新工科背景下拔尖創新人才培養的工程融合式課程體系建設

孫晶 崔巖 王德倫 曹旭陽 吳振宇 劉新

摘 要：為培養機械類拔尖創新人才，基于“新業態”下的產業需求，提出將系統性的創新訓練和工程實踐貫穿于四年教學全過程的課程體系建設思路。以創新能力的提升為主線，以工程能力的實現為內線，定位課程目標，改革授課模式，更新課程內容。重點建設了四類面向新工科的工程融合式典型課程與教學環節，包括行業前沿激發學生志趣類課程、工程實例貫穿知識體系類課程、科創競賽牽引能力培養類課程、創新任務驅動能力達成類課程。

關鍵詞：新工科；拔尖創新人才；課程體系；工程融合

中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）19-0033-04

Abstract： The paper presents curricula construction method that puts innovation training and engineering practical into four-year teaching process in order to cultivate mechanical leading talents based on industrial demand of new formats. The paper focuses on curricula objects， reforms teaching method， renews courses contents under promotion of innovation ability， and realization of engineering ability. Four kinds of engineering syncretic courses oriented to emerging engineering education are main constructed， including industrial topical issues motivating students interests course， engineering cases crossing knowledge system course， technological competitions pulling abilities cultivation course， innovation missions driving abilities realization course.

Keywords： Emerging engineering education； leading talents； curricula； engineering syncretic

一、概述

隨著人工智能、大數據、云計算等前沿科技逐步取得技術性的突破，以智能產業牽引的新一輪科技革命和產業革命蓄勢待發，工程的新業態已初露端倪[1-2]。

世界工程教育發展趨勢顯示：工科人才培養與業態轉型方向以及工業未來的發展趨勢保持高度一致，日趨復雜的工程實景將更緊密地嵌入工程教育過程。與世界工程教育發展趨勢相吻合，我國也適時提出新工科方向和計劃[3]。

現階段，在嘗試構建新工科學科體系時，基于“新業態”下的產業需求，以產業和技術發展的最新成果推動工程教育改革，基于此設計專業新結構與課程體系，完成從學科導向轉向以產業需求為導向的新工科背景下的課程體系設置[4]。

為培養符合新工科要求的機械類拔尖創新人才[5-7]，如圖1所示，對課程體系進行了更新與重構，將系統性的創新訓練和工程實踐貫穿于四年教學全過程，重點突出機械專業的實踐教育環節，體現工程教育的工程主體性。該課程體系以創新能力的提升為主線，以工程能力的實現為內線，定位課程目標，改革授課模式，更新課程內容，引導和鼓勵企業深度參與人才培養過程。

二、工程融合式典型課程建設

為將機械類專業課和實踐環節的內容與工程技術發展更緊密結合，為了提升學生的工程實踐和創新能力，以典型產品貫穿、校-企協同實踐、工程實例引導、創新任務驅動為建設思路，重點建設了四類工程融合式典型課程與教學環節，即工程實例貫穿知識體系類課程、創新任務驅動能力達成類課程、科創競賽牽引能力培養類課程、校企融合協同共建工業級實驗。

（一）行業前沿激發學生志趣類課程

依托遼寧重大制造協同創新中心，以機械工程基本概念、知識體系講授為基礎，以實際工程問題為切入點，建設著眼行業前沿領域，激發學生學習志趣的專業課程，主要建設內容如下：

1. 制定應用型教學方法

重大裝備企業高級工程技術人員以工程融合模式參與教學，實施分組交流與討論的創新授課模式。

2. 搭建創新實踐教學平臺

緊跟重大裝備領域前沿發展趨勢，建設了以智能化制造實踐教學平臺為主的創新實踐教學平臺，拓展了學生工程實踐創新能力培養途徑。

3. 行業前沿問題牽引教學全過程

研究了工程前沿問題切入模式的具體實施方法，重點研究了如何將機械工程基礎設計理論方法與重大裝備創新工程應用相結合，并引導學生自主凝練創新設計項目，激發學生創造力，實現理論與實踐緊密結合。

以《機械創新導論》為例，為提升學生的知識層次，啟迪學生的創新意識，課程采用校內教師和企業專家共同授課。校內教師橫跨設計、制造、機電等多學科，以豐富學生的知識層次。來自大連華銳重工集團股份有限公司的高級工程師具有10年的工程機械設計實踐經驗，以工程實例-翻車機的設計、工程建設、調試等為例，將整個工程機械的設計、工程應用全過程呈現在學生眼前，引導學生用創新理念思考問題，激發學生的創新意識。

該課程構建的“校內校外協同”、“理論實踐協同”的新型教學模式在激發學生對于機械工程知識的學習熱情和興趣方面具有突出作用，對于實現教學內容學以致用，提升學生工程實踐能力具有重要意義。

同時，《機械創新導論》課程作為大一學生的機械工程啟蒙課，強調課程思政和家國情懷教育，邀請企業專家、青年千人參與授課，從個人求學經歷、企業的發展歷程和產品的研發應用，向學生展示了當今中國的發展，對人才培養的重視以及對社會和世界的貢獻，以及青年學生的社會責任。

