新疆高校機械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)研究

萬曉靜， 孫文磊

(新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院,烏魯木齊 830047)

0 引 言

新時代背景下，增強學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)與企業(yè)需求的無縫對接，是我國建設(shè)創(chuàng)新型高校、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的迫切需要[1]。機械類課程內(nèi)容覆蓋面廣、相互關(guān)聯(lián)性強、學(xué)習(xí)難度大，尤其是實踐性和應(yīng)用型較強。然而，需要依靠成本高、消耗高的實體設(shè)備，有時甚至涉及高危或極端環(huán)境的機械專業(yè)實驗教學(xué)模式，極大地制約了學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)領(lǐng)域的使用也越加廣泛[2]，這使得傳統(tǒng)的機械專業(yè)課程教學(xué)模式也出現(xiàn)了新的變化。

近年來,國家加緊推進(jìn)實施“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，新疆是該戰(zhàn)略的優(yōu)先推動區(qū)域和橋頭堡[3]，這為新疆高等教育的發(fā)展提供了重要機遇。新疆地區(qū)作為新絲綢之路經(jīng)濟帶建設(shè)的核心區(qū)，對機械類專業(yè)人才的需求也日益增大。本文根據(jù)社會對機械專業(yè)人才的需求，結(jié)合新疆民漢一體化教學(xué)改革形勢下人才培養(yǎng)特點[4]，闡述了基于虛擬仿真教學(xué)平臺的機械專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，這對學(xué)生的個人就業(yè)甚至未來發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1 新疆高校機械專業(yè)人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀

機械專業(yè)是各工科院校普遍存在的傳統(tǒng)專業(yè)，實踐性較強是機械類專業(yè)課程最顯著的特征。在教學(xué)過程中不僅涉及到一些基礎(chǔ)理論性知識，還需要進(jìn)行實踐性教學(xué)，將理論與實踐整合起來，整體提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。傳統(tǒng)教學(xué)模式重理論講解，輕實際操作，理論脫離實際，產(chǎn)學(xué)脫節(jié)，學(xué)生難于理解，很多機械專業(yè)學(xué)生遇到困難后容易產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性低，培養(yǎng)質(zhì)量難以滿足用人企業(yè)的要求。

當(dāng)前，新疆高校機械專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的主要問題：

(1) 新疆高校生源基礎(chǔ)薄弱,差異較大。由于新疆各個高校的大學(xué)生民族成分復(fù)雜，特別是少數(shù)民族大學(xué)生大多生活在邊遠(yuǎn)地區(qū),信息不暢,交流不便,接受新事物不及時,他們是一個比較特殊的群體，由于基礎(chǔ)薄弱，在缺乏相關(guān)教學(xué)硬件的條件下，學(xué)生的認(rèn)知能力存在一定的難度[11]。為了縮小民漢之間的教育差距,催生了新型編班形式,即“民漢合班”[10]的一體化教學(xué)形式。漢族大學(xué)生和少數(shù)民族大學(xué)生在課堂表現(xiàn)、自主學(xué)習(xí)能力、授課方式適應(yīng)能力方面均存在差異[12]。因此，及時了解和掌握母語非漢語的少數(shù)民族大學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，積極探索問題的有效解決途徑，對提升新疆高校教學(xué)質(zhì)量、縮小民漢間的教育差距具有重要的現(xiàn)實意義。

(2) 課程改革，學(xué)時壓縮。隨著高校教學(xué)改革的逐漸深入，新疆高校培養(yǎng)方案所要求的總學(xué)時數(shù)也不得不大幅度削減，在學(xué)時如此壓縮情形下，需要迫切解決的問題是，如何構(gòu)建新的培養(yǎng)大綱才能培養(yǎng)出較強的創(chuàng)新應(yīng)用能力而且具備創(chuàng)新實踐精神的機械類專業(yè)人才？

(3) 實踐教學(xué)條件受限，教學(xué)效果難以達(dá)成。①在新疆高校機械專業(yè)實踐教學(xué)中，實驗設(shè)備短缺和實驗場地不足的問題已成為制約機械專業(yè)實踐教學(xué)的重要因素。學(xué)生實踐的時間和次數(shù)都非常有限，這將無法保證學(xué)生將理論課中學(xué)到的知識及時有效地運用到實踐中去，對學(xué)生動手能力的提高影響比較大，學(xué)生掌握的理論知識無法在實踐中得到驗證。②機械相關(guān)實驗設(shè)備因其價格高、損耗大、操作要求高等因素，使得常規(guī)實驗教學(xué)容易受實驗內(nèi)容、實驗設(shè)備、實驗時間、實驗空間的限制。尤其對于少數(shù)民族學(xué)生，受語言和前期學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的影響，在正常的實驗教學(xué)過程中，需要大量的時間來重復(fù)實驗過程才能較好地掌握實驗內(nèi)容。③部分相關(guān)實驗操作有一定的危險性，為了避免造成人員受傷或設(shè)備損壞，這對實驗操作人員有更高的要求，學(xué)生只是進(jìn)行觀摩及記錄實驗數(shù)據(jù)， 無法使學(xué)生通過親手操作來提高學(xué)生的實際動手能力，實驗局限性大，綜合性、創(chuàng)新性實驗效果較差，使得學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新思維受到影響。④大型復(fù)雜機械裝備內(nèi)部運行規(guī)律，無法進(jìn)行實驗或深入理解，而傳統(tǒng)真實實驗設(shè)備很難實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實驗，學(xué)生迫切需要一個能夠?qū)崿F(xiàn)自主設(shè)計創(chuàng)新的平臺。

