基于新工科六問構建研究型大學工科實踐教學體系

韋磊 張宏 楊睿 王殿龍 孫晶

摘 ?要：實踐教學體系在研究型大學人才培養過程中起著非常重要的作用。結合“天大行動”提出的新工科六問，給出新工科理念指導下的實踐教學六問，并指出目前工科實踐教學體系存在的主要問題;在深度分析新工科人才的共性能力特征及關鍵素質的基礎上，探索性建設了校企協同實踐平臺、工業級實驗平臺、科教融合實踐平臺和自主創新實踐平臺等四類實踐平臺，旨在提升新工科建設背景下的人才工程創新能力。

關鍵詞：新工科;實踐平臺;實踐教學體系

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）33-0098-04

Abstract： The practical teaching system plays an important role in the process of cultivating talents for research universities. This paper presents Practice Teaching Six Items according to Emerging Engineering Education Six Items raised in the Tianjin University Meeting of April 8th， 2017. After pointing out main problems for practice teaching system， based on deeply analysis about common competencies and key competencies of the engineering talents， this paper constructs four practice platforms comprised of industry-university collaboration platform， industrial grade experimental platform， research-teaching integration platform and independent innovation platform in order to improve the engineering innovation ability.

Keywords： emerging engineering education; practice platform; practice teaching system

一、研究背景

新工科建設是我國高等教育面對新一輪科技革命和經濟發展新態勢做出的主動應對，也是我國為推動科技、產業變革所做出的積極承諾[1-3]。從2017年4月8日，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，即“天大行動”，提出著名的新工科六問[4]，到如今新工科已經發展為“卓越工程師教育培養計劃”2.0的核心內容和主要抓手，新工科在高等教育改革實踐層面的探索和發展取得了一定的成效。新工科建設明確指出，實踐能力是新工科人才必須具備的基本能力之一。實踐教學體系對于研究型大學人才培養來說，意義重大[5-7]。結合“天大行動”新工科六問，我們思考新工科背景下的實踐教學體系建設，得出新工科理念指導下實踐教學六問，如圖1所示。近年來，我們嘗試按照其中“幾問”做了探索性工作，重在構建有效提升人才創新能力的實踐教學體系，以符合以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟發展需求。

二、實踐教學中普遍存在的問題

新產業革命發展與深化對機械類精英人才培養提出了新的要求，工程創新能力是機械類精英人才的核心素質，如何培養人才的工程創新能力成為近年來工科高校教學改革的主旋律。然而現有實驗內容與行業企業實際和新經濟發展脫節，未能將復雜工程案例、前沿科學技術有機融入實驗教學體系，重理論，輕實踐，尤其是創新訓練嚴重不足，難以滿足“中國制造2025”“互聯網+”“人工智能”等國家級戰略對機械類人才知識體系的要求。

（一）實踐平臺的建設由課程決定，偏離產業需求

現代科技快速發展，如大數據、云計算、物聯網應用、人工智能、虛擬現實、基因工程、核技術等新技術和智能制造、集成電路、空天海洋、生物醫藥、新材料等新產業相關的新興工科專業和特色專業集群被大力發展，在工科類教學體系中的比重逐漸增大。在此情況下，本科實踐教學往往呈現出“變量小”“滯后強”的特點。傳統的實踐平臺建設往往取決于課程設置，即有什么樣的課，就設置什么樣的實踐平臺，而目前大部分的工科課程體系設置都過于陳舊，遠遠偏離了產業需求。只有問產業需求建立實踐平臺，才能配合更新改造傳統工科專業，服務于新工科專業建設。

（二）實踐內容由實踐平臺決定，跟不上技術發展現狀

工科專業往往根據已有的實踐平臺設置實踐內容。而當今技術飛速發展，與理論課程相對應的工科實踐平臺的設計、生產、運行周期較長，無法與時俱進，平臺陳舊則實踐內容陳舊，很難跟上科學技術發展現狀。將產業和技術的最新發展、行業對人才培養的最新要求引入實踐教學過程，即問技術發展改革實踐教學內容，更新實踐教學內容及實踐知識體系。

（三）實踐方法由實踐內容決定，不考慮學生理解與掌握程度

由于目前大部分工科專業的實踐內容都偏于對理論教學的支撐，多為驗證性實驗，而面對全新的知識體系和能力培養要求，以驗證為主要目標的傳統實踐教學環節難以勝任新興專業的需求。實踐環節的本意是配合理論教學，結果驗證性實驗枯燥無味，對學生理解理論知識點幫助不大，很難令學生對實踐內容深度掌握。因此，針對上述問題，應積極推進信息技術與實踐教學的深度融合，充分利用諸如虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式方法，將以學生為中心的理念貫穿到實踐教學方法改革過程中。

