量、 CAD 制圖設計及快速形成模型等工作。在這種綜合實驗過程中提高他們分工互相幫助的意識，體現了對逆向工程思維方式運用的效果。

四、結語

我院以逆向工程教育為目的，對教育體系進行了改革，構建了學生為中心，以提高實踐創新能力培養為目的，以高等教育教學方法為基礎，以課堂教學與網絡教學相結合為方式的學習環境。通過逆向工程思維的培養模式，側面提高了學生動手操作能力和創新實踐能力。在經過這個新的教育體系培養后，學生在學習過程中，主動去探索、發現、反思的能力大大提高，而且也對于相關理論知識爛熟于心，達到一箭雙雕的目的，這必將對學生以后的成長起到不可忽視的積極作用。

1.教學模式方面：構建了一體化教學模式。由于傳統教育手段過于單一且缺乏互動性，本課程基于局域網，以現有機房為基礎，運用軟件技術組建網絡教室，大大改善了當前教育培養模式，實現了實踐與理論相結合且通過網絡表現的一體化教學。同時形成了以學生為中心的實踐創新能力培養的教學模式，突出提高了學生的創新實踐能力以及提高學生的學習興趣。

2.教學內容方面：注重系統性與實踐性。以當前國際間的前沿科技為出發點，確保教學的系統性、實踐性、創新性，以逆向工程思維為著眼點，注重學習新式測量設備的操作方法、數據處理軟件的操作方法、逆向建模軟件的操作方法和快速成型設備的操作方法。讓學生全面掌握逆向工程思維的思考方式，以及整個流程所需知識，充分利用實驗測量設備與相關條件，著重于對學生工程實踐創新能力的培養。

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[責任編輯：劉鳳華]endprint