“新工科”理念的“機械綜合能力實踐”課程設(shè)計與探索

彭麗泓，伍 權(quán)，徐衛(wèi)平＊，伍凱峰

（1.貴州師范大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，貴陽 550025；2.浙江大學(xué) 教育學(xué)院，杭州 310000）

0 引言

“工業(yè)4.0”的提出，要求利用信息化技術(shù)促進產(chǎn)業(yè)變革，大數(shù)據(jù)及智能化，導(dǎo)致地方高校機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)越來越不能適應(yīng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級的要求。“新工科”理念下的“新機械人”，從某種意義上來講，就是一種“全人”的教育理念，倡導(dǎo)實施工具理性和價值理性融合的工程教育，培養(yǎng)兼具工程技能和工程素養(yǎng)的綜合型工程人才。具備工程技能是要求學(xué)生具有知識遷移能力，工程創(chuàng)新設(shè)計、實踐、問題分析能力及解決復(fù)雜工程問題能力等；具備工程素養(yǎng)是要求學(xué)生具備團隊合作、溝通表達能力、工程管理與決策能力、職業(yè)道德、社會責(zé)任感等[1-2]。

高校是人才培養(yǎng)的主體，課程是人才培養(yǎng)的載體。地方高校作為“新工科”建設(shè)的重要力量，應(yīng)按照社會需求和自身特點，明確定位，改革和建設(shè)“新工科”專業(yè)課程體系和課程，創(chuàng)新教學(xué)模式，培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的卓越工程人才[2]。為此，基于“新工科”背景剖析地方高校機械工程專業(yè)實踐類課程教學(xué)方法與問題，探討并提出了“機械綜合能力實踐”課程的設(shè)計構(gòu)建與實踐創(chuàng)新。

1 地方高校機械工程專業(yè)實踐類課程教學(xué)方法與問題

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)課程，因教學(xué)時數(shù)、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容等限制，學(xué)生很難在有限的時間和空間內(nèi)提升自己實踐和創(chuàng)新能力，難以對畢業(yè)要求中“解決復(fù)雜工程問題”能力形成有效的支撐[3]。

實踐類課程教學(xué)課時少、教學(xué)模式單項化。大多是地方高校在工程教育上普遍存在理論課時占比多于實踐課；相關(guān)的實踐課程呈現(xiàn)“層狀”隔開，缺少基于問題式的“網(wǎng)狀”融合[4]。實踐類課程多是單項模塊化技能的訓(xùn)練，缺少綜合多項技能鍛煉的平臺，導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力獲得感不足。

實踐類課程內(nèi)容陳舊，沒有融入新知識。具體表現(xiàn)為：（1）實踐訓(xùn)練理論與實踐的融合性不足，往往是單一的動手能力鍛煉和簡單的工程設(shè)備的使用運行，忽視了對工程背景、工業(yè)流程、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的理解和掌握[5]；（2）課程設(shè)計多為沿用已久的驗證性的教學(xué)內(nèi)容，缺乏契合當(dāng)前及未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際的綜合性、設(shè)計性、研究性的課題；（3）學(xué)生到企業(yè)的生產(chǎn)實習(xí)深度不足，甚至是走馬觀花，流于形式，缺乏任務(wù)感、責(zé)任感[5-6]。這樣的實踐課程難以達到實踐訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)，無法滿足企業(yè)對工程人才所期盼的實際需求。

基于上述弊端，面向“未來的綜合型工程人才”培養(yǎng)，提出了“新工科”理念的“機械綜合能力實踐”課程改革。

2 “機械綜合能力實踐”課程建設(shè)

2.1 課程介紹

為貫徹“新工科”發(fā)展理念，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，將人才的培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，積極推進“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[7]。為此，貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院經(jīng)過10年的實踐探索，由淺入深、循序漸進，優(yōu)化機械類課程之間的結(jié)構(gòu)、整合內(nèi)容，面向“機械工程專業(yè)”的學(xué)生開設(shè)“機械綜合能力實踐”課程，培養(yǎng)兼具工程技能與工程素養(yǎng)的綜合型工程人才[8]。