（二）工程實例貫穿知識體系類課程

新工業環境下要求機械類本科專業基礎課程能系統的、創新的、實踐的引導學生進行完整的機械產品設計。為了讓學生從產品演變與發展歷程、市場需求與定位、功能原理與性能層次等全視角審視產品設計，以典型機械產品為例，綜合應用人文、數學、物理及機械類基礎知識，從介紹產品整機設計與零部件及各個環節的關系開始，遍歷整機運動、控制、結構、試驗等典型零件的正向設計過程，最終達到讓學生掌握并實踐機械產品整機設計方法的教學目的，為學生畢業后承擔機械產品整機設計打下扎實基礎，主要建設內容如下：

1. 工程實例引導

通過對課程內容體系和案例的深入研究與改進，確定具有典型代表意義的產品設計案例，并做好與前序課程內容的分工與銜接。

2. 目標要素驅動

基于工程案例貫穿知識體系這一核心思想，確定了實現系列課程教學目標的三要素：循序漸進的內容體系，恰到好處的具體案例，按部就班的實踐過程。

3. 教學案例分解

將工程案例教學內容分解為市場調研、發展史、功能原理方案、運動方案、電氣控制、整機結構方案、典型零件、整機性能分析與試驗測試等內容，逐項落實到系列課程的相關課程中。

4. 動態素材擴充

建設了教學素材庫，包括產品數據、圖片、視頻/音頻和圖表/圖片/動畫素材等，難易適當，且涵蓋了系列課程的全部內容。

以機械設計系列課程為例，為使學生讓學生從產品演變與發展歷程、市場需求與定位、功能原理與性能層次等全視角審視產品設計，甄選集機構、結構、性能于一身的“散熱翅片沖壓機”作為案例，將其貫穿于機械產品設計系列課程，包括《機械設計I》、《機械設計II》、《機械設計I課程設計/機械設計II課程設計》、《機械設計I實驗/機械設計II實驗》、《機械產品設計》、《機械產品設計實踐》等相關課程，最終達到讓學生掌握并踐行機械產品整機設計方法的教學目的，如圖2所示。

同時，在課程內容建設方面，涵蓋了企業現場實踐、工業產品的設計概論、規劃與市場分析、功能原理設計、運動方案設計、典型零件設計、總體結構與方案設計、性能與試驗設計等方面，實現了完整的工業產品設計過程。

（三）科創競賽牽引能力訓練類課程

以實物為載體設計課程目標，以競賽為牽引達成課程目標，為進一步提升本科生的創新實踐能力，進行了一系列的探索與實踐，主要建設內容如下：

1. 實物目標引導理論課程

在理論課教學中，將實物帶入課堂，邊演示邊講解課程目標任務的各部分內容，并引申出本節課程的知識點，再對知識點進行詳細分析和推導講解，使理論內容和工程實踐問題緊密銜接。這種實物走入理論課堂的方式，有效提升了學生的理論課學習效果，激發了學生的創新和實踐能力。

2. 實踐環節促進知識應用

理論教學內容抽象難以理解，除將實物引入理論教學，設計了與理論課程配套的實踐課作為其后續環節。實踐課內容涵蓋了機械設計、機械制造、機械電子等關鍵技術。通過多學科的知識融合，旨在前序理論課學習基礎之上，鍛煉學生的動手實踐能力與系統設計開發能力。

3. 科創競賽牽引目標達成

基于上述理論課和實踐課環節，夯實了學生的理論基礎，強化了學生的實踐能力，更激發了學生參與創新項目的興趣，提升了他們的工程實踐能力。為檢驗課程目標的達成，以省、國家級科技競賽為牽引，積極組織學生參加大賽。在參賽過程中，實現了課程目標的達成。

在新經濟環境下，產業正在快速融合，需要構建課內學習和課外實踐相結合的體系。以《機電實踐基礎》課程為例，為進一步提升本科生的創新實踐能力，對相關的創新課程進行了一系列的探索與實踐。在理論教學的基礎上，強化實踐過程，以實物作品設計-智能車為課程任務，模塊化分解設計為目標，在課程中增加了對學生動手參與的機械設計部分，將機電一體化貫穿到對學生的創新和實踐能力培養中。依托這門課程，學生們獲得了一系列的國家級科技競賽大獎。

以起重模塊課程為例，重點建設了該起重機械方向的專業實驗，提出了面向典型重大裝備結構載荷及受力特點的實驗教學模式。該模式以典型的重大裝備-龍門起重機的結構應力測試為載體，用實驗方法研究起重機械結構的載荷及受力特點，培養學生解決起重機械工程實際問題的能力，引導學生從結構、傳動和控制多方面系統地掌握起重機械性能、操縱方法、作業安全等因素相互作用原理。