2 構(gòu)建新型教學(xué)資源與學(xué)習(xí)條件

著力培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力是機械專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基本要求，學(xué)生只有進(jìn)行真正的實踐操作，他們的實踐水平才能逐步提高。但是如果在真正的機械設(shè)備上進(jìn)行實踐操作，這會大大增加學(xué)校的經(jīng)費開支，而虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)恰好解決了這方面的問題，具有投入少、操作簡便的特點，為學(xué)生的實踐提供了優(yōu)質(zhì)平臺。

2.1 以虛擬仿真教學(xué)平臺為核心的實踐教學(xué)體系

隨著高等學(xué)校實驗教學(xué)的改革不斷深入，新疆大學(xué)作為區(qū)域的科教中心，在民漢一體化教學(xué)改革形勢下，借助學(xué)科建設(shè)、師資力量、科學(xué)研究和人才培養(yǎng)等方面的綜合優(yōu)勢，通過借鑒國內(nèi)高校在實踐教學(xué)改革方面的成功經(jīng)驗，成立了機械工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，以培養(yǎng)新時代機械專業(yè)具有創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型工程應(yīng)用人才為目標(biāo)，構(gòu)建了以機械專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為核心的實踐教學(xué)體系，以中心所具有的豐富的教學(xué)軟硬件資源和實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)成為開展創(chuàng)新能力培養(yǎng)的理想平臺。

采用虛擬現(xiàn)實及多媒體技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。如：大型風(fēng)能發(fā)電機、機械式采棉機、節(jié)能抽油機等大型復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計制造，已構(gòu)建了具有高度真實感、直觀性和精確性的虛擬現(xiàn)實平臺。

2.2 深化產(chǎn)教融合，共享教學(xué)資源

依托科研項目，利用校企雙方資源和優(yōu)勢，共同開展實驗實踐教學(xué)。通過多種合作方式，與新疆磐基實業(yè)、新疆第三機床廠、新疆金風(fēng)科技股份有限公司、新疆科力先進(jìn)制造技術(shù)有限公司、新疆新特順電氣制造有限公司、新疆天山汽車制造有限公司多家企業(yè)展開了不同程度的合作，聯(lián)合開發(fā)出模具三維設(shè)計圖庫系統(tǒng)、生產(chǎn)車間虛擬布局設(shè)計與優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、抽油機圖庫信息管理系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電機組虛擬裝配仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、虛擬風(fēng)電場可視化實驗教學(xué)系統(tǒng)、采棉機關(guān)鍵部件虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、高低壓電器開關(guān)柜三維設(shè)計與虛擬裝配實驗系統(tǒng)等，實現(xiàn)了設(shè)計三維數(shù)字化、加工工藝和模具制造的柔性化。例如，可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)講授人機工程學(xué)，使學(xué)生身臨其境的觀察人機操作規(guī)范；利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三維可視化效果，進(jìn)行產(chǎn)品展示教學(xué)；機械專業(yè)學(xué)生還能夠進(jìn)行機械產(chǎn)品虛擬設(shè)計與系統(tǒng)仿真，進(jìn)行虛擬仿真和虛擬測試評估，通過虛實相結(jié)合的實踐教學(xué)方式，不僅能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性。

3 大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)模式

3.1 立足本土，建立民漢混合學(xué)習(xí)小組

由于新疆高校在高考錄取中的照顧政策[13]，漢族新生和少數(shù)民族新生生源質(zhì)量存在較大差距，這使得民漢學(xué)生間的水平差異和類型差異顯著。新疆高校民漢合班這種新型編班形式，為各民族學(xué)生朝夕相處、共同成長提供了積極的環(huán)境，同時，也帶來了極大的挑戰(zhàn)。因為民漢學(xué)生文化和專業(yè)基礎(chǔ)知識水平存在差距，任課教師為了保證正常的教學(xué)進(jìn)度，部分少數(shù)民族學(xué)生會落后于整體教學(xué)進(jìn)度，久而久之，就會有厭學(xué)情緒，甚至出現(xiàn)逃學(xué)、逃課、持續(xù)掛科的現(xiàn)象[14]。此種背景下，如何更高效地促進(jìn)漢族大學(xué)生和少數(shù)民族大學(xué)生學(xué)習(xí)融合提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