“機械工程專業(yè)”基于6學(xué)期內(nèi)完成理論知識的學(xué)習(xí)，7學(xué)期完成綜合實踐，8學(xué)期完成畢業(yè)設(shè)計的人才培養(yǎng)模式。通過優(yōu)化整合原有的教學(xué)體系內(nèi)專業(yè)課程，開設(shè)以專業(yè)特色為導(dǎo)向的“機械綜合能力實踐”課程，該課程具有承上啟下的過渡功能[3]。通過第7學(xué)期的集中性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅能夠融會貫通6學(xué)期內(nèi)所學(xué)知識，有效提升學(xué)生工程技能，而且直接聯(lián)動后續(xù)畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。

2.2 課程設(shè)置

（1）構(gòu)建“一體系、兩目標(biāo)、兩模塊”課程結(jié)構(gòu)

“新工科”背景下對未來機械工程人才的需求，結(jié)合地方高校機械工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，以服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)、促進就業(yè)為出發(fā)點，培養(yǎng)學(xué)生工程綜合能力[8]。“一體系”是指“機械綜合能力實踐”課程結(jié)構(gòu)體系以該課程為載體，探索人才培養(yǎng)途徑、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法，完成教學(xué)目標(biāo)。“兩目標(biāo)”指培養(yǎng)的綜合型工程人才包括工程技能與工程素養(yǎng)兩方面的能力。“兩個模塊”指實踐能力提高模塊和創(chuàng)新與素質(zhì)拓展模塊，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，旨在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。“機械綜合能力實踐”課程培養(yǎng)目標(biāo)及途徑如圖1所示。

（2）注重學(xué)科的交叉和融合

為適應(yīng)“新工科”的發(fā)展需求，應(yīng)加強機械工程類課程與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、職業(yè)倫理、經(jīng)濟學(xué)與管理學(xué)等其他學(xué)科的交叉融合。目前地方高校機械工程專業(yè)課程設(shè)置偏向傳統(tǒng)工科，專業(yè)課程內(nèi)容陳舊，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生難以適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展變化。因此面向機械工程人才培養(yǎng)，需要提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，不僅是技術(shù)層面的對工程問題的解決，還包括人文層面上對工程的情感、態(tài)度和價值觀。此外，培養(yǎng)的工程人才大多都是面向企業(yè)，需要完成更多的管理協(xié)調(diào)工作，因此有必要在課程體系中加入包括企業(yè)運行管理與決策等相關(guān)課程[8]。

圖1 “機械綜合能力實踐”課程培養(yǎng)目標(biāo)及途徑

2.3 創(chuàng)新教育方法

以學(xué)生為中心，采用MOOC、微課等教學(xué)手段，滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求。課程采用線下課堂實踐教學(xué)為主、線上創(chuàng)新與素質(zhì)知識拓展為輔的混合教學(xué)模式。

（1）課堂引入CDIO模式，實施項目化實踐教學(xué)

基于產(chǎn)品生命周期的CDIO模式是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動及實踐的方式學(xué)習(xí)工程，包含了工程活動的4個新階段，即構(gòu)思-設(shè)計-實施-運行。教師提供項目需求與相關(guān)背景，組織學(xué)生分組合作，以項目為載體，按照CDIO式將項目分為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行四個階段的小項目，學(xué)生小組自主分配任務(wù)，真正做到“以學(xué)習(xí)者為中心”[9-10]。教師在此過程中負(fù)責(zé)實時跟蹤學(xué)習(xí)動態(tài)、指導(dǎo)協(xié)助、及時反饋與評價，從而把控教學(xué)節(jié)奏，完成整個設(shè)定的任務(wù)。項目選擇是影響項目化教學(xué)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而必須遵循3個原則：①項目須來自于企業(yè)實際問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力；②項目具有一定的綜合性和復(fù)雜性，鍛煉學(xué)生分析解決問題能力；③項目須緊扣理論知識、難度要適中[2]。

