新工科下高校實驗與實踐教學體系改革與探索

朱榮濤 胡炳濤 王艷飛 李延鋒

摘要：本文以中國礦業大學過程裝備與控制工程（簡稱過控）專業為例，按照“新工科”建設要求，以培養應用型復合人才、促進學生形成工程實踐和創新能力為目標，對專業實驗與實踐教學體系進行改革和創新，構建了“一條主線、三個階段”的多學科交叉、逐層遞進的實驗與實踐教學“新結構”，并詳細闡述了該體系中各階段的培養內容。這為推動新工科的實施，探索個性化人才培養模式，培養“善學習、懂操作、能創新”的綜合素質高的應用型人才提供有效參考。

關鍵詞：新工科；過程裝備與控制工程；實驗與實踐教學；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0072-04

一、引言

為主動應對新一輪產業變革和科技革命，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”、“互聯網+”等國家戰略，2017年2月以來，教育部相繼發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索新形勢下工程教育的中國模式和中國經驗，先后形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”。新工科的推動和實施，旨在適應以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟發展，對深化我國工程教育改革、建設工程教育強國、服務和支撐我國經濟轉型升級具有重大意義[1]。

新工科的“新”，主要體現在工程教育的新理念、學科專業的新結構等[2，3]。新工科的建設和發展，不僅需要樹立創新性、綜合化、全周期的工程教育“新理念”，而且需要構建新興工科與傳統工科相結合的學科專業“新結構”。工科的新結構不僅包括前沿和緊缺學科專業設置，還應加快對現有工科專業的改革和創新，使其體現工程教育的新要求。因此，推動現有工科交叉融合和跨界整合，使科學教育、人文教育、工程教育相互滲透，對培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的工程人才至關重要[4，5]。工程教育中，實踐環節是高等學校教學過程的重要組成部分，具有理論教學不可替代的作用，是培養學生實踐能力和創新意識的主要途徑之一，直接關系到能否實現高校人才培養目標[6]。同時，對增強學生的創業就業能力，培養具有較強行業背景知識、工程實踐能力、勝任行業發展需求的應用型和技能型人才，具有重要意義[7]。因此，以校企合作、協同育人為基礎，構建各學科交叉融合的新工科實踐教學體系顯得尤為重要。目前，各高校紛紛響應新工科建設，開展了新工科背景下的實驗與實踐教學體系的研究[8-12]。本文以中國礦業大學過程裝備與控制工程專業為例，以培養應用型復合人才為目的，將工程教育與人文、科學教育相滲透，構建實驗與實踐教學體系。過程裝備與控制工程專業是一個典型的多學科交叉工科專業，推進各學科交叉融合及跨界整合，也是本專業的培養目標。本文構建的實驗與實踐教學體系，力圖為新工科的推動和實施提供借鑒。

二、實驗與實踐教學體系建設的依據

過控專業以過程工業為背景，融“機械”、“過程”、和“控制”為一體，將“機械”、“化工”、“材料”、“控制”等學科緊密結合而形成的“化、機、電”一體的多學科交叉專業。這種專業性質決定該專業實驗與實踐教學的復雜性、融合性及多樣性。因此，本專業容易突破傳統人才培養模式，適合建立多樣化和個性化的工程教育新模式，整合升級，綜合發展，推動“新工科”建設。

針對高等工程教育中實驗與實踐的教學，目前研究成果認為，實踐教學應以增強學生社會適應性為目標，它與理論教學相對，又與理論教學緊密聯系[13，14]。從理論上講，實驗與實踐教學中，學生應以某種直觀物化操作方式為主要手段，完成某種任務，從而將知識內化為個體經驗的學習活動，旨在培養學生的實踐操作能力、組織管理能力和創新能力等[15-17]。因此，本文以過控專業為對象，將科學、工程、人文教育相融合，力圖將專業實驗與實踐教學體系從簡單的復合推進到綜合交叉發展，努力實現實驗實踐體系工程化、綜合化和學生參與的自主化，培養符合社會發展需求的應用型復合人才。

三、實驗與實踐教學體系建設的內容

本文試圖從“新工科”的視角，依據創新型、綜合化、全周期的新工科教育理念，將實驗與實踐教學體系細化為三個階段，即基礎實踐能力培養階段、專業技能與工程實踐能力培養階段和創新能力培養與實踐階段。

