“大工程觀”視域下一流機械工程人才培養研究與實踐

江桂云 羅遠新 李聰波

摘 要：本文探索了機械工程人才培養的“大工程觀”內涵，對機械工程人才培養“大工程觀”形成過程、課程體系構建、非正式學習能力教學模式、新型工程實踐教學體系構建等進行了研究與實踐，構建了與一流機械工程專業人才培養相適應的課程體系和培養模式。

關鍵詞：大工程觀;機械工程;人才培養;課程體系;培養模式

新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑。中國制造轉型過程中工程人才結構性過剩與短缺并存，傳統產業人才素質提高和轉崗轉業任務艱巨，而領軍人才和大國工匠嚴重緊缺[1]。傳統的機械工程師培養主要致力于某一專業（專業面很窄）領域的技術人才，這類人才對大而復雜的工程產品（如深海探測、大飛機、航天飛船、智能裝備、自動化生產線、高端數控機床等）缺乏大工程觀系統性認識，成為領軍人才的潛力不足[2]。對傳統機械工程專業人才培養模式進行升級改造，建設一流機械工程專業，培養具有國際競爭力的機械工程技術人才迫在眉睫。

一、一流機械工程專業人才培養的現實背景

MIT新工程教育推進中心在2018年“The global state of the art in engineering education”報告中指出，中國、印度、巴西等國在本科課程體系結構、內容和講授方法等方面固化，給予學生實踐與創新空間非常有限。同時，單一固化的專業知識架構在很大程度上制約了跨學科的工程創新能力[3]。李培根院士也指出，未來的優秀工程師應該具備大工程觀，具備多學科知識和系統認識，工程通常包含多學科的問題，能夠從多學科的視角審視某一工程問題[4]。

如何培養具有大工程觀的未來卓越工程師，是一流機械工程專業建設面臨的首要難題。目前，我國工程教育主要存在如下問題：①工程教育的培養層次、結構體系不適應我國經濟發展對工程人才的需求;②傳統專業對人才的培養受到學科壁壘限制，窄化了工程人才的知識體系;③專業藩籬，限制了工程人才的大工程觀，工程教育缺乏對復合型工程人才的培養;④教學體系不適應工程特點，缺乏對課程的邊界分析，僅考慮學科體系的完整性，缺乏適應現代工程特點的變化;⑤工程教育未能有效面向工程實際，工程教育與企業合作不夠緊密，校企隔閡阻礙了工程人才的市場匹配[5-7]。

因此，以一流機械工程專業建設為目標，以培養具有大工程觀的未來卓越工程師為根本任務，對傳統的機械工程人才培養模式進行升級改造，培養具有大工程視野的未來優秀工程師和領軍人才，以適應未來我國創新驅動需求和全球化科技工程競爭環境，具有重要的現實意義。

二、機械工程人才“大工程觀”視域研究

1.“大工程觀”內涵

“大工程觀”是由1993年麻省理工學院時任院長喬爾·莫西斯提出來的。他指出，工程教育的改革方向是要使建立在學科基礎上的工程教育回歸其本來的含義，更加重視工程實際以及工程教育本身的系統性和完整性。“大工程觀”的本質就是將科學、技術、非技術、工程實踐融為一體，其主要特征是實踐性、整合性和創新性。“大工程觀”就是“以整合、系統、應變、再循環的視角看待大規模復雜系統的思想”[8]。大工程觀包括宏大或復雜工程視野、工程的多學科視野及其所需要的科學基礎素養，此外還應包含相應的人文情懷及工程組織素養。

2.機械工程人才的“大工程觀”

對于機械工程來講，大工程觀不僅體現在大型復雜工程項目，如航天飛機、艦船、汽車、衛星火箭等，這些項目本身就是大系統、復雜工程，知識領域涉及材料、環境、機械、控制、計算機、社會、工程管理等眾多學科。一個小的機械產品也可能成為一個“大”的工程。因為一個小的機械產品完全可能涉及多學科及相應的產業鏈。例如，齒輪、軸承涉及電子、物理、材料、制造、機械、化學等諸多領域，涉及材料、機械制造、電氣、服務等多個行業。

