新工科視角下拔尖人才培養的探索與實踐

劉學文 王旭 羅素云

摘? 要：新工科將培養適應新時代快速發展要求的現代化工程拔尖人才作為核心目標之一。文章立足工程創新人才觀，對有限單元法課進行了一系列深刻的改革：重構有限元法教學內容分布，完善人才培養載體;運用 “工程項目驅動教學法”優化培養途徑，加強人才工程設計、工程實踐、自主學習、合作溝通及集成創新等能力的培養;采取多元化課程考核模式改進學業評價，完善教學過程。實踐結果表明，理論與工程實踐同步且有機結合，不僅有助于深刻理解后續專業領域的理論，而且能激發學生的探究欲，提高學生的工程意識和解決問題的能力，為培養行業拔尖人才奠定堅實的基礎。

關鍵詞：新工科;彈性力學有限單元法;課程改革;拔尖人才

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）06-0140-03

Abstract： The emerging engineering education will train the top-notch talents in modern engineering that meet the requirements of rapid development in the new era. Based on the concept of engineering innovation talents， the article has carried out a series of profound reforms on the finite element law course： reconstructing the distribution of finite element method teaching content， perfecting the talent training carrier; using the "engineering project-driven teaching method" to optimize the training channels and strengthen the talent engineering design ， engineering practice， independent learning， cooperative communication and integrated innovation， etc.; adopt a diversified curriculum assessment model to improve academic evaluation and improve the teaching process. The results of practice show that the simultaneous and organic combination of theory and engineering practice not only helps to deeply understand the theory of follow-up professional fields， but also stimulates students' desire for inquiry， improves students' engineering awareness and problem-solving ability， and lays the foundation for cultivating top talents in the industry. solid foundation.

Keywords： emerging engineering education; elastics & finite element method; curriculum reform; top-notch talent

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中明確提出高等教育要著力培養本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才。2017年，教育部發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》。通知中，基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求提出了新工科（Emerging Engineering Education）。其內涵以應對變化、塑造未來為建設理念，更加強調學科的實用性、交叉性，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1]。彈性力學作為工科基礎，是工科四大力學之一，同時兼備了科學、數學和工程三重屬性。因而，機械、土木、航空航天等工程問題最終大多都歸結為彈性力學問題。從實際工程問題到力學模型建立即為其科學創新的體現，力學問題的數學方程求解即為實際問題的量化基因，有限單元法的創立為量化發展的代表性創造。鄭泉水教授認為力學同時擁有定量化“基因”和技術創新“基因”。因此，作為傳授力學基本概念和規律、工程思維及實際問題解決的彈性力學有限單元法將為發展學生工程問題處理的能力，培養拔尖人才提供一個有極大拓展空間的平臺。本文以4年來，上海工程技術大學與美國勞倫斯理工大學（LAWRENCE TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 簡稱LTU）合作辦學專業的有限單元法課程改革為例，在新工科及創新教育視角下，探討拔尖人才的培養載體、教學途徑及教學效果評價。

一、重構教學內容體系，完善人才培養載體

教學內容是人才培養最為基本的載體，因此教學內容的改革是課程改革的核心，在某種程度上也決定著教學模式的改革[2]，將直接影響教學實效。機械設計制造及其自動化是我校與LTU合作辦學的專業，其目標是培養理論聯系實際，具有實踐創新精神和較強的對外交流能力，適應國際企業、具有國際視野的高級汽車工程技術人才。以理論教學為主的傳統有限單元法教學內容體系顯然難以滿足要求，需要對其進行重新遴選、關聯及重構。

本課題針對彈性力學有限單元法理論及其工程應用課程進行了模塊化設計，將其分為彈性力學基礎理論、彈性力學課程思政內容、有限單元法基礎理論、有限單元法課程思政內容、工程項目實踐及工程素養。其中理論模塊包括彈性力學基本概念、三大控制方程、有限元基本思想及解決問題的流程等，這幾大模塊是最為根本和重要的部分。思政模塊內容隱含在理論教學和工程案例實踐教學中，強調現代文化人的要求、力學工程師的職業素養和對彈性力學、有限單元法發展貢獻巨大的人物尤其是華人學者的事跡，以期達到目標指引、精神引領及內省的目的;強調工程問題的協同解決，著重培養學生做人做事的基本品格培養。工程實踐模塊主要采用項目驅動法進行教學，利用有限單元法及彈性力學理論，運用成熟的商業有限元軟件分析實際工程項目案例，從需求分解、方案設計、模型建立及求解、結果反饋等多個方面進行過程把控。

（一）強化力學概念，滲透力學建模思想，夯實基礎理論

力學概念、彈性力學問題的界定及求解、建模思路等在教學內容體系中是最為關鍵的。長期以來，我國大學工科力學課程主要集中在工程力學即理論力學、材料力學和結構力學，其力學模型主要是剛體和簡單變形體，控制方程利用初等數學即可求解。而實際工程結構大多為復雜彈性體，其邊界及受力非常復雜，簡單變形體的力學模型、初等數學工具都已無法滿足。彈性力學基本問題是研究任意彈性體在外力及溫度作用下，內部的反應，而描述彈性體內部反應的物理量是應力、應變及位移。因而，這里的力學概念就包括了任意彈性體、位移、應變、應力及外載荷。力學建模思想即是在一定的假設基礎上，尋找描述該彈性體的四個變量之間的關系，即三大控制方程。從彈性力學問題入手，幫助學生建立起來從位移到應變、從應變到應力、應力與外力等三個方程的邏輯關系，此即力學建模的思想。給出合理的假定前提下，得到控制方程;在一定邊界約束條件下，利用不同的數學工具求解;整個建模到求解的過程即為力學基礎理論。而在有限元理論分析中，位移有限元的單元分析過程正是沿著這一思路開展，所以結合彈性力學基本問題的位移求解來開展有限元法理論教學，非常有助于學生的理解。

