基于工程問題導向的機電類專業課程項目庫的建設和應用**

亞森江·白克力 ，吐爾遜·買買提 ，張佳喜 ，謝建華 ，史 勇

（1.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

研究生群體是國家科技發展的重要儲備力量，這要求我們把握時代潮流和國家需要，勇于在關鍵技術領域開拓創新[1]。新工科建設在“四新”建設中發揮著“智能基座”和率先領跑作用[2]。為貫徹落實習近平總書記關于教育的重要講話精神，加快新工科建設背景下的內外結合、產教融合是必由之路，新工科需要交叉融合再創新。

基于工程問題導向的教學策略強調以學生為中心，學生以小組為單位解決具有挑戰性、開放性的問題[2]。具有企業背景的授課教師或工程師負責適時引導學生，引導學生分析復雜問題的多面性解決思路，學生識別、發現并分組分析解決問題的思路，最終由教師評判解決問題的方案可行性。

新疆農業大學機電工程學院在2021—2022學年針對大三學生“機械制造實習”的課程實踐環節采用基于工程問題導向的教學策略，依托新疆農業大學教研教改項目“基于工程問題導向的機電類專業課程群實訓項目案例庫建設”的支持，對數家新疆本地制造型企業進行調研與座談，收集并建立工程問題導向案例庫，采用線上+線下的授課方式，讓機電類學生將他們在大學課堂上所學專業課程與制造業領域的實踐聯系起來，作為正式實踐學習前的一部分引導，項目小組介紹了如何教授學生以及與設計和制造相關的實際工程技能的一個案例研究。目的是幫助機電類專業學生畢業后進入工作崗位前，能夠更有準備地迎接專業工程實踐的挑戰。

1 地方本科院校機電類學生專業能力調研

無論是社會還是企業，都希望畢業生剛入職后就能立即為企業作出貢獻[3-5]。畢業生不僅需要掌握專業課中教授的工程問題的解決方法，還要在工作崗位中學習解決問題的思路和技能。要想在畢業后成為一名優秀的工程師，學生們需要將大學課堂上的理論與該領域的實踐聯系起來。筆者對352名新疆農業大學機電工程學院大三學生和20家新疆地方制造型企業的技術主管進行調研和巡訪，其中學生對自我專業知識以及企業對新入職畢業生在機械制圖、電路識圖、液/氣壓傳動、控制系統等方面的專業知識進行評判。結果顯示，學生對自己所掌握的專業知識及解決指定問題的能力過于自信，對所設計的零件如何實際制造和組裝成完整的系統缺乏整體綜合認識。

1.1 地方本科院校機電類專業人才培養存在不足之處

調研發現，地方本科機電類教育仍存在些許欠缺，主要表現在以下幾個方面。

1）機電類專業實踐課程的多樣性和適用性不足。地方本科院校機電類專業學生具備獨立完成規定任務的能力，能在明確規定的任務框架內進行。學生可以提供自己解決問題的方法，但沒有理論依據，不具備分析和批判性地理解任務內容的能力；老師在布置每個任務時，并未結合各個任務的關聯性，聯動相似任務。

2）機電類工程實踐性教學缺失和實踐教學環節薄弱[6]。學生不知道如何在實際訓練中解決實際問題。主要表現：學生認為有些任務不重要，所以實踐時學生不能達到正確執行一系列簡單任務的要求，又或者他們在實踐活動中進行一些不相干的操作。在培訓、訓練活動中，掌握專業技能的學生數量較少。教師們沒有充分理解和評估自我教育的目標和任務，課堂調控能力不高。

3）教師對創新教育和創新訓練重視不足。在實踐過程中，教師們遵循固有實踐模式，而不去分析和批判性地理解任務的用途，更多的是把實踐任務當作附帶動作。在實踐活動中，教師明確規定任務需在框架內進行并清楚闡述實踐任務。學生可以提供他們自己解決問題的方法，但沒有理論依據。這樣學生的自我學習能力薄弱，不利于循序漸進。

1.2 機電類專業人才培養實踐課程改革設計

加強機電類專業的實踐教學模式改革與創新，實現傳統教學方法向新工科教學方法的轉變，是有效提高教學質量的根本途徑[7]。

1）緊密結合區域政策引導需求，及時調整新工科人才培養體系。實踐課程內容設計改革需要立足實踐，面向西部的現代機械、農機裝備，結合區域特色將“產教融合發展”作為國家級一流本科專業建設推進工程之一[8]，加快普通本科高校向應用型本科的轉變，同時推進學校實習實驗實訓環境、平臺和基地建設的轉型發展改革。