在機械工程人才培養方面，需要研究機械工程師在大工程領域能夠解決的工程問題和承擔的角色，探討機械工程科學知識系統范圍的制約、多學科交叉與融合機制。例如，高性能齒輪設計分析與制造工程涉及動力學、疲勞設計、切削工藝、塑性成型與熱處理、噪聲、壽命、潤滑理論、接觸分析、材料、宏觀幾何設計、微觀修形設計、傳動誤差等多學科交叉知識，體現了數學、自然科學知識（物理、化學）、工程基礎知識（力學、熱學、聲學、光學、材料科學、噪聲、振動、潤滑）、機械專業知識（加工、制造、設計方法等）的系統性和綜合性、實踐性和創新性。齒輪從開發、設計到使用的整個生命周期還涉及到上下游產業鏈、環境可持續發展工程對卓越機械工程師應具備的資源優化配置、綜合統籌能力的挑戰。

在機械工程實踐中，機械工程師要完成機械零件、產品（或機器）、系統、工藝設計、制造、使用、維護等工程項目。很多機械工程項目都將涉及機、電、液、控制、材料、計算機等多學科知識系統的交叉融合，涉及工程倫理、社會責任，涉及大工程多維度整體論思想，即考慮工程與全球、國家、社會、環境、經濟、文化、道德等各個層面的影響機制。因此，機械工程人才培養大工程觀是建立在機械工程學科基礎上的工程教育，將科學、技術、非技術、機械工程實踐融為一體，應具有宏大或復雜工程視野、機械工程的多學科視野及其所需要的科學基礎素養、相應的人文情懷及工程組織素養。對于一位優秀的機械工程人員，無論從技術角度還是從產業角度，都需要有對多學科甚至多行業的認知與理解。對于一位機械工程專業學生（尤其是優秀學生），無論未來從事技術、學術、企業管理工作甚至創業，是否具備大工程觀乃是其能否真正成才的重要因素。

三、機械工程“大工程觀”人才培養路徑研究

1.機械工程人才培養“大工程觀”形成過程

機械工程人才“大工程觀”的形成過程具有四重境界，即工程導論階段（“迷茫”）、理論教學階段（“追逐”）、工程實踐階段（“悟道”）和終生學習階段（“得道”）。

因此，對于機械工程人才“大工程觀”的培養，首先需要研究機械工程師應具備的科學基礎和宏觀知識架構體系，探索科學基礎和宏觀知識架構培養的基本方法和實現路徑。其次，研究學生大工程知識體系中的嘗試實踐、理論教學、綜合實踐等教育模式和方法，探索大工程教育主要環節評價方法與架構體系達成程度。再次，研究工程的人文情懷和工程組織能力達成的教學內容和教學環節，分析氛圍環境對其影響機制，探索推動氛圍環境改善的措施。此外，還需要研究基本知識架構對自學與自教育能力的影響機制。

2.構建機械工程專業課程體系

依據機械工程師應具備的科學基礎和宏觀知識架構體系（主要通過課程體系來達成）進行課程設置與教學改革是大工程觀教育改革的核心。

（1）按工程過程的基本規律構建課程體系。一般情況下，機械工程過程可劃分為產品構思—設計—制造—使用—回收再利用五個階段，核心在產品構思—設計—制造，因此需夯實基礎課程，如數學、自然科學基礎、工程基礎類課程，特別是工程基礎類課程，如力學（工程熱力學、熱工學、流體力學、理論力學、材料力學、固體力學、應用力學等）、電學（電工電子、數字電路、電磁學等）、材料類科學（工程材料、材料成型技術基礎等）、管理類課程（系統工程學、企業管理、市場營銷等）。也要加強人文科學、社會科學基礎，以實現工程與人文、工程與環境、工程與道德的有機結合，使學生具有較強的發展潛力，增強對不同工程項目的適應性及運用工程的社會屬性去分析解決工程問題。

在夯實基礎課程基礎上，機械工程專業課程體系設置應遵循設計—制造的工程鏈順序，按照設計類課程—制造類課程的體系進行布置。設計類課程包括機械制圖、機械原理、機械設計、機械精度設計、流體傳動與控制、機械工程測試技術基礎、控制工程基礎、機電系統設計等課程，制造類課程包括機械制造技術基礎、數控編程與工藝、精密與特種加工、先進制造技術等。在充分研究基礎上，確定合理的課程先后順序及彼此間的關聯。各課程組按工程視域實現螺旋式上升，使學生從認識簡單工程、認識中等工程到認識復雜工程步步推進。