（四）實踐系統管理機制陳舊，學校推進但不跟進

盡管目前各高校都積極推薦國家級教學實驗示范中心和虛擬仿真中心的建設，但重點都放在了中心的硬件建設上，相比而言，實踐系統的管理機制建設卻較為緩慢，學校層面盡管制定了相關政策，但執行不暢，導致實踐管理系統陳舊，招聘機制、考核機制、晉級機制等多年未變，難以調動實踐系列教師的工作積極性和創新性。因此，學校層面要積極跟進管理機制改革，同時實驗中心也要主動作為，發揮中心職能作用，積極開展機制改革探索工作。

（五）實踐體系自娛自樂，產學合作協同育人形式化

多年來，實踐教學體系的建設都僅限于校內，不走出去，也不請進來，自娛自樂。近幾年，產學合作協同育人的思想被引入人才培養模式，作為產學合作協同育人的最佳載體，實踐教學體系應在此方面進行深度思考，拿出可行方案。首先，將實踐環節的地點設置到校外，不應僅限于實習實踐環節，對于理論課程的實驗環節也應該走出去;其次，應充分利用教師的科研優勢和企業的產業優勢，依托師資力量和已有的實驗教學中心，由行業領軍企業冠名，在高校內建設工業級實驗實踐平臺。最后，該平臺除硬件建設上與企業內工況保持一致外，還應該聘請企業工程技術人員以線上或線下的方式走入實踐課堂，構建有實際內涵的校企協同育人模式。

（六）實踐體系難以契合國際標準

目前，很多課程的建設過程已經能做到對標國際，包括教材選用、課程內容、教學方法、考核方式，甚至師資。但實踐體系一直以來都難以契合國際標準，實踐平臺、實踐內容、實踐方法以及實踐管理體系等都很難跟進國際上高等教育的最新發展動態。實踐教學體系也應同步理論課程體系建設，著眼國際前沿，以面向未來和新工科建設為追求目標，努力構建具有一定國際化水平的實踐教學體系質量新標準。而依托虛擬仿真等信息化技術，實踐教學可實現向全球高校開放，一方面通過與國際同行交流加強實驗實踐平臺與內容的國際化建設水平，另一方面推動教育資源全球共享化，提高人才培養質量上的引領、示范、輻射作用。

三、面向新工科的實踐教學體系

從2017年2月的“復旦共識”[8]開始，至2017年4月的“天大行動”，到2017年6月的“北京指南”[9]，伴隨著一系列的指導及建設性政策發布，新工科建設有雨后破竹般在各高校相繼展開。作為工科優勢高校，大連理工大學也同期推進了新工科建設工作，尤其是機械工程學院，更是以“機械工程國家級實驗教學示范中心”和“工程訓練國家級實驗教學示范中心”為建設載體，歷經三年多的時間，在實踐體系建設方面，做了部分探索性的工作。

（一）面向新工科的工程新素質

通過深入分析適應社會和行業發展、面向未來的新工科人才培養需求現狀發現，新工科人才要具有三種共性能力特征，即以端正的世界觀、人生觀、價值觀以及科技倫理觀為代表的人文素養，以擁有扎實的專業基礎知識和寬泛的交叉技術領域為主的知識與技術能力，以無限的創新潛質、終生具有的科研興趣與好奇心為代表的創新精神?；谛鹿た迫瞬诺纳鲜鋈齻€共性能力特征可知新工科人才應具備的關鍵素質，主要包括：社會素質（歷史使命、責任擔當）、專業素質（專業知識、工程實踐）、創新素質（工程研究、求知探索）等。

（二）新工科實踐平臺建設

大連理工大學機械工程學院在深度分析新工科人才的共性能力特征及關鍵素質的基礎上，按培養新工科人才關鍵素質的類型，空間上校內外協同，時間上貫穿本科四年，探索性建設了四類實驗實踐平臺。

1. 校企協同實踐平臺

探索企業參與開發和建設的專業實踐平臺的可行途徑，打造一批智能制造、綠色制造、“互聯網+制造”等領域由校企聯合開發的教學資源，針對新工科專業的多學科交叉融合的特征和對新工科專業工程人才在知識、能力素質上的新要求，推動教學實驗環節的再造和升級。充分依托校內國家級教學科研平臺，并與國際知名企業聯合建立實踐教學基地，從而實現學生實踐能力的多層次逐步提升，多學科融會貫通，使學生不僅具有實踐能力，更具有大工程觀念。該平臺主要建設了以下內容：

