?新工科背景下機械類本科生實驗和實踐創新能力培養研究與實踐

摘 "要 "新工科背景下，從建立新型學習環境入手，構建機械類本科生虛實結合的開放式實驗教學體系，系統建設與實體實驗互依共存、優勢互補、虛實結合的機械設計、機械制造、機械電子實驗教學平臺和學生課外科技創新平臺，并利用互聯網技術搭建一個網絡化24小時開放的學習環境，做到虛實結合、優勢互補，實現資源校內外共享，形成自主式、合作式、研究式、開放式學習方式，極大地強化學生自主學習實踐和創新能力的培養，教學改革成效顯著。

關鍵詞 "機械類本科生；虛實結合；開放式實驗教學；實驗教學平臺

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）02-0006-05

Research and Practice on Training of Experiment and

Experimental Innovation Ability for Mechanical Under-

graduates Based on New Engineering Education： Taking Mechanical Engineering Experimental Teaching Center of Guangxi University as Example//MENG Yanmei， TANG Zhihong， DONG Zhen， WEI Jin

Abstract "Starting from the establishment of a new learning environment， the open experimental teaching system of me-

chanical and electrical undergraduates’ combination of vir-tuality and reality is constructed. In this teaching system， both

experimental teaching platform and student extracurricular technological innovation platform （which are consisted of the subject of Mechanical Design， Mechanical Manufacturing， and Mechanical and Electronic Engineering） are studied and built based on the aim of absorbing full advantages of mutual

coexistence with physical experiments， complementary advan-

tages， and combination of virtuality and reality. Moreover， in

order to realize the combination of virtuality and reality， the maximum open experimental teaching resources （24-hour-open network of learning environment） is built with the Inter-

net technology， so that in-class-teaching， extracurricular tea-

ching， virtual simulation， and actual operation can be realized

of four in one. In this mode， it can easily realize the sharing of resources inside and outside the school， and form the inde-

pendent， cooperative， research and open learning methods， which can greatly enhance the cultivation of students’ autono-

mous learning practice and innovation ability. Furthermore， the results of the teaching reform are noticeable.

Key words "mechanical undergraduates; combination of vir-

tuality and reality; open experimental teaching; experimental teaching platform

0 "引言

廣西大學機械工程實驗教學中心是學校的公共實驗教學平臺，中心實驗教學水平直接影響學生培養的質量。機械工程實驗教學中心從2008年起，一直不斷開展實驗教學改革，把以往依附于理論教學的孤立的、封閉式的實驗教學改變為教學互動、課程相互關聯的實驗獨立設課，同時基于新工科背景融入學科前沿技術，結合“互聯網+”虛擬仿真試驗，研究構建機械工程本科生“虛實結合，能實不虛”的模塊化、層次性、開放的實驗教學新模式，以解決同類實驗課程相互之間缺乏關聯性和系統性的突出矛盾，以及在實驗教學環節受到設備、場地、師資等因素限制的大型綜合性實驗項目難以開展的問題[1-5]。

1 "實驗教學模式改革

1.1 "實驗教學改革解決的主要問題

開放式虛實結合實驗教學模式建設以提高人才培養質量為根本目標，重點實現虛擬仿真實驗與實體實驗和互聯網技術的融合應用，主要解決兩大問題。

1）將依附于理論教學的孤立、分散的課程實驗的相關知識點、技能點進行優選、重組，融入新的知識和技術，構建層次模塊化的實驗教學內容，讓學生進入前沿、交叉、跨界、融合的境界，解決關聯課程知識的綜合運用問題。

2）淘汰一部分陳舊的驗證性實驗，騰出學時和空間，將前沿技術和科技成果以及高消耗的實驗研制成虛擬仿真實驗，建立線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，解決實驗教學開放性和先進性不足的問題。

1.2 "虛實結合開放式實驗教學內容系統建設

根據機械類人才培養需求，研究科研成果與本科實驗教學結合的方法，充分利用科研優勢增強實驗教學能力。構建由基礎性、綜合性、設計性、研究性實驗組成的機械設計、機械制造和機械電子以及學生課外實踐四個虛實結合實驗教學平臺，共十個實驗模塊教學內容[6]，如圖1所示。