（2）以現(xiàn)代化信息技術(shù)為手段，建立豐富完善的線上教學(xué)資源。通過微課的形式為學(xué)生拓展工程創(chuàng)新與素質(zhì)知識，強化學(xué)生在課堂實踐中對工程素養(yǎng)內(nèi)涵的認(rèn)識。如以企業(yè)項目為載體實施教學(xué)，需要涉及一些有關(guān)項目管理、企業(yè)戰(zhàn)略、運行管理等跨學(xué)科領(lǐng)域的知識，筆者在MOOC選取優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源（如工程經(jīng)濟與管理課程）推送到在線學(xué)習(xí)平臺，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師實時跟蹤學(xué)習(xí)動態(tài)。同時增設(shè)一些有關(guān)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、模擬仿真、工藝分析、加工制造等多個案例分析視頻，防止學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)對知識理論知識構(gòu)建不完善或有所遺忘，遇到知識盲區(qū)可以有針對性地進行知識點的回顧與理解，一定程度上滿足了個性化教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率。

2.4 課程實施

整個課程的執(zhí)行過程中，以項目周期形式管理實踐教學(xué)過程，采用CDIO模式將一個大項目轉(zhuǎn)化為構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行四個階段的小項目[9-10]，這些小項目環(huán)環(huán)相扣，最終形成一個完整的大項目，基于CDIO模式項目化實踐教學(xué)活動如圖2所示。具體實施如下：

（1）構(gòu)思階段：主要培養(yǎng)學(xué)生“需求”思維和“批判性”思維。以產(chǎn)品功能和性能需求中心，采用“問題式”教學(xué)方法，將學(xué)生置于復(fù)雜且有意義的問題情境中，通過教師指導(dǎo)或者小組合作探究的方式進行方案分析、討論，多次頭腦風(fēng)暴，提出設(shè)計方案，質(zhì)疑并改進設(shè)計方案。構(gòu)思階段的階段是學(xué)生自主、解決問題及掌握隱含在問題背后的科學(xué)知識的階段，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和解決實際問題能力。

（2）設(shè)計階段：培養(yǎng)學(xué)生“優(yōu)化”思維—成本意識、創(chuàng)新思維、外觀美感。產(chǎn)品設(shè)計中一般以成本最小化為目標(biāo)，以性能指標(biāo)為約束條件，求解最優(yōu)設(shè)計方案。一般分兩步走：①定性優(yōu)化設(shè)計，即先產(chǎn)生系列可行方案，再根據(jù)評估標(biāo)準(zhǔn)，分析產(chǎn)生最優(yōu)方案；②定量優(yōu)化設(shè)計，即優(yōu)化設(shè)計數(shù)字模型，獲得設(shè)計最優(yōu)解，反復(fù)驗證最優(yōu)解后確定最優(yōu)方案。確定優(yōu)化方案后，進行仿真模擬分析，評估機械產(chǎn)品性能，如位移、速度等，實現(xiàn)“預(yù)測”的功能。

（3）實施階段：培養(yǎng)學(xué)生“產(chǎn)品加工制造分析”思維和“成本”思維。制造分析包括產(chǎn)品加工工藝分析、數(shù)控編程與成本分析。加工工藝分析主要包括選材、工藝尺寸鏈計算、加工精度分析。從虛擬制造分析到零件成型等整個制造工藝鏈過程，學(xué)生能夠切實感知產(chǎn)品從無到有的設(shè)計制造步驟，系統(tǒng)全面地提高學(xué)生動手實踐操作技能和工程問題分析能力。