（1）面向理論課程的企業實踐平臺。針對理論課程教學，以實際工程問題為切入點，建設圍繞理論課程的企業實踐平臺，把理論內容移至企業現場，由校內教師和企業工程師聯手為學生打造走進企業的理論課程。該平臺的建設將被動式知識灌輸模式改變為以課程創新任務為主的引導模式，將以理論講解為主的課堂教學方式改變為以實踐應用為目的從課堂到企業的實踐教學方式，使得學生對理論知識的理解事半功倍。

（2）集中授課與分散指導相結合校企雙導師畢業設計模式。實施貫穿選題、指導、答辯全過程的校企協同畢業設計管理與指導模式。在選題階段，校內導師與企業專家聯合提出具有企業實際背景，即來自于真實世界的畢設題目。在畢設進行過程中，聘請企業專家針對常用的現代工程軟件進行集中培訓，并在隨后的使用過程中給予分散指導。最后，由專家對常用科技文獻撰寫軟件再次進行集中培訓，并參與最終畢設答辯環節。這種集中-分散-集中的畢業設計模式綜合鍛煉與提升了學生的創新和實踐能力。

（3）以解決實習企業現場工程問題為導向的生產實習模式。提出以促進學生知識運用為目的、以解決企業現場工程問題為導向的生產實習模式。實習前校企指導教師之間充分溝通，提煉工程一線實際問題。通過企業現場授課使學生了解企業的組織結構、工藝流程、生產水平、工藝原理等基本背景知識，并分組提出問題供學生思考。實習過程中，企業導師參與實習準備、指導、討論、答辯全過程。這種校企深入合作的生產實習模式能有效提高學生的實踐和創新能力，激發學生實踐學習的積極性和主動性。

2. 工業級實驗平臺

為培養社會素質和專業素質，聘用企業工程師參與平臺建設規劃，在校內實現對工業現場的真實復現和工程訓練的立體化全方位教學，在工程實踐中強化學生對專業知識的理解。學生在實踐中可針對這些具有工程背景的技術問題提出自己的解決思路，并進行實踐驗證，一方面培養學生解決實際問題的能力，另一方面通過與企業實際解決方案的對比，分析各自方案的優缺點獲得進一步提升。該平臺主要建設了以下內容：

（1）以力士樂DS4液壓系統為代表的裝備設計與

控制類實驗平臺。以工程實踐典型案例為依托，抽取出適用于理論教學的內容，從工程角度出發，教師提出技術要求，并指導學生設計實驗步驟。按照工業標準建設實驗室，搭建工業級實驗平臺，學生根據自行設計的實驗步驟論證可行性后在工業級實驗平臺上獨立完成實驗，以此引導學生的學習主觀能動性，激發學生自身的創造性和實踐動手能力。這種選取工程真實案例作為實驗教學內容的裝備設計與控制類工業級實驗平臺，能有效實現對學生的工業級訓練，提升學生的工程意識和專業素養。該平臺還將虛擬仿真與工程實驗深度融合，以企業實際工程項目為牽引，以學以致用為目標驅動，將虛擬仿真技術引入液壓教學環節，用線下工程實驗來驗證線上虛擬仿真結果，有效解決了無法高效利用先進實驗設備開展創新性實驗的問題，提高了學生的創新能力和動手實踐能力。該平臺為國內首次將線上虛擬仿真技術與線下工程實用平臺融合為一體，可實現遠近程交互式專業知識學習的實驗教學成果。

（2）以全開放制造島式FMS為代表的先進制造實

驗平臺。以企業為依托，建設了能體現現代重大裝備制造企業現狀的“全開放制造島式FMS實踐教學系統”，該系統是目前國內首個基于先進實驗教學理念而建立的大型工業級的柔性制造系統，為學生提供了一個具有開放性、創新性和可參與性的實驗平臺，培養學生“工業4.0”的智能制造理念，豐富了實踐教學內容，強化了基本技能，增加了實踐動手訓練機會，最終達到提升學生的綜合實踐能力和創新能力的目的。

（3）以虛擬焊接和交互式學習系統為代表的虛實結合工程訓練平臺。在工程訓練的焊接環節引入虛擬仿真技術，將焊接操作過程虛擬化、仿真化，學生可以通過虛擬焊接設備調節電流/電壓參數、焊接距離、焊條角度等，模擬出真實焊接的效果?；谠鰪姮F實AR技術的實訓教學系統將傳統意義上的二維圖轉變為可識別的三維模型，即將加工圖紙與加工實體直接對接起來，學生可通過手機端應用程序APP，對相關圖紙進行掃描和手指操控，在屏幕上查看加工零件的三維圖、加工工藝流程圖和設備操作安全須知。