1.2.1 "機械制造實驗教學平臺改革與建設 "該

平臺涵蓋金工實訓、機械制造技術基礎、先進制造技術、計算機集成制造、特種加工技術、機械CAD/

CAM、數控原理、數控編程等基礎課程和專業課程的實驗，由三個教學模塊的實驗獨立設課組成。通過典型完整的虛擬制造案例，學習掌握機械加工過程和工藝，以一個數字化工廠實例模擬機械制造企業車間布局和企業生產全過程，基于虛擬制造技術構建典型機械產品生產中的制造、裝配、質量控制和檢測等各個階段仿真實驗，讓學生學習掌握機械制造生產線、生產車間和制造工廠信息傳遞以及產品從設計到真實制造的過程。

1.2.2 "機械設計實驗教學平臺改革與建設 "該

平臺包括機械制圖、計算機繪圖、機械零件與原理、機械設計等基礎課程整合的機械設計基礎實驗，專業課程計算機輔助工程、虛擬樣機技術整合的虛擬樣機實驗技術，構建基于想象的開放性創意設計虛實結合實驗平臺，拓展學生的創新設計視野，學習機械產品設計方法，建立機械設計創新思維方法。

1.2.3 "機械電子實驗教學平臺改革與建設 "涵蓋專業基礎課程機械控制工程基礎、機械工程測試技術基礎、電液控制工程以及機械電子工程專業課程模塊的虛實結合實驗教學內容。平臺基于遠程仿真實驗系統的開放接口，具有遠程開發性架構，通過虛擬仿真實驗系統實現基于萬維網的實驗設備共享，實現24小時完全開放的實驗教學。

1.2.4 "虛實結合學生課外實踐和科技創新平臺建設 "該平臺提供全開放的自主學習的實驗教學環境，同時通過參與教師科研項目、設置學生課外創新實踐項目、校企聯合實驗室，使之成為實驗教學不可或缺的部分。通過貫穿學生大學四年的公共基礎課程、專業基礎和專業技術課程的實驗教學以及課外實踐和科技創新活動的拓展訓練，學生從入學到畢業的各個階段都能得到良好的實踐學習和實踐能力訓練。在實驗教學中把設計研究性教學的思想貫穿始終，使學生獲得創新意識和工程實踐能力的培養。

1.3 "虛實結合開放式實驗教學模式構建

將互聯網環境下的虛擬仿真實驗與基于硬件操作的實驗相結合，研究探討智能制造模式下機械產品設計制造、企業管理信息化、生產過程控制智能化、生產裝備數字化等新技術實驗教學的新架構。融合虛擬仿真實驗和基于硬件實驗的教學內容，構建機械制造虛實結合實驗教學平臺、機械設計虛實結合實驗教學平臺和機械電子實驗教學平臺三大課程平臺，涵蓋機械工程專業實驗教學體系主干課程的實驗教學內容，利用學生科技創新活動和校企聯合實驗室充分拓展學生課外實踐和科技創新領域。同時，結合互聯網技術，構建“自主開放學習平

臺+多重交互自學平臺”兩大平臺為載體的開放式自主學習環境。借助自主開放式學習平臺，注重不同層次的開放實驗項目與課堂教學內容聯動。建設由實驗智能導學軟件、虛擬仿真軟件、實驗規范操作視頻和實驗教學互進系統組成的課前、課中、課后多重交互自學平臺[7]。最終形成一個優勢互補、互依共存的“虛實結合、課內外結合”開放式實驗教學新模式，如圖2所示。

1.4 "虛實結合開放式實驗教學組織方式

結合互聯網和虛擬仿真實驗技術，利用自主研發的網絡學習系統、虛擬仿真實驗和遠程網絡虛實結合實驗等網絡化教學資源，通過學生自主學習、互進系統生—生和師—生間協作學習、復雜問題現場師生探究式深層次學習，實現以學生為中心的課內課外深度融合的實驗教學組織方式，如圖3所示。

1.5 "實驗教學計劃安排

實驗教學內容包括涵蓋機械設計學、機械制造學、機械電子工程等機械工程專業主干課程的多學科綜合所設置的十個教學模塊，以實驗獨立設課作為必修、必選和選修學分，納入本科生培養計劃。每個實驗功能模塊根據不同專業對象的需要提供基本必修實驗項目，并開發大量綜合設計和創新研究的選修實驗。實驗教學包括必修實驗和選修實驗，總實驗學時滿足課時要求，經考核合格后可獲得學分。