學生在該專業方向課程及其實驗模塊的學習過程中，以課程學習為基礎，以專業方向實驗為實踐平臺，從大二開始參加起重機創意設計領域的校賽、國賽，從參賽準備到正式參賽，持續三個學期，貫穿專業基礎課、專業課及專業方向實驗的學習過程。

（四）創新任務驅動目標達成類課程

針對傳統的理論教學與實踐相脫節、兩層皮問題，以教師為主導的被動式知識灌輸教學模式改變為以發揮學生主觀能動性為主導的引導式教學模式，實現了實踐應用驅動的教學效果。同時，緊密結合遼寧區域裝備制造業的特點，緊跟裝備制造業前沿技術，在借鑒了國內外創新設計人才的成功培養模式的基礎上，建設了創新任務驅動目標達成類專業課程，主要建設內容如下：

1. 主動引導式教學模式

以重大裝備實際工程問題為切入點，將被動式知識灌輸模式改變為重大裝備創新任務主動引導模式，將以教師授課為主的方式改變為以學生任務小組探索交流協同學習為主的授課模式。

2. 建設多元化教學團隊

針對多學科創新人才的培養目標，建立以多名跨學科高校教師和企業實踐導師協同教學的多元化教學團隊。

3. 拓展多元化教學場地

將以理論知識學習為主的課堂教學改變為以實踐應用為目的課堂-實驗室-企業相結合的多場地教學方式。

4. 構建創新設計任務庫

緊跟重大裝備領域的最新發展趨勢，由跨學科教師和企業導師共同建立可擴展的重大裝備創新設計子任務庫，實現與重大裝備前沿技術的實時緊密結合。

以《重大裝備關鍵系統創新設計理論與實踐》為例，如圖3所示，該課程以重大裝備實際工程問題為切入點，將被動式知識灌輸模式改變為重大裝備創新任務主動引導模式，以教師授課為主的方式改變為以學生任務小組探索交流協同學習為主的授課模式。同時，緊跟重大裝備領域發展趨勢，建立可擴展的重大裝備創新設計子任務庫，實現以最前沿創新設計任務為引導的教學模式。

該課程針對學生參與創新設計任務的所有階段進行全過程考核和評價，教學團隊由5名校內教師和2名企業工程師組成，由創新任務驅動整個教學過程，采用了以實踐應用為目的“課堂理論講授+任務分組討論+多學科交叉實驗平臺+企業現場實踐創新”的多元教學方式，主要教學環節包括任務分組討論、物理與仿真實驗、研究報告撰寫、企業創新實踐、校企聯合答辯等環節。

（1）任務分組討論環節

根據各子任務目標和內容，以創新小組為單位，通過頭腦風暴、教師引導學生主導的方式進行分組交流討論，同時聘請企業專家參與創新方案的制定和交流，掌握利用創新思維、創新理論進行創新方案設計的過程。

（2）物理與仿真實驗環節

依托遼寧重裝備制造協同創新中心、國家級實驗教學示范中心“工程訓練中心”和“機械工程實驗中心”，搭建了以重大裝備創新設計為目標的多學科交叉實驗平臺，包括以航空發動機低壓渦輪試驗件為研究對象的螺栓緊固實驗、白車身桿件結構縮尺模型3D打印實驗、四旋翼無人機葉片提升力實驗等。

（3）企業創新實踐

為了讓學生更好的將理論層面的創新任務與重大裝備工程實際緊密結合，改變傳統的理論教學與實踐相脫節的現象，該授課小組依托遼寧重大裝備制造協同創新中心，在北重集團進行了課內實踐環節，將課堂轉移到企業現場。

（4）校企聯合答辯環節

答辯過程中邀請重大裝備協同企業專家與高校教師組成多學科、多領域答辯專家組，對學生組成的各支創新任務小組進行全面考核。

三、結束語

不論是世界工程教育發展還是中國“新工科”建設，從理念到行動，都在醞釀著新一輪的變革，由于工程教育環境的巨大變化，培養模式及模式下的課程體系轉型迫在眉睫[3]。

為提高學生的創新能力和工程實踐能力，充分利用和發揮企業資源與優勢，將校企合作實質化，以創新能力和工程實踐能力為人才培養需求，探索并實踐了以貫穿四年的工程能力和創新能力提升為目標的、創新型工程拔尖人才培養模式下的課程體系構建，并有針對性的建設了系列典型課程，取得了一定的人才培養成效。

參考文獻：

[1]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]葉民.新工科：從理念到行動[J].高等工程教育研究，2018（1）：1-9.

[4]葉民，錢輝.新業態之新與新工科之新[J].高等工程教育研究，2017（4）：5-9.

[5]張大良.完善具有中國特色的拔尖創新人才培養機制——在拔尖人才培養工作研討會上的致辭[J].中國大學教學，2017（6）：4-5.

[6]吳愛華，侯永峰，陳精鋒，等.深入實施“拔尖計劃”探索拔尖創新人才培養機制[J].中國大學教學，2014（3）：76-80.

[7]吳濤，劉楠，孫凱.“新工科”視域下工程人才關鍵能力的思考[J].黑龍江高教研究，2018（3）：156-160.