因此，建立民漢混合學(xué)習(xí)小組，不僅符合新疆本土特色，讓不同民族的學(xué)生間加強了解、溝通和理解，最終實現(xiàn)不同民族和諧共處即民族團結(jié)的價值。而且，在學(xué)習(xí)過程中，漢族學(xué)生幫助少數(shù)民族學(xué)生，少數(shù)民族學(xué)生幫助漢族學(xué)生，互幫互助，共同進(jìn)步，以達(dá)到最好的學(xué)習(xí)效果。

3.2 利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力

計算機多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)示著越來越多的年輕人，其學(xué)習(xí)生活方式因信息化時代的到來而潛移默化地被改變，而傳統(tǒng)課堂與數(shù)字化信息手段相結(jié)合，甚至于信息手段占據(jù)越來越多比例的教學(xué)方式必將是未來教育發(fā)展的趨勢。數(shù)字化技術(shù)手段引入傳統(tǒng)課堂，不僅能夠有效發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，更為重要的是能夠大大提高學(xué)生的積極性、主動性和學(xué)習(xí)的興趣[15]。例如，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺中相關(guān)的教學(xué)資源，不用去風(fēng)場、油田、農(nóng)田現(xiàn)場，讓參與的學(xué)生足不出戶就可以了解風(fēng)能發(fā)電機、機械采棉機、節(jié)能抽油機等裝備的工作狀況、運動方式，而且對如何設(shè)計制造大型機械的全過程有了全面的了解，既解決了真實實驗平臺無法開展的實驗教學(xué)的難題，減少了真實實驗教學(xué)中的高成本，資源的浪費等情況，又可以提高學(xué)生的理解力和注意力，有利于調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，以及學(xué)生對知識的把握。

3.3 學(xué)研結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

對于實踐性較強的機械專業(yè)學(xué)生來說，課外實踐和科技創(chuàng)新模塊驅(qū)動了大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，利用虛擬仿真實驗平臺以及虛擬實驗室的相關(guān)實驗教學(xué)軟硬件教學(xué)資源，為學(xué)生提供一個自由組隊、自主設(shè)計的完全獨立自主的實踐環(huán)境。學(xué)生還可以依據(jù)個人感興趣的方向，自主立項創(chuàng)新項目，學(xué)院并為其配備相關(guān)指導(dǎo)教師，從課內(nèi)到課外為學(xué)生提供完全開放的實驗和實踐學(xué)習(xí)環(huán)境。

以某民漢混合小組自主完成的達(dá)坂城虛擬風(fēng)電場為例,依托合作企業(yè)，由其提供風(fēng)能發(fā)電機的型號、各零部件的尺寸參數(shù)、風(fēng)場風(fēng)機布局等，該小組自主分工，完成了從風(fēng)能發(fā)電機幾百個零件的三維模型的創(chuàng)建，到各部件的虛擬裝配直至整機的裝配(這部分在虛擬裝配平臺中完成)，再到各機構(gòu)運動仿真的完成。另外，后期的虛擬場景建模及渲染部分由工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生完成。整個虛擬風(fēng)電場從建模到完成，全部由學(xué)生自主完成，只要感興趣并能堅持的漢族學(xué)生、少數(shù)民族學(xué)生都可以成為小組的成員，學(xué)院提供教師指導(dǎo)及實驗室、計算機、虛擬裝配平臺等硬件資源。通過專家審核，整體不錯的項目可以作為教學(xué)案例，進(jìn)一步激發(fā)了大家的學(xué)習(xí)熱情。通過不同民族、不同專業(yè)的學(xué)生共同參與并完成項目，不僅為學(xué)生提供了一個開放的可自己動手設(shè)計、仿真、機構(gòu)運動模擬的實踐性教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生在創(chuàng)造性思維基礎(chǔ)上使用先進(jìn)設(shè)計手段和方法，大大增加了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且，對縮小民漢差距實現(xiàn)新疆民漢一體化教學(xué)改革具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結(jié) 語

隨著“一帶一路”建設(shè)的推進(jìn)，對新疆高校來講既是機遇又是挑戰(zhàn)。在高校的實踐教學(xué)中，充分發(fā)揮創(chuàng)新智力資源，利用虛擬仿真教學(xué)軟硬件資源，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新活力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情、鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，已成為一種趨勢。本文立足本土，結(jié)合新疆“民漢合班”人才培養(yǎng)特點，通過民漢混合、學(xué)研結(jié)合等方式，增加學(xué)生創(chuàng)新實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使虛擬仿真教學(xué)平臺在機械專業(yè)實踐教學(xué)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)上發(fā)揮出更大的作用。這對縮小民漢差距實現(xiàn)民漢學(xué)習(xí)共融目標(biāo)的新疆民漢一體化教學(xué)改革具有重要的意義。