1.基礎實踐能力培養內容。過程裝備與控制工程專業基礎實踐能力培養方案如圖1所示，包括基本實驗技能培養、基礎設計能力培養、專業基礎技能培養、初步設計能力培養、初步工程觀念培養及社會實踐能力培養等方面，著重培養學生的基本實驗能力、基礎設計能力及初步的專業技能和工程設計能力與觀念，重視不同學科間的交叉與融合。基本實驗是指針對專業基礎課程設置的課程實驗，它與專業基礎課程的理論教學相統一，是對基礎理論的驗證和補充。根據過控專業的培養計劃，三力一機（理論力學、材料力學、流體力學及機械原理）及電工電子技術、大學物理等專業基礎課程的實驗教學環節構成基本實驗技能培養內容。這兩方面實踐能力的培養與科學教育相貫通，主要體現為對科學理論的驗證與初步運用。工程設計是過程裝備全壽命管理的重要一環，基礎設計是進行工程設計的前提，也是過控專業實驗與實踐教學體系的重要內容。基礎設計能力培養的主要目的是培養學生的初步工程設計能力，為以后從事工程設計工作打基礎、做準備。針對我校過控專業中計算機程序設計和工程制圖是學生日后進行工程設計的基礎課程，因此將其作為基礎設計能力培養的主要載體。專業基礎技能培養是基本實驗技能培養的繼承與發展，其將實踐和實驗訓練與專業性質相結合，讓其更為專業與具體。礦大過控專業的基礎技能培養分為化工原理實驗、控制原理實驗和金工實習三個環節。這一實踐教學環節是學生結合實踐學習專業理論的重要一環。這一環節的目的是使學生初步接觸機器和設備制造的過程、基本單元操作過程和典型控制系統；熟悉金屬冷熱加工工藝、常用切削機床和工具；加深對傳熱、精餾、吸收、流體流動、干燥等單元操作的理解與認識；熟悉典型控制環節的傳遞函數和動態特性；了解各單元操作原理及參數變化對控制系統動態性能的影響等；培養學生的初步工程意識和實踐能力。該實驗與實踐教學體系中的初步設計能力培養環節，可基于專業主干課程的課程設計進行，利用已學專業理論知識指導課程設計。我校過控專業主要以化工原理和過程設備設計中的單元操作與單元設備為目標，通過手工繪制裝配圖、撰寫設計說明書達到培養學生初步設計能力的目的。

實驗與實踐教學體系中的初步工程觀念培養，主要通過認識實習的方式進行。認識實習，旨在使學生掌握過程設備及過程機械典型零件的制造工藝、結構和裝配過程；了解過程機械生產制造中的主要工裝；了解生產中的質量保證體系和質量管理體系。同時，熟悉生產過程中的主要設備和參數的控制方法及儀器裝置；了解典型的化工生產工藝流程、生產用料等，了解化工安全生產保障體系，并啟發和引導學生將已學專業知識運用于生產實踐，鞏固和拓展專業理論，熟悉本專業的技術領域。通過這一環節，學生建立初步的過程工程觀念，為后續將要進行的工程設計學習與實踐奠定基礎。社會實踐能力是該實驗與實踐教學體系的重要組成部分。相對專業的知識和實踐能力，社會實踐能力包括社會認知能力、人際交往能力、自主學習能力、表達能力、組織管理能力等。這對學生的全面發展有著舉足輕重的作用。本文將社會實踐能力培養作為實踐教學體系中的重要一環，也是對學生進行人文社科教育的重要手段，體現了新工科多學科交叉融合的特點。針對我校工科專業，社會實踐能力培養主要由暑期實踐、管理實踐、了解國情等環節組成。暑期實踐活動主要包括支教、志愿者活動等項目；管理實踐主要通過深入工廠與企業進行企業文化交流或管理模式調查等方式體現，一方面使學生了解企業實際運作方式和模式，另一方面和企業溝通交流，為學生進入社會參加工作積累經驗。通過社會實踐能力的培養，學生的社會認知能力、表達能力、人際交往能力、組織管理能力、自主學習能力進一步提高。了解國情的實踐活動，可通過相關講座和社團活動進行，如軍事理論、形勢與政策、辯論比賽、倡議宣傳等講座和活動。