2）以新疆地方制造型企業實際復雜工程問題為導向，精心設計工程案例庫。地方制造型企業的技術需求大多是系統性復雜工程問題的綜合[9]，需要不同學科交叉融合，站在宏觀的角度去分析解決；面對社會上越來越綜合的應用型人才需求，制造型企業在招聘應屆畢業生時，也需要多學科實驗、多實踐背景的復合型人才。因此，走訪地方企業，結合科研前沿，在“秾大云上”網絡學習平臺建立機電類專業工程導向案例庫并運用于課堂教學，目的就是與企業用人需求精準對接，以企業需求為導向培養挖掘適合地方企業發展的對口人才。具體授課方式如圖1所示。

圖1 基于線上—線下工程問題導向授課方式

3）提升師資隊伍在工程實踐方面的企業經歷，打造雙師雙能型教師人才。實踐案例涉及如何按理論課程分解，并以實現教學和學習實踐為目的設計教學。在理論課堂上，工程實踐的相關元素是獨立教授的，通常作為單獨的模塊或學科。機電類專業的學生通常學習一系列專業模塊[10]，與設計實踐相關的實踐分解，包括子技能的應用，如識別客戶需求、識別并遵守相關法規、審查現有和競爭產品、編寫清晰簡潔的產品設計規范、選擇最佳的方案等。這需要教師具有一定的工程背景或者實踐背景。

2 工程問題導向實訓項目改革及應用

基于工程問題的授課方式是一種工程類實踐教學常用的教學策略，學生以小組為單位，在小組中解決具有挑戰性的開放性問題。這種授課方式是以學生為中心，由雙師型教師或者具有企業工作背景的工程人員承擔引導學生全面分析問題的角色。整個教授過程具有如下特點：1）案例的導入是由問題引發的；2）案例產生的問題基于復雜的專業背景和實際情況；3）學生識別、發現并使用適當的背景資源；4）學生們分組工作；5）知識的學習是主動的、積極的、綜合的、逐步累積和相互關聯的。由于工程問題導向是一種互動式的、引人入勝的教育體驗，因此深受學生的歡迎。

2.1 工程問題導向案例庫的建立

新疆農業大學機電工程學院機械科學與工程學系課程組，深入走訪新疆地方制造型企業，如中糧屯河番茄有限公司、新疆溢達紡織有限公司、新疆眾和股份有限公司、特變電工股份有限公司、上汽大眾新疆汽車有限、缽施然農機有限公司等數十家本地制造型企業。調查、整理、匯總典型工程問題，并經過課題組研討、篩選、組建了典型工程問題案例庫，運用于先期實踐教學。案例庫定期更新，已實現與企業的緊密聯系。案例庫的教學由具有企業工作背景的“雙能”“雙師”型教師承擔，前期的實踐教學對象為機電工程學院的機電類專業“力行班”（拔尖班）的學生。案例庫實踐教學改革，致力于培養掌握機械工程自動化基礎知識、農業裝備構造原理、作物生產基礎知識、農機運用管理知識、專業技術知識，具有在農機應用管理、農機設計制造兩個應用型領域解決專業問題能力的人才，尤其是適應基層工作環境、具備較強技術整合和動手能力的適應企業行業發展需求的高素質復合應用型人才。

案例庫每組案例的設計包括使用增材制造、激光切割、鈑金成型、銑削和車削工藝，適當的機電元件和控制器設計，傳動機構設計能力、執行機構選型能力、PLC或單片機編程開發能力、機電一體化設計綜合能力。將案例庫教學貫穿于“機械制造實習”的綜合性實踐環節，以實際工程問題為導向，與學生所學的理論課程相結合，如機械、電子、計算機技術、控制理論、信號檢測技術、材料科學等，培養機電類學生機電一體化意識和分析實際復雜系統問題的能力。

2.2 工程問題導向案例庫的應用及評價

以工程問題導向案例庫的授課方式主要解決以下幾個方面的問題：1）介紹工程設計過程的主要步驟，以及如何成功地利用這些過程；2）個人如何在團隊的工作中發揮作用，以實現共同目標；3）如何通過工程設計過程使用的管理工程工具來解決問題；4）如何進行書面或口頭的溝通，并將所設計內容信息準確清晰地傳達給他人。實際上，這些內容正是“工科學生的工具箱”，這些目標通過單獨思考、任務分工、課堂活動來實現。