在使用—回收再利用工程環節，還可以增設產品生命周期管理、綠色制造、企業管理、現代質量工程等課程，培養學生對產品全生命周期、環境及可持續發展的深入理解，在工程實踐過程中追求人與人、人與社會、人與自然和諧相處。這也是高等工程教育的最高境界。

課程設置還應注重多學科交叉，培養學生從全局、系統工程的角度審視工程問題的能力，開設全校性的跨學院、跨學科選課，并規定每個學生必須選擇的最低學分。此外，通過設置新興前沿課程和傳統優勢專業模塊，如智能制造、機器人、機械傳動、重型機械、現代制造方向、制造信息化、機電控制等專業模塊課程，實現個性化專業方向培養，達到“大工程觀”視域下通才培養與專才培養的平衡。

（2）以“意義建構”組織課程，使課程體系從“層狀”轉向“網狀與層狀融合”。傳統的課程體系設置一般按照公共基礎課程、自然科學基礎課程、工程基礎課程、專業基礎課程、專業課程的順序展開。這比較符合學科體系，但過于注重各門課程自身知識的完備性、系統性和科學性，使工程教育過于科學化。各門課程間的聯系較少，缺少工程的系統性和綜合性。應在層狀課程體系基礎上，按工程的系統性和綜合性加強課程間的縱向聯系及橫向聯系，形成課程體系的網狀結構。

（3）機械類核心課程邊界再設計。①按照現代產品全生命周期設計理念，從概念提出—市場調研—方案設計—詳細設計—優化分析—可靠性評估—服役性能評估—循環再利用等環節，重新界定機械設計學、機械零件、機械有限元方法、機械精度設計等課程的課程邊界，理論教學環節應更加注重力學理論（與材料力學、理論力學的邊界）以及優化設計、抗疲勞設計等現代設計方法的融合，實踐環節則強調產品全生命周期設計理念。②教學環節應注重制造過程的基礎理論，實踐環節則注重從大工程觀視域提出制造工藝方案，注重工程職業素養、環境可持續發展等在機械制造中的應用。③以統一的機電控制“大工程觀”視域分析控制工程基礎、機械電氣與自動化、傳感與測試、機電系統設計、流體傳動與控制等課程的核心內容和主要方法，注重各課程間的外在聯系，厘清各課程與機電系統工程間的聯系。

重慶大學機械工程專業將原有的三大類7～8門課程整合為“機械設計”“制造技術”“機電測控技術”3門核心課程，實現了多門課程的整合。課程邊界更加明晰，有利于培養學生的整體性、系統性思維。

（4）加強課程內容“關聯”研究。工程專業教育需要培養學生對一些宏觀問題、重大問題、事物進行整體聯系的觀察、感覺和思辨能力。因此，教師需要在教材、教案知識點、問題設計等環節，通過課程集中研討、跨課程集中研討等途徑，引導學生建立問題空間及知識點間的關聯。

3.探索非正式學習能力教學模式

大工程觀十分強調終身學習能力和自學習能力，自學習能力是能否具有大工程觀的關鍵。工程教育除了傳授給學生必要的專業知識外，還需要在教學的多個環節注重學生自學習能力的培養。

現代教育技術和教學模式為學生提供了培養自學習能力的機會。探索學生自學習能力培養的途徑包括：通過MOOC/SPOC等網絡資源、仿真系統、VR/AR虛擬教學等環境下的非正式學習模式（如圖1），研究碎片化知識體系形成的新模式;通過可汗學院等學習模式，引導學生學習課外知識點，使學生快速掌握基礎理論知識，培養其終身學習能力;在實踐環節或實際問題中培養學生對未知問題的學習和解決能力;通過小組協作和同伴學習模式，借助學生成績等大數據，建立分組學習模式。

4.構建新型工程實踐教學體系

回歸工程教育的核心在實踐，本質是回歸工程實踐。傳統實踐課程體系重心在實踐，但缺乏按照工程項目思路規劃學生的實踐過程，解決工程項目問題的環節單一。工程實踐應該從“工程鏈”的各個環節出發，工程實踐教學體系應包括核心系列課程工程實踐項目設計，以及對傳統的電子實習、生產實習、畢業設計進行升級改造，構建創新實踐平臺。