（4）運行階段：培養(yǎng)學(xué)生“質(zhì)檢”意識和項目完成時間意識。零件制造完成后，學(xué)生需進行裝配、調(diào)試，從而引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析、檢測產(chǎn)品是否達到規(guī)定要求。

項目實施運行的每個階段定期進行節(jié)點匯報，展示階段性的項目成果，包括三維建模、工程圖、工藝卡片、成品、性能測試報告、結(jié)題報告等。

圖2 基于CDIO模式項目化實踐教學(xué)活動

2.5 教學(xué)評價

（1）建立多元化的評價體系。實踐教學(xué)無法僅用成績衡量，實踐環(huán)節(jié)考核要綜合考慮學(xué)生的過程表現(xiàn)等方面。根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)以及多層次遞進式的實踐教學(xué)方式，創(chuàng)新評價方式，建立多元化考核體系[10]。課程成績由平時成績、方案構(gòu)思成績、方案設(shè)計成績、方案實施成績、方案運行成績五個部分組成，不僅考查學(xué)生的日常表現(xiàn)，同時對學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、工程實踐能力、團結(jié)合作能力、職業(yè)道德感等多方面進行評價。這既發(fā)揮了評價的導(dǎo)向和激勵作用，又能全方位多角度地評價學(xué)生，促進學(xué)生全面發(fā)展。根據(jù)考核內(nèi)容設(shè)置不同的考核方法，包括觀察法、教師點評、學(xué)生自評等，實現(xiàn)評價主體多元化[10]。學(xué)生通過自評或他評對自己有全面的認(rèn)識，從而有針對性地加強學(xué)習(xí)；教師也能有效地對學(xué)生進行相應(yīng)的指導(dǎo)，幫助學(xué)生不斷改進、獲得發(fā)展。

（2）學(xué)生能力的自我評價調(diào)查分析。學(xué)生作為評價的主體，更關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的研究，通過學(xué)生的自我感知與評價來研究學(xué)生的能力增值與賦能。本研究通過設(shè)計問卷的方式，對兩個班級（各班級人數(shù)30人）相同專業(yè)的學(xué)生對自身能力發(fā)展水平的滿意程度調(diào)查，共發(fā)放了60份問卷，在工程技能與工程素養(yǎng)兩個維度從“非常不滿意”到“非常滿意”分成5級，分別計為1～5分，然后從這兩個維度分析學(xué)生的能力。A班級學(xué)生未參與本探索的課程；B班級學(xué)生參與此課程，兩個班級學(xué)生在工程素養(yǎng)維度對比見圖3；工程技能維度對比見圖4。

圖3 工程素養(yǎng)

圖3和圖4數(shù)據(jù)顯示，工程素養(yǎng)與工程技能兩方面能力滿意度調(diào)查，B班級學(xué)生比A班級學(xué)生各方面能力的平均分都顯著性提高，尤其在工程素養(yǎng)方面，B班學(xué)生各方面能力比A班分值差距明顯。綜上所述，通過兩班級的教學(xué)實踐表明，“機械綜合能力實踐”課程獲得良好的反饋效果，有效地提高了實踐教學(xué)質(zhì)量。課程設(shè)計期間選拔了一支優(yōu)秀隊伍的實踐項目《低溫冷風(fēng)切削裝置》代表我校參加“第十二屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”比賽，榮獲二等獎并申請了實用新型專利。

3 結(jié)語

“新工科”建設(shè)對工科學(xué)生的工程實踐能力不斷提出新的要求，傳統(tǒng)的機械工程教育給予學(xué)生實踐和創(chuàng)新空間非常有限，同時單一固化的專業(yè)知識架構(gòu)很大程度上制約了跨學(xué)科的工程創(chuàng)新能力。基于此，筆者構(gòu)建探索的“機械綜合能力實踐”課程，真正做到以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生從“做中學(xué)”，培養(yǎng)兼具工程技能與工程素養(yǎng)的綜合合型工程人才，以滿足地方區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展變化對工程人才的需求。

圖4 工程技能