依托“新工科”和機械制造課程體系的學生實踐與創新能力全過程培養的探索與實踐

許蓬子，劉強，程麗麗，馮美，周曉勤，呼詠，徐媛媛

（吉林大學 機械與航空航天工程學院，吉林 長春）

一 引言

實踐與創新是國家發展的源動力，發展源于創新，真知源于實踐，創新推動實踐，實踐檢驗創新。習近平總書記的公開講話和報道中，“創新”一詞出現超過千次，可見其受重視程度。正如習近平總書記在黨的十八屆五中全會上所說：“堅持創新發展，就是要把創新擺在國家發展全局的核心位置，讓創新貫穿國家一切工作，讓創新在全社會蔚然成風。[1]”可見，在宏觀層面，實踐和創新這兩駕馬車影響著一個國家的發展、繁榮和興盛。在微觀層面，對當代工科大學生的實踐與創新能力的培養變得越來越重要。

隨著全球新經濟、新產業、新業態的不斷涌現，我國國家戰略發展出現了新需求，對實踐與創新型人才出現大量需求，“新工科”概念應運而生。其內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，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。“新工科”需要重點把握的任務之一就是“學與教”和“實踐與創新”[2]。可見，“新工科”的出現不僅為推動工程教育的改革與發展提供了強勁動力，還深刻影響了對學生實踐與創新能力培養的變革。

從“新工科”概念提出至今，國內眾多高校針對“新工科”建設背景下人才培養的方法和模式進行了諸多的探索與實踐。北京航空航天大學探索了學生綜合素養導向的研究型教學與實踐模式，強化了學生知識、能力與綜合素養的形成性培養[3]。沈陽大學提出并構建了基于校企深度融合的多維創新實踐教學環境為核心內容的“新工科”驅動下轉型高校創新型人才的工程實踐能力培養機制[4]。華中科技大學根據自身特色，對“新工科”工程科學創新人才的培養進行了探索與實踐，實踐啟示是：“新工科”工程科學創新人才培養需吸收先進工程教育理念、明確人才培養目標，打造多模塊交叉學科課程與實踐體系，用國際化視野及舉措匯聚優質資源[5]。江蘇師范大學結合當地發展要求，根據“五大理念三大融合”制定創新型人才培養方案，構建成一體化教學體系，根據地方人才需求實現多個學科的交叉融合，不斷完善和擴大多方協同育人機制[6]。

機械制造課程體系主要是以“機械制造技術基礎”這一基礎課為核心，還包括“機械工程測試技術”和“機電傳動控制”兩門專業選修課和“先進制造技術”限選課。國內高校對課程的教學改革、教學方法模式進行了諸多的研究和探索。南京航空航天大學以培養學生的學習興趣和積極性為目標，提出了引導式教學方法，教學與實踐交替進行，增強了教學的直觀性，提高了學生的實踐能力[7]。吉林建筑大學基于OBE理念，探討了課程設計、創新實踐、課程考核等環節的改革[8]。福建工程學院提出了機械制造技術基礎課程案例教學模式，對專題案例的總體規劃、案例類型、課程內容“專題化”系統的建立、編寫規范、選題設計等進行了詳細的介紹[9]。

二 教學過程中發現的問題

吉林大學機械制造及自動化系長期致力于學生實踐與創新能力培養的探究，在教學過程中發現了如下問題：

1.傳統的機械制造課程體系，雖然知識內容豐富、覆蓋面廣，但是內容之間聯系較為松散，且內容相對陳舊，未能實現動態更新；各教學環節之間也缺乏有效的鏈接。這就導致雖然學生有豐富的知識儲備，但是知識向實踐與創新能力的轉化度不高，學生對知識的綜合運用能力不強，制約了其實踐與創新能力的形成和發展，難以滿足“新工科”的要求。

例如：學生雖然知道如何將服從正態分布的隨機變量轉化成服從標準正態分布的隨機變量，但卻不知道在統計分析加工誤差時利用到該知識點；學生雖然知道A/D和D/A轉換這一知識點，但在講解切削力測量時，卻不知道如何利用。在老師提示之前，可謂“不知有漢，無論魏晉”，而在老師提示之后才“豁然開朗”。

2.學生動手能力不足，對實踐環節不夠重視，使理論學習與實踐訓練脫節。學生創新脫離實際和實踐現象明顯，往往是為了創新而創新，創新多流于形式，嚴重阻礙了學生創新能力和創新意識的培養，學生自信心和挑戰困難的勇氣不足。