（二）遴選思政教學內容，拓寬學生視野、提高學生科學及工程素養

時至今日，彈性力學依然是一門生機勃勃的科學，是工程問題解決的主要理論所在。對于 “新工科”來講，其內涵是立德樹人，培養未來多元化、創新型卓越工程拔尖人才。作為新工科主干課程，在《彈性力學有限單元法理論及工程應用》課程培養過程中，就要考慮學生將來處理工程問題時應承擔的社會責任、解決問題時的團隊協作、品行、決斷、敏捷、知人善任、學識和技能的綜合應用等方面。因而，本課程的教學內容必需要加入思政元素，包括彈性力學和有限元法相關歷史人物事跡、工程項目管理基本素養、工程倫理等。

（三）加強實踐模塊，促進學生解決實際工程能力

有限元法在機械零部件的設計中已經是最有效的工具，所以在教學中構建專業應用模塊，為后續的專業課留接口，可促進學生力學知識的遷移。選擇項目組已完成或正在進行的課題，劃分成小的項目任務，供學生選擇，并以企業要求為標準進行實踐教學。目前已采用的項目任務包括摩擦制動過程摩擦片溫度場的瞬態問題、摩擦片熱應力分析、基于疲勞特性的空心穩定桿設計、基于疲勞特性的實心穩定桿設計、小排量發動機平衡軸的設計、前懸架彈簧設計分析、后懸架彈簧設計分析、氣門彈簧節距變化的力學特性分析、沙灘車的優化設計等等。在實踐教學中，采用工程問題建模、CAE建模、工程項目解決為主線的臺階式教學方式，使教學目的層次分明，使得學生掌握基本的CAE分析技能;而工程問題及工程項目的解決，更注重學生綜合應用的能力、系統集成的能力和創新能力的培養。

二、改革教學模式，優化人才培養途徑

教學模式決定了人才培養途徑。在新工科視角下，由于需要的綜合應用能力，研究性學習應該是教學的主旋律。研究性學習理論來源于建構主義，其本質在于知識的自主構建，即學習的過程分為轉移、混沌即再構。為此，堅持以學生為中心，利用真實工程問題的解決，充分發揮學生的積極性，最終實現學生對所學知識的自主構建，訓練工程實踐能力。

（一）引入PTM 模式，促進學生自主探究

PTM（Project-driven Teaching Method）項目驅動教學模式是以真實工程項目為載體，讓學生自由組隊，從工程案例庫中選擇項目，完全按照工程項目流程：從需求解讀、項目分解、方案設計、中期匯報、風險評估、課堂答辯、結題總結等。每個小組都嚴格執行，完成一個項目的實施流程。

（二）采用準雙語教學，為閱讀英文專業文獻打下基礎

為了拓寬學生的國際視野，推薦學生查閱英文文獻、英文專利和標準等。在教學中，采用準雙語授課，即涉及到力學概念、原理等描述均采用雙語講義，并以翻轉課堂形式要求學生學習國際著名大學的公開課視頻，讓學生及早接觸科技英語。

（三）開展項目組演講匯報，增強溝通表達意識

對于每個項目的最終結題，必須經過課堂答辯，最終以 PPT 演講的形式向全班展示對問題的分析、解決方案以及結果。臺下每位同學都可以進行評論和提問，氣氛十分熱烈，按照合同要求及評委們的最終意見，決定是合格或者優秀。在此過程中，學生感受到了工程問題解決的樂趣，增強了工程意識。

三、探索課程考核方式，改進學業評價

課程評價一般是“一張試卷定成績”，這顯然不能完全客觀地評價學生的掌握情況，尤其調整后的教學過程更加注重理論與工程實踐結合，因而，需要引入多元化的課程考核模式。本課程總評成績由理論考核、工程實踐、平時成績三塊組成，其中理論考核為期末閉卷考試分數;工程實踐分為匯報答辯及項目結題論文評分兩部分;平時成績分為出勤、課堂參與度、查閱外文資料及學習知名大學公開課情況及作業等組成，整個課程最終評價由三項加權給出。

四、結束語

在創新教育觀和新工科人才觀下，我們對本校與LTU合作辦學的機械設計制造及其自動化專業的核心課程《彈性力學有限單元法理論及工程應用》課程進行教學改革，主要涉及到教學內容的設計、工程項目實踐的項目驅動法的實施以及對應于教學內容及新教學法的學業評價標準的制定等。四年來的實踐結果表明，學生對于有限元法的理解及應用、工程意識和創新能力都有了很大提升，尤其是在畢業設計、實習工作中更能體現。

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]郝會穎，趙長春，張自力，等.談創新教育視角下拔尖人才培養的載體、途徑和學業評價——以大學物理課程改革為例[J].物理與工程，2017，27（6）：90-94.

[3]鄭泉水.論創新型工科的力學課程體系[J].力學與實踐，2018， 40（2）：194-202.