（1）核心系列課程工程實踐項目設計。根據核心課程體系與學生知識掌控能力，借助工程項目驅動，促進學生知識運用能力和關聯力的構建。我們采用系列課程工程實踐項目設計，建立了“工程學導論”“機械制圖”“機械原理及設計”“機械制造”“機電測控”五個大的課程實踐項目設計。除工程學導論外，其余四個課程工程實踐項目力求與企業深度融合，課題盡量來源于企業需求，將企業課題與學生創新思想探索課題相結合。這五個課程實踐項目從工程鏈視角出發，依據產品構思—設計—制造，并考慮運行、維護、再利用及回收處理等環節，從元器件購置及制作，到產品裝配、調試及運行，實現真正生產意義上的工程項目設計。

上述每個課程實踐項目設計都是以學期或學年為單位，從選題、分組到開題、中期報告、結題驗收、產品運行、展覽等環節，學生全部按照工程項目的實施進度、實施辦法、項目管理及結題驗收流程進行運作，將科學、技術、非技術、工程實踐融為一體。通過這種工程設計，整合理論教學與實踐教學，從而真正形成大工程觀視域下的工程實踐教學體系。

（2）升級改造電子實習、金工實習、生產實習和畢業設計等工程實踐。如果把傳統的電子實習、生產實習和畢業設計稱為“工程實踐1.0”的話，那么可以將新型的電子實習、金工實習、生產實習和畢業設計稱為“工程實踐2.0”。例如，由于學生人數眾多，傳統的生產實習更多的是生產工藝的參觀實習，學生的工程實踐獲得感不夠深刻。新型的生產實習將原來的大規模參觀劃分為多個小組甚至到個人，按工程鏈流程規劃學生的生產實習任務，由學生帶著任務，在企業中頂崗實習（具體崗位+產品開發設計制造，學生在實習期間還能獲得一定的補貼）。

（3）構建創新實踐平臺。重慶大學機械工程專業以“機械基礎及裝備制造國家級虛擬仿真實驗中心”“機械基礎國家級實驗教學示范中心”“機械工程一級重點學科和機械傳動國家重點實驗室”為基礎，聯合長安汽車股份有限公司、重慶固高科技長江研究院等企業進行產學研深度合作，開展3D打印機設計制作、機器人科研訓練、測控科研訓練、智能制造科研訓練、無人機科研訓練、無碳小車科研訓練，舉辦先進制圖大賽、機械創新設計大賽、機器人大賽等多層次的學科競賽，搭建跨學科創新實踐產學研實訓實習平臺，為人才培養提供科研與教學實踐開放基地。同時，結合前沿科學研究和重大工程實踐，動態設置跨學科實踐教學團隊，增設跨學科專題訓練、科研項目訓練環節，注重培養學生機械創新設計能力和解決復雜工程問題能力，促進學生創新實踐能力持續、遞進提升。

參考文獻：

[1] 王沛民，孔寒冰.我國高等工程教育需要整體反思[J].中國高等教育，2001（5）：28-30.

[2] 李培根.工程教育需要大工程觀[J].高等工程教育研究，2011（3）：1-3.

[3] Duderstadt J J， Michigan U O， Project M. Engineering for a Changing World： A Roadmap to the Future of Engineering Practice， Research， and Education[J]. Journal of Engineering Education， 2008， 97（3）：389-392.

[4] 李培根.工科何以而新[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：1-4.

[5] 朱高峰.中國工程教育的現狀和展望[J].清華大學教育研究，2015（1）：13-20.

[6] 陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[7] 李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養質量提升路徑探析[J].高等工程教育研究，2015（6）：17-23.

[8] 謝笑珍.“大工程觀”的涵義、本質特征探析[J].高等工程教育研究，2008（3）：35-38.

[基金項目：（1）重慶市高等教育教學改革研究重大項目“一流機械工程專業人才培養供給側改革研究與實踐”（181016）;（2）重慶市高等教育教學改革研究重大項目“教育教學環節與能力培養的映射關系研究與教學實踐”（1201034）]

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