例如：某創新比賽，一組學生的想法是研制單車式洗衣機，即在人騎單車時將人體自身的生物能轉化為驅動洗衣機的機械能，在鍛煉身體的同時又實現了洗衣，想法貌似新穎，但是實際上費時費力，且無法洗凈，更達不到甩干的轉速和功率，根本不具備應用前景。

三 解決問題的教學方法和理念

為解決上述問題，本文以“新工科”理念為指導，以機械制造課程體系為基礎，以培養學生的實踐與創新能力、培養出更多實踐創新型人才為目標，并結合課程思政建設，提出旨在依托“新工科”和機械制造課程體系的學生實踐與創新能力全過程培養的教學理念和模式。

(一) 運用融合凝練知識，構建有效鏈接，運用多元手段，結合課程思政的教學方法

針對第一個問題，本文提出“融合凝練知識，構建有效鏈接，運用多元手段，結合課程思政”的教學方法，以提高學生的知識向實踐與創新能力轉化度。將該方法運用到課堂教學、實踐教學、工程訓練、考試考核等各個環節，以夯實學生的知識儲備和綜合素養，為學生實踐與創新能力的全過程培養打下堅實基礎，具體措施包括：

1.為解決課程體系內容之間聯系松散的問題

（1）組織教師細分并遴選出機械制造課程體系中的主要知識點，對相關知識點進行凝練，精心設計并融合知識內容，形成具體案例。

（2）按照“新工科”的要求，補充了“新工科”中與機械制造密切相關的知識點，形成機械制造系列課程新的知識內容體系，并動態更新相關知識點。

（3）在新的知識內容體系中，注重強化提升對學生實踐與創新能力的要求。

例如：①將“機械工程測試技術”的A/D、D/A轉換、傳感器與“機械制造技術基礎”的切削力、切削溫度、加工精度和表面質量等知識點融合，在講解具體的切削力和切削溫度的測量，尺寸/形狀/位置精度和表面粗糙度檢測等實例的同時，講解上述知識點。

②將“機電傳動控制”中的電機轉速、電機轉矩與“機械制造技術基礎”中的裝配精度、固定調整法等知識點融合。在講解固定調整法中通過測定電機轉速扭矩，來判斷是否達到裝配精度這一實例的同時，講解上述知識點。

③將“先進制造技術”中的微細加工、光刻、電子束/離子束加工等知識點，與“機械制造技術基礎”中的加工精度和表面粗糙度等知識點融合。

④增添了如智能制造、新材料、新工藝、人工智能、互聯網+和機器人等，作為課堂內容的補充和拓展。

⑤堅持參加兩年一屆中國國際機床展，遴選并歸納展會上與課程體系相關的新展品、新技術，總結形成課程內容向學生展示講解，開闊學生的視野，激發興趣。

通過以上措施擴大并穩固了學生的知識儲備，實現其對知識向實踐與創新能力轉化的引領和支撐。

2.為解決教學環節之間的缺乏的鏈接的問題

（1）旨在打破“流水線”式教學，組織教師分析了各個教學環節之間的可鏈接點，并建立了合理有效的鏈接，將凝練后的知識內容分配到相關環節。

（2）教學過程中綜合運用了多元教學方法，如線上線下課堂教學，翻轉課堂、智慧課堂、現場觀摩、虛擬實驗、創新性開放實驗、慕課、工程訓練、課程設計、創新訓練、工程軟件培訓等，實現知識、實踐與創新能力的一體化培養。

（3）在培養實踐和創新能力的同時，教學全過程融合了課程思政元素，注重凝練典型的本土案例，弘揚大國工匠精神，培養工程倫理意識，啟發和激勵學生的實踐創新意識和精神。

例如：①采取小班授課的方式，根據每節不同的教學內容，選擇在教室、實驗室、生產實習基地進行教學。

②簡單易懂的知識點，先布置預習，再讓同學們通過在線課堂、慕課等途徑自學。較難理解的內容通過現場觀摩、工程訓練的形式教學。

③在講解“刀具標注角度”這一知識點時，原來的教學模式是在課堂上講理論，實驗課上在看實物、測量角度。經過改進，直接在刀具實驗室進行教學，首先通過刀具實物和刀具模型，讓同學認識各種切削用刀具，講解如前刀面、主切削刃、基面等知識點；再利用刀具和刀具角度測量儀講解前角、刃傾角等知識點，之后直接測量出各個刀具角度。

④在講解銑削時，原來是在課堂上講理論，在下學期的實習當中看實物。經過改進，選擇直接在生產實習基地上課，通過不同的銑床和銑刀，講解如端銑、周銑、順銑、逆銑、圓柱銑刀、面銑刀、機床導軌、絲杠螺母副等知識點。

