基于新工科的知識、能力、實踐、創新一體化培養教學模式探討

孫康寧　于化東　梁延德

摘 要：如何加快知識向能力轉化，是大學教學研究面臨的重大問題。傳統的課堂教學和工程實踐訓練過程相互分離，流水線式教學模式很難打通知識與能力之間的界面障礙，不利于促進知識向能力的轉化。為此，本文對“工程材料與機械制造基礎”系列課程體系、基本要求進行重構，提出將知識、能力、實踐、創新（KAPI）一體化培養的教學方式，并進行了初步實踐。相關研究工作作為重要組成部分，獲得了2018年國家級教學成果一等獎。

關鍵詞：新工科;一體化培養;教學方式改革;工程材料與機械制造基礎;工程訓練

一、引信

眾所周知，相較于傳統工科，新工科內涵、理念、模式、內容、方法、范式等已發生巨大變化。毫無疑問，新工科的出現是對現有工程教育教學的一種改革，也是我國高等工程教育實現變道超車的極好機遇[1-5]。在新工科研究中我們發現，人才培養理念、模式、教學方法的改革比起教學內容的更新更值得關注。傳統的人才培養模式和教學方式被比喻為“流水線”模式，人才培養是按標準化、流水線批量推出，教學方法也是如此。例如，課堂教學由授課老師逐次講授、授課內容依次推進，而后進行考

試;工程實踐訓練同樣是按項目逐個訓練，依次完成，而后考核。這種分散獨立的教學方式和相互缺少緊密關聯的培養模式，很難使學生從一個個相對孤立的知識點中形成明確的學習目的，單個知識點和技能訓練也很難在整體上實現知識向能力有效轉變，從而達到“能力疊加”[6]的目的。

為解決上述問題，我們根據課程的特點和新工科要求，提出了將知識（Knowledge）、能力（Ability）、實踐（Practice）、創新（Innovation）（簡稱KAPI）一體化培養的教學方式，以體現理論與實踐的融合、各種能力之間的疊加，最終加快知識向能力的轉化。具體的思路與方法是：

（1）基于新工科、新經濟要求，按照產品制造流程“選材—材料成形（獲得形狀）—機械加工（獲得精確尺寸和精度）—材料改性（獲得性能）—安裝調試（獲得產品）”邏輯關系，構建課程知識體系，遴選課程知識點和核心知識點（不可或缺的知識點），加強知識點之間的關聯，使知識形成一個有機整體。

（2）基于知識體系構建能力要求體系，按照學以致用的觀點，助力專業認證考慮，在知識與能力之間建立明確的對應關系。

（3）基于課程核心知識點和能力要求點設計知識、能力、實踐、創新（KAPI）一體化訓練項目（產品），將知識點、能力要求、實踐和創新訓練要求整體嵌入一體化訓練項目，構建一種新的、統一的知識、能力、實踐、創新、競賽教學載體。以探索一種新的教學模式或方法。

（4）項目（產品）設計由資深教師與企業技術人員合作完成，具有真實性、靈活性、實用性、可創新性。項目訓練（知識的獲取、各種設計、制作、創新）在課程任課教師和工程訓練指導教師共同指導下完成，其中知識點的學習可以在做中學，也可以自主學習或在線（MOOC）學習，時間長度為“課程學時+工程實踐訓練學時+部分課余時間”。

鑒于知識點和能力點已嵌入項目（產品）各個環節，項目的高質量順利完成，這意味著對知識、實踐能力、解決復雜問題的能力、創新能力的把握。因此，考核將不再對課程進行單獨理論考試，只重點審查產品（實物）的功能實現情況、產品制造情況，答辯考查各種綜合能力的形成情況。

二、課程知識體系與能力要求體系的構建

在教育部高等學校機械基礎課程教學指導委員會領導下，項目組圍繞課程存在的問題與現狀，在國內外廣泛開展調查研究。我們基于頂層設計、協同創新解決問題的思路，構建了系列課程知識體系、能力要求體系和新的教學基本要求[7]。課程知識體系和能力要求體系是按照產品制造流程的邏輯關系構建而成，目的是以課程體系引領串接一體化改革與實踐。其中，2018年項目組根據新工科對教學內容的要求，重點補充了智能制造、大數據、物聯網、3D打印、材料加工成型新技術等新的制造基礎知識。

該知識體系共匯集工程材料、材料改性、材料成形、機械加工工藝、先進制造技術、機械制造實習等課程模塊方面的知識點349個、能力點141個。其中，基于一體化教學方法改革和MOOC教學要求，進一步梳理出核心知識點100個（不可或缺的知識點）。該體系的構建除為設計、指導一體化訓練項目提供重要指導外，還可以為進一步修訂課程基本要求、編寫教材、加快與工程訓練課程的協同創新提供重要支撐，為不同專業學習本課程提供可供選擇的知識庫。

三、一體化訓練項目的設計原則與要求

訓練項目（產品）設計是一體化訓練的關鍵，為此，我們制定了以下設計原則、用途和要求。

（1）項目性質及用途。訓練項目為“知識、能力、實踐、創新”一體化培養項目，訓練項目將替代原工程材料與機械制造基礎（金工）課程學習與機械制造實習（工訓）兩個環節。項目設計必須將“知識、能力、實踐、創新”融為一體，項目設計訓練時間為5～6周。