3. 科教融合實踐平臺

為培養創新素質，將學科內若干優秀科研成果轉化為創新的實驗內容和創新型實驗裝置，促進學生了解和掌握機械制造領域的前沿技術，建設了科教融合實踐平臺。該平臺主要建設了以下內容：

（1）以開放式機械工程測試、機械振動測試、起重機械高速動態應力測試等系統為代表的機械測試類平臺。以學科優勢促進實踐教學改革，構建了獨具特色的基于科研成果轉化的實驗項目及其平臺，自主研發了“面向重大裝備關鍵部件重載作用下的應力應變測試實驗裝置”“機械振動測試試驗臺”“起重機械高速動態應力測試系統”等科教融合的實驗平臺，內容先進，訓練綜合，有利于本科生了解和掌握機械制造領域前沿技術。

（2）以裝配緊固技術實驗系統為代表的機械設計類平臺。該平臺主要包括緊固件幾何參數及形貌檢測、緊固件摩擦系數及軸向力檢測、緊固件防松脫特性檢測、緊固裝配工藝試驗、緊固系統動力學等部分，采用理論為基礎、試驗為支撐、任務為導向的實驗教學模式，以提升學生的測試、分析和設計能力。

4. 自主創新實踐平臺

為培養創新素質，提供固定場地和實驗設備，形成學生自主創新實踐平臺。面向國內外科創競賽，建立團隊式管理模式，以機械創新設計大賽、起重設計大賽等國賽為牽引，強化對學生工程創新能力的培養。該平臺主要建設了以下內容：

（1）以工業機器人和機電一體化實現為主的控制實驗系統。“智能制造”是《中國制造2025》明確的主攻方向和突破口，工業機器人是智能制造中實現柔性自動化的基礎設施。針對部分理論課程及綜合性實驗項目，搭建了機器人作業、恒力維持及視覺跟隨系統及其配套模塊。除理論課程及綜合性實驗外，該類控制實驗系統也為創新創業及畢業設計提供平臺支撐。

（2）以服務學生自主創新、面向科技競賽為主的機械創新平臺。學生競賽是檢驗本科人才培養的有效手段之一，通過競賽，學生能將理論所學與實踐應用緊密結合，以競賽和獲獎為目的，培養和提升學生的創新能力。將創新大賽與大學生創新項目結合，搭建以服務學生自主創新和面向科技競賽為主的機械創新平臺，探索出一種創新人才培養的新模式，對培養學生在重大裝備的創新設計能力與實踐動手能力方面具有十分重要的意義。

四、結束語

結合新工科六問，提出了實踐教學六問，旨在建設培養人才工程創新能力的實踐教學體系。經過一年的探索與實踐，大連理工大學機械工程學院嘗試著回答了六問之一二，建設了四類實踐教學平臺，包括校企協同實踐平臺、工業級實驗平臺、科教融合實踐平臺和自主創新實踐平臺，致力于人才工程創新能力的提升。在前期建設基礎之上，我們將會秉承新工科理念，繼續建設符合高等教育發展趨勢的實踐教學體系，為新工科建設提供支撐。

參考文獻：

[1]顧佩華.新工科建設發展與深化的思考[J].中國大學教學，2019（9）：10-14.

[2]劉坤，陳通.新工科教育治理芻議[J].中國大學教學，2020（1）：37-41+64.

[3]李君，陳萬明，董莉.“新工科”建設背景下人工智能領域研究生培養路徑研究[J].學位與研究生教育，2021（2）：29-35.

[4]“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[5]劉媛.大學生創新實踐教育多層次培養方法的研究[J].高教探索，2016（S1）：177-178.

[6]鄭家茂，熊宏齊.圍繞研究型大學人才培養，建設開放創新的實踐教學體系[J].高等工程教育研究，2008（3）：94-97+116.

[7]常維亞，邢鵬，趙莉.探索建立研究型大學本科實踐教學模式[J].中國高等教育，2004（9）：24-25.

[8]“新工科”建設復旦共識[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E2%80%9C%E6%96%B0%E5%B7%A5%E7%A7%91%E2%80%9D%E5%BB%BA%E8%AE%BE%E5%A4%8D%E6%97%A6%E5%85%B1%E8%AF%86/20612927？fr=Aladdin.

[9]新工科建設指南（“北京指南”）[EB/OL].http：//education.news.cn/2017-06/13/c_129631611.htm.