2.專業技能與工程實踐能力培養內容。專業技能與工程實踐能力培養是實驗與實踐教學的深入階段，其內容如圖2所示。其中，專業技能訓練是學生日后從事工程實踐的基礎環節。由于此環節的專業性，因此專業技能訓練應根據不同專業設立不同的實踐內容。過控專業的專業技能訓練通常包括兩部分：專業實驗和提高實驗。專業實驗和實踐是學生專業技能訓練的基本與必修實驗，它與專業課程相配套，如內外壓薄壁容器應力測定實驗、壓縮機排氣量及功率測定實驗、離心泵性能測試實驗等，其對應《過程設備設計》、《流體機械》等課程；提高實驗與實踐主要為綜合性或設計性實驗，是為學有余力且感興趣的學生準備的選修實驗，各高校可根據自身情況酌情設定。

工程實踐能力是工科高等教育實踐教學體系的核心。對于過控學生來說，這一能力的培養要求學生全面深入了解企業運行過程，熟悉生產工藝過程及所用設備，具備對其進行控制與管理的能力；同時，熟悉并掌握典型過程裝備的制造工藝、焊接工藝和無損檢測工藝。通過工程實踐能力的培養，學生能夠綜合運用專業基礎理論和技能，分析生產過程中的實際問題，使學生的工程素質和工程能力得到提高，增強適應社會的能力。為保證工程實踐能力的培養，響應新工科建設要求中強化實習、實訓環節的建議，我校已與河南能源、皖北煤電、恒久機械等廠礦企業建立長期的合作關系，并依托這些企業建成實踐創新基地和實踐教學示范中心。通過這種學校—企業聯合的方式，培養學生的工程實踐能力。在實際實踐教學實施過程中，此環節分為仿真實習和生產實習兩部分。仿真實習可在校內或校外進行，部分院校的過控專業已經建立化工過程虛擬仿真實驗室，沒有此條件的可以去廠礦企業完成。但是生產實習要在企業進行，讓學生深入工廠，跟隨企業導師或車間師傅進行實操，了解并熟悉生產工藝流程，完成各車間的輪崗學習，真正達到培養學生工程實踐能力的目的。

工程設計能力是初步設計能力的延伸與拓展，是一種專業綜合設計訓練。礦大過控專業將這一專業綜合設計訓練分為兩個方向，包括控制系統設計和過程裝備成套裝備設計。控制系統設計通常以典型過程工業為對象，通過控制參數的調節，使對象按工藝條件要求動作。此系統的設計目的是使學生掌握控制系統設計的基本原則，熟悉PLC控制器與輸入輸出設備的連接方式，完成硬件原理圖、安裝接線圖的繪制，并能夠設計PLC程序。成套裝備設計同樣以過程工業中的關鍵裝置為對象，熟悉其工作原理、結構特點，理解其設計技術和工藝要求，并對該裝置進行工業設計。

3.創新能力的培養與實踐。新工科的建設要求明確提出創新型工程教育的新理念。創新是驅動發展的動力，是提升我國社會生產力發展和增強綜合國力的必要手段。創新能力的培養是實施創新驅動發展的必要條件，尤其是培養高等院校大學生的創新能力。因此，創新能力的培養與實踐，是應用型成才培養的最終目標，也是實施創新驅動發展的必然要求。結合我校本專業人才培養實際，創新能力培養的實踐培養內容如圖3所示。

培養學生的科技創新能力，首先須了解科學技術發展史及學科技術前沿發展趨勢，這是培養學生創新能力的基礎。針對我校過程裝備與控制工程專業，此環節主要采取兩種方式：一是請本專業教學科研、經驗豐富的教授或高級工程師進行前沿講座，使學生了解學科研究方向和發展趨勢，認識工業生產中的技術難題和待解決課題；二是鼓勵學生參與專業教師的科研課題，在解決實際問題中理解、發現學科前沿知識，提出可行的解決方案，通過科研課題驅動提升創新能力。

個性培養模式是新工科人才培養的亮點之一。它是在尊重學生個性的基礎上分類分層次培養，積極開發學生的創新能力。礦大實施創新能力個性培養的過程中，常常通過各種大學生創新訓練、開放實驗室及創新大賽來進行。實施過程中，在承認每個學生具有創新潛能的基礎上，根據學生創新個性的差異性制定創新能力個性培養目標。同時，根據學生創新個性特點，分類制定目標。如結合全國大學生節能減排大賽、過程裝備實踐與創新大賽等實踐活動，培養學生的試驗型創新能力，讓他們完成產品研究報告、實施規劃等。更進一步地，如結合“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽和開放實驗室等途徑，鼓勵學生實施跨學科探索型創新。學生不但要完成實驗產品研究報告，還要完成創新產品設計及制作等。