實驗教學中，必修實驗是根據每門課程的教學大綱設置的。互聯網環境下虛實結合的學習環境提供24小時完全開放的實驗教學，大量研究性、設計性和綜合性選修實驗更具有學習的高階性和挑戰度的特征。利用實驗獨立設課單獨計學分、單獨安排進度、單獨考核的方式引起學生對實驗足夠的重視；利用課內和課外相結合的實驗教學模式給學生提供更多學習的時間和機會，使學生有更多自由成長的空間。

1.6 "建立多元的實驗考核方法

實驗考核是檢查和評價教學效果的重要手段，實驗教學改革必須以有效的考核體系保證實驗教學的質量。實驗考核方式強化實驗過程和實驗結果質量的考核，注重創新實踐能力評價與培養，采取實驗課程理論考試、實驗操作考試、平時學習、實驗報告、開放實驗學習考核、課外科技創新活動考核等。成績評定采取多元化的考核方法，結合平時成績和考試成績、實驗過程和實驗結果、操作技能和創新素質，全面、客觀、綜合地評價學生的成績。

2 "改革實踐應用及效果分析

2.1 "本科生實驗教學質量極大提高

經過多年探索，嘗試互聯網環境下虛實結合的新型實驗教學模式。該模式是結合互聯網和虛擬仿真技術有效進行工學結合人才培養的教學模式，通過機械設計、產品開發、加工制造、檢測控制等各環節，開展虛實結合實驗和網絡化自主實踐教學，能夠實現虛實實驗優勢互補、課內課外教學有機結合，為學生創建最佳的學習環境和情境。

廣西大學機械工程專業已經針對本科生開展多年虛實結合的全方位開放式實驗教學。廣西大學機械工程實驗教學中心每年開放性實驗學時數達全部實驗學時的39%，大量貫穿本科生四年各個學習階段的個性化選修實驗。科技創新實踐項目可以極大地提高學生學習的熱情和興趣，本科生實驗和實踐教學的質量極大提高。

2.2 "有效培養學生的自主實踐能力

遠程網絡化實驗可以實現24小時完全開放的學習環境，形成包括“基礎性驗證性實驗+綜合性設計性實驗+研究性創新性實驗”的多層次虛實結合實驗教學內容。從機械工程專業學生在校的成長經歷和畢業后工作狀況來看，開放式教學模式能夠極大地激發學生學習的積極性，提高學生的工程實踐和創新能力。

如機械工程及自動化專業2015級韋俊東是虛實結合開放式實驗教學模式進行研究和實踐的本科生，該生積極參與課內外各項實驗和實踐活動，在開放式實驗教學培養模式下，學習虛擬樣機設計方法，參與“遙控自走式多自由度機構機械手”和“農業植保拉管機”等樣機設計與開發，參與申請發明專利六項，參加各類大學生機械創新設計大賽獲獎多項，獲國家勵志獎學金、李寧獎學金等獎項。目前，該生免試推薦攻讀研究生。新模式下類似的案例還有很多，近年來，廣西大學機械工程專業學生就業率高達95%。

2.3 "學生科技創新能力逐年提高

與學科前沿和工程實際緊密結合的科技創新實踐項目能夠激發學生的自主學習熱情，提高學生的實踐動手和創新設計能力。學生參加各類創新設計大賽獲獎量和科研成果數量快速增長，實驗教學改革前后學生的獲獎情況如表1所示。

3 "結論

虛實結合開放式實驗教學模式改革具有鮮明的特色，應用成效顯著。

1）通過融入互聯網和虛擬仿真技術，可以極大地拓展學生自主實踐的學習環境和師生交流互動的渠道，有助于形成“學生自主學習、師生現場深層次交流、互進系統協作學習”的突破時空限制的三位一體開放式實驗教學，能夠極大提升機械工程實驗教學中心的實驗教學水平。

2）通過科研成果轉化、自主研發和與企業聯合研發模式，建立必修與選修實驗相結合、課內和課外相結合的開放性虛實結合實驗教學內容。虛實結合的實驗教學平臺在注重學生課內學習的同時，結合課程設計、畢業設計以及學生課外實踐環節，以漸進思想與知識構建的思路相對應組織自主實踐內容，促使學生在不同階段自主學習相應的學習任務，能夠有效解決本科生自主學習實踐能力弱的問題。

3）通過互聯網環境下虛實結合的教學資源和大型設計分析軟件提供一個全開放的自主學習實踐教學環境，同時通過參與教師科研項目、設置學生課外創新實踐項目、校企聯合實驗室，使之成為教學體系不可或缺的部分，實現理論與實踐相結合、實踐與創新相結合、課內與課外相結合、學校與社會相結合。

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