⑤課程的考核環節同時注重實踐教學環節的內容和課程思政內容的考查。

通過上述措施，提升了學生的工科素養，進一步助推學生實現其知識向實踐與創新能力的轉化。

（二） 貫徹實施精通工軟，賽研融合，能力疊加，協同發展的教學理念

針對第二個問題，本文提出貫徹并實施“精通工軟，賽研融合，能力疊加，協同發展”的教學理念。具體的措施如下：

1.落實近幾年以虛擬仿真實驗為典型的教改項目成果，先引導并鼓勵學生自主學習三維建模、有限元分析、數學分析等常用的典型工具軟件，再通過參與虛擬仿真實驗，讓學生從真實應用案例中體會如何運動工軟，打牢學生使用功底，最終達到精通工軟，并將其熟練運用到今后的實踐和創新訓練中的目的。例如，學生通過利用工軟仿真模擬了“機械制造技術基礎”課程中切削變形區、切屑形態等知識點。

2.以學生為中心，以虛擬實驗、學科競賽、科研項目的部分內容為能力提升的進階載體。注重各載體與機制課程體系知識點的協同度，把握好各載體的可行性、可操作性、難度的層次性和考核指標。相關內容重點關注“新工科”所涉及的仿生、智能制造、機器人和精密醫療器械等領域，以滿足機械制造課程體系內容的要求。讓學生的知識學習、實踐和創新有機銜接起來，并產生共振和激勵效應，引領學生自主學習，鍛煉學生在實踐和創新等多方面的品質。

例如：①教師在科研項目中提取可以參賽的研究內容，鼓勵學生參加如互聯網+、智能制造、挑戰杯和大創等與“新工科”內容密切相關的競賽。學生得到磨練的同時，不僅有機會取得可喜的成績，教師也能完成了部分科研任務，達到了師生共贏、協同發展的目的。

②在教學上采取上述載體驅動，將知識、實踐、創新、能力用載體有機貫穿于教學全過程。在全過程中，學生及其團隊主要完成包括：產品材料和驅動模塊的選擇，結構的設計與優化，工藝規程的安排，產品制造、安裝、調試，經濟性分析等。從而重點培養學生自主學習能力、動手實踐能力、創新能力和解決復雜工程問題的能力等，實現能力的疊加。

例如：a.在參加互聯網+和挑戰杯等比賽所研制的撲翼飛行器，學生在選擇材料時選擇了重量輕、強度高的碳纖維，結構設計時解決了撲翼要需實現多自由度振動等關鍵問題。之后，完成了樣機的制造、調試等任務并獲獎。

b.在參加智能制造比賽過程中，學生則重點完成了工業機器人、機床和檢測等設備的運動路徑規劃與控制、數據的采集或輸出等任務并獲獎。

c.教師根據教學全過程中學生表現出的基本素養、投入程度、進階載體的難易度和最終結果，對學生的實踐與創新能力進行多元的考核評價。

通過上述措施加速提升學生的實踐與創新能力，實現對學生實踐與創新能力的全過程培養和協同發展。

四 結語

機械制造課程體系包含的課程是工科專業必修的基礎課程，吉林大學每學年有近1300多名本科生參與學習。結合“新工科”理念，吉林大學機械制造及自動化系經過多年的實踐與探索，提出并實施了依托“新工科”和機械制造課程體系的學生實踐與創新能力全過程培養的教學模式，從而探索出了學生的知識向實踐與創新能力轉化的有效途徑，使學生的學習、訓練、競賽、科研、實踐、創新能夠協同發展，解決了學生實踐動手能力不足，盲目創新，學習缺乏目標引領的問題，為更多地培養出實踐創新型人才提供了范例和參考。

通過實踐本文提出的教學模式，使學生在扎實系統地掌握機械制造課程體系知識點的同時，能夠在具體的實踐、創新訓練或活動中將其靈活運用。學生在學習全過程中的表現和結果能夠反映出學生實踐和創新能力得到了明顯的強化和提升，在學科競賽中多次獲獎。同時，也磨練了學生的意志品質，增強了學生的使命感、責任感、歸屬感和團隊意識，對其今后的繼續深造或參加工作有積極的影響。學生普遍反映雖然參與的過程較為艱辛，但是在這個過程中不但理清了實踐和創新的思維模式，增強了實踐和創新的能力，也深深鍛煉了自己心理承受能力和抗壓能力，使自己更自信、更沉穩、不浮躁、有耐心，與伙伴配合得更加默契，潛移默化中也學會了理解、包容。