創新能力綜合培養環節是對學生專業知識和技能的綜合考量與檢驗，是培養復合型、應用型人才實踐教學體系不可或缺的環節。針對礦大過控專業，本環節的培養以畢業設計（論文）和畢業實習為主要形式。畢業設計（論文）內容可結合指導教師的科研課題，完成系列實驗研究，或以特定的典型工藝裝備為對象，優化結構，以提高該設備某方面的性能。無論是試驗性的畢業論文還是設計性的畢業設計，均要求學生在傳統工藝及設備的基礎上實現部分創新，同時將論文或設計形成文本或說明書。例如，以典型設備為題的畢業設計，須完成過程工藝設計計算、工藝流程設計、典型設備工藝計算和設備設計等內容。當然，創新性成果必須以大量的調查研究為基礎，因此畢業實習環節是不可或缺的。通過畢業實習的調研，為創新性的畢業論文（設計）服務，使學生初步掌握科學研究方法，培養創新能力。

四、實驗與實踐教學體系建設的目標

本文以過控專業為對象，以新工科建設的具體要求為依據，構建了三階段實驗與實踐教學體系。三階段逐層遞進，相輔相成，為“培養應用型復合人才，深化學科交叉，促進學生工程實踐和創新能力的形成”這一總體目標服務（一條線）。通過實施實踐教學，期望培養動手能力強、會設計、懂運行、善管理的工程師；通過開展實驗與實踐教學，鞏固和拓寬專業理論知識，熟悉專業領域，增強學生學習的主動性和針對性，培養學生理論聯系實際及解決實際問題的能力，培養學生的專業工程素質和工程能力，增強學生的創新意識和適應社會的能力。

五、結語

“新工科”建設是應對新形勢的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的角度提出的一項持續深化的工程教育改革行動計劃。本文響應新工科建設要求，以過程裝備與控制工程專業為例，從實踐教學內涵和專業人才培養目標出發，構建“一條線、三階段”式的各學科交叉融合、全方位綜合教育的實驗與實踐教學“新結構”。該體系包括基礎實踐能力培養、專業技能與工程實踐能力培養和創新能力與實踐培養三方面，并逐層遞進介紹了該體系中各方面的培養要求和培養方式，最后闡明了該實驗與實踐教學體系的目標。本文為推動新工科、探索個性化人才培養模式、培養“善學習、懂操作、能創新”的綜合素質較高的應用型人才提供了借鑒。

參考文獻：

[1]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.

[2]林健.引領高等教育改革的新工科建設[J].中國高等教育，2017，（13-14）：40-43.

[3]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，（12）：26-35.

[4]徐曉飛，丁效華.面向可持續競爭力的新工科人才培養模式改革探索[J].中國大學教學，2017，（6）：6-10.

[5]張安富，劉超.“中國制造2025”背景下的新工科構建[J].中國大學教學，2017，（9）：21-24.

[6]周愛國.關于培養大學生社會實踐能力的研究——以江蘇省淮安市高校為例[D].華東師范大學，2007.

[7]夏有為.重實驗求創新建設世界一流大學——訪天津大學校長鐘登華院士[J].實驗室研究與探索，2017，（4）：1-3.

[8]周劍峰，韓民.新工科專業實踐教學體系構建[J].教育教學論壇，2017，（44）：109-110.

[9]周邵萍.新工科愿景下工程教育的改革之路[J].化工高等教育，2017，（4）：27-33.

[10]王宗杰，楊林，曲彥平.面向工程，建立新的工科專業實踐課，改革實驗室管理體制[J].實驗室技術與管理，2002，（5）：81-83.

[11]陳建義.基于“新工科”的“過程流體機械”教學方法研究[J].教育教學論壇，2017，（48）：154-156.

[12]胡春霞，李改蓮，時陽，等.能源與動力工程特色專業建設中的實踐教學改革[J].輕工科技，2014，（12）：147-148.

[13]李培根.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）：13-13.

[14]葉志攀，金佩華.中國工程教育實踐教學研究綜述[J].高等工程教育研究，2007，（4）：74-77.

[15]肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）：81-84.

[16]時偉.論大學實踐教學體系[J].高等教育研究，2013，（7）：61-64.

[17]張會杰.本科實踐教學研究現狀及啟示[J].大學（研究版），2012，（2）：42-47.