（2）知識點及設計要求。原有課程核心知識點89個，增加新工科要求內容后，核心知識點合計100個。所設計項目必須涉及全部核心知識點，其中直接涉及核心知識點不少于50%，剩余部分為間接涉及核心知識點。間接知識點可以通過與直接涉及核心知識點之間的比較，改進方案，或對其他教學要求加以關聯、進行覆蓋，以起到核心知識點學習的全覆蓋要求。

（3）項目設計原則。項目設計要考慮到產品制造的完整過程、能力要求;要考慮到產品的實用性和趣味性。設計好的項目實踐時，要確保通過絕大部分基本工訓環節實操才能完成，以保證實踐能力訓練。所設計項目在保證功能可實現的前提下，要考慮實現路徑的靈活性與創新性，以保證創新能力訓練。

（4）項目分級及數量。項目設計難度分為

A、B、C三級。其中，C級為基礎級，面向首次參加一體化訓練的學生，B級、A級為競賽級。B級在C級基礎上，用于在學校層面開展競賽。A級為更高難度級別訓練項目，可作為省及以上級別競賽用。競賽級項目鼓勵學科之間的交叉。C級項目設計數量不少于20項，以供學生抽選。

（5）項目考核。項目要有可行性、可操作性、可考核性。通過考核項目的完成情況，考查學生學習能力、實踐能力、分析問題解決問題的能力、創新能力。

項目可以通過委托或招標方式征集。所征集項目委托教指委專家驗收認定其可操作性，入選項目給予獎勵，并委托出版社出版發行。

四、教改原則和整體改革方案

1.原則

無論是新工科還是傳統意義上的工科，優秀人才培養都離不開堅實的基礎知識、突出的實踐能力和創新能力。因此，我們的整體改革思路是堅持教育的本真，保持核心知識點與能力要求不動搖，對基礎課教學改革一定要遵循教學規律、采取循序漸進的原則，結合目前基礎課程存在的問題，以及新工科的特征，在原有基礎上逐步推進。即：通過遴選核心知識點，堅持對課程知識體系調整更新、對能力要求強化提升，在教學方式上采取項目驅動，將知識、能力、實踐、創新用項目有機貫穿一體，實現知識、實踐、能力、創新一體化訓練，以加快知識向能的轉化。

2.整體改革方案

新的機械制造基礎課程的知識、能力、實踐、創新一體化改革方案如圖1所示。

五、項目的實踐

（1）項目實施。項目實施不同于傳統機械制造實習（或工程訓練）。課程開始前，進行項目抽選。項目一旦選定，首先要通過與課程的并行學習（自主、在線、課程學習均可），以獲得必要的機械制造基礎核心知識。然后在教師指導下，學生在開放的工程訓練中心開展項目實踐，由學生或團隊按順序自主完成產品的進一步創新設計、零件的材料選擇、工藝設計、產品制造、產品安裝調試、成本分析等環節，最終完成知識向能力的轉化。對于能實現預期功能、滿足性能和精度要求的項目，通過考核，可認定該課程學習成績合格有效，獲得學分。該學習方式將代替傳統課程理論學習與實習兩個環節（節省學時），實現了將分散的訓練項目通過核心知識點進行串接集成。項目實施引入競賽機制，能力強者可提前結束學習獲得學分。項目創新性強、完成效果好者，可獲得優秀成績，并推薦參加更高層次項目訓練（即競賽）。

項目的實施將理論學習與實踐訓練有機地結合在一起，避免了彼此脫節。項目實施及實現方法具有多樣性，可充分發揮學生的主動性和創造性，可充分提高學生的工程能力和工程素養。

（2）項目考核。項目對理論知識的學習只提學習要求，將考核延伸到對項目的最終完成程度上，重點考核知識向能力的轉化，用完成項目涉及的知識面、達成的能力度代替對知識把握的考核，體現對知識與能力的綜合評價。一體化培養將知識學習、實踐訓練、能力培養、創新和競賽融為一體，最大限度減少學習內容的重復，可有效解決學時不足等問題。

（3）項目競賽。項目成績優秀者（或自愿報名者）可以參加更高水平、更大難度項目的訓練與比賽。在規定時間、規定要求下對完成不同水平競賽項目者，通過考核認定（可制定相應認定標準），可分別授予相當校級、省級工程訓練競賽獎勵。

鑒于目前各學校、各省都組織工程訓練綜合能力大賽，項目組將與各級大賽協調，將高水平項目實施納入大賽項目，進一步提升學生的創新能力和競爭意識，真正將課程與比賽有機融為一體，突出能力培養。

（4）項目實踐。項目將在課題組所在的山東大學、長春理工大學、中國石油大學（華東）、同濟大學、長春理工大學、江蘇大學、天津大學、河南科技大學、合肥工業大學、中國計量大學等學校的所在學院和工程訓練中心開展試點、試驗。試點班與普通班通過對比考查學習質量、收獲、能力的達成，判斷改革的成效。

參考文獻：

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[4]徐雷，胡波，馮輝，等.關于綜合高校開展新工型工科教育的思考[J].高等工程教育研究，2017（2）：12-17.

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[7]孫康寧，林建平.工程材料與機械制造基礎課程知識體系和能力要求[M].北京：清華大學出版社，2016.