案例庫中的7個案例難度逐漸增加，用于逐步引入某些概念或者技能，學生需要在整個實踐學習過程中使用這些概念或技能。目的是逐步建立他們的技能儲備，此外，每個項目都側重于一些特定的專業知識主題，如結構設計、材料力學、流體力學、液壓傳動或熱力學等。每個后續案例都強調新引入的技能。任務初期以線上作業的形式開展，可以以個人或小組的形式在幾個小時內完成，每項任務的難度相對較低。后續任務復雜度上升，每次作業的難度也越來越高，需要更多的思考和創造力，其中就包括工程設計過程的使用和有效的團隊合作，如口頭、書面和圖紙的交流。最終的綜合項目需要使用所有這些關鍵技能才能成功完成，需要更多的理論知識和更強的團隊協作能力。

在案例教學開始前，教師首先總結該案例所涉及的所有知識點，形成理論上的課程體系，提前做好案例的準備工作。通過案例分析，學生可以提前在“秾大云上”預習與案例相關的知識點，為課前做準備。然后在課堂上以小組為單位討論案例，引出相應的知識點，帶學生回顧專業課中相關的知識點，加深學生對知識點的回憶理解。在實驗室或實習場所面對現有設備進行案例分析和討論。與此同時，使用多媒體課件、圖像或視頻形式，結合理論知識教學，更緊密地將實際擺在學生面前。在案例設置的過程中，穿插一些小實驗可以加深學生對知識的掌握程度。授課結束后，通過案例驅動的課程設計和后續畢業設計，強化學生的專業基礎，提高學生的系統設計能力，形成以實踐為一體的立體化教學。

授課期間發現，遇到工程性問題時學生很難計劃和整合他們的任務。在項目初期，給學生提供適當的項目管理技術，以及如何一步步推導出團隊的最終方案。一開始學生似乎不愿做計劃，害怕出錯，又或者無從下手。這主要是源于對專業性強的問題沒有一個宏觀的分析和站位。工程問題一般都有許多解決方案，鼓勵學生完善他們的理論專業知識，并論證他們選擇的解決方案。學生必須學會為自己做出的方案提供理論依據并記錄自己的方案，這也是未來作為工程師的一項重要技能。

經過兩個學期的教學實踐，為了評估學生的技能使用在整個學期中是否有變化，根據學生取得的進步，課題小組采用問卷調查法對提出的措施進行了分析和調查。讓每位學生在完成每個案例項目時都完成了一份“工程問題清單”的調查問卷。學生上課滿意度對比調查結果如圖2所示。

圖2 學生上課滿意度對比

從圖2可以看出，對于課堂教學而言，教學改革后學生的滿意度比改革前提高了很多?；诠こ虇栴}的案例教學法提高了學生對實踐的學習興趣和專業知識的系統性認識，取得了較好的教學效果。這種教學方法真正調動了學生的主動性和積極性，受到了同學們的歡迎。學生既可以在大量的信息流中找到并突出主要內容，也具備良好的能力去理解和應用所收到的信息。他們掌握了解決復雜實際問題的必要邏輯思路，可以完成創造性的任務。在培訓期間，他們掌握專業知識的能力提高，知道如何規劃自己未來的工作，這樣，學生能迅速對方案做出響應，在理論和實踐上培養創造力，使他們能夠在學習過程中進行自我訓練和反思。

3 結語

新疆農業大學教研教改項目對本文的教學改革給予大力支持，機械科學與工程系對機電類專業課程的實踐環節和課程設計環節的教學模式進行了改革初探。研究表明，基于工程問題導向的項目案例教學法對提高機電類專業教學效果起到了很大的作用，這是一種實用、有效、易被學生接受的教學方法。

基于工程問題導向的教學方法利用理論與實踐整合的優勢，提高學生的學習和參與度，為學生提供真實而富有挑戰性的學習體驗，與地區制造型行業建立間接聯系，讓學生參與真正有意義的工作實踐。

項目案例的設計使學生將理論知識和每個能力單元“嵌入”到綜合項目中，提高了工作效率，減少了重復工作，并將理論知識與實際操作相結合，很好地驗證了系統設計結果。工程問題導向的案例化教學作為教與學的有機整體，對培養學生的專業能力和提高專業素質起到了關鍵作用。此教學法有更大的潛力來推動新興的職業認同和對專業實踐理解的擴展，學生能夠在學習過程中進行自我訓練和反思。學生在完成最終項目后對工程設計過程的使用有了更好的理解。使機械工程專業的學生在進入最后一年的學習并在進入職業崗位時，更加自信、機智和積極，在設計、制造和優化真正的工程機械方面具有明顯的經驗。