培養創新能力的科教融合研究生教材建設思路
——以《機械優化設計與案例分析》研究生教材為例

周已，張富曉，莫 麗，李雨佳

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

2021 年4 月19 日，習近平總書記在清華大學考察時強調：“把發展科技第一生產力、培養人才第一資源、增強創新第一動力更好結合起來”。為此就要用好學科交叉融合的“催化劑”，加強產學研深度融合，推進新工科“四新”建設，加快培養緊缺人才。因此，培養科技創新的工程人才是當前我國研究生培養的主要目標。

研究生教材是研究生培養質量的重要保障，是教學內容和教學方法的載體，也是研究生培養單位教學水平、科研水準的重要體現。王宏元提出研究生教材建設要為人才培養目標服務，適應學科發展和現代化建設的需要，同時應反映培養單位的學科優勢和特色。當前，我國研究生培養模式已經由學術型為主轉換到學術型、應用型并重。工程專業學位研究生的培養目標是向國有大中型企業輸送應用型、復合型高層次工程技術和工程管理人才，培養過程側重于工程應用，注重理論與實踐的緊密結合。因此，研究生教材的編寫要符合新工科人才培養目標，應強調應用性、學術性，有利于培養研究生解決復雜工程問題的能力，有利于培養創新型、應用型復合人才。

目前，促進創新能力培養的研究生教材研究文獻很少，且聚焦于從理性思考、理論演繹和教材案例等角度進行論述，而量化驗證研究較少。為此，本文基于現有研究生教材的問題，開展培養創新能力的科教融合研究生教材建設思路研究，提出構建的具體路徑和對策。

一、問題提出

（一）缺乏將科研成果融入教材的建設實踐，重理論輕實踐

傳統教材很少將研究成果引入研究生教材中，例題大多是簡單的數學模型，缺乏針對性和具體的應用場景，學生很難將基本原理與工程實踐問題有機地結合起來，無法形成整體工程思維和系統概念。由于科研促進教學，科研與實際工程聯系最緊密，因此將科研成果及科研培養思路和模式引入到教材中，不僅能夠很好地實現工程人才的培養目標，做到理論聯系實際，而且也能突出教材在創新人才培養上的價值和作用。

（二）內容枯燥、陳舊，應用性、創新性不足

要想培養創新人才，教材內容就要緊密聯系現代工業發展趨勢，反映專業領域最新的科研進展狀況，展示最新的科技手段、創新思想和創新理念。研究生教材不應沿用本科教材模式，本科生教材注重基礎性、理論性和全面性；研究生教材注重內容的深入性、專業性、新穎性、啟發性和實用性，更顯著地突出特定學科或領域的國內外最新研究成果、研究熱點、新技術和新方法等前沿技術和內容。現有研究生教材內容重復性較大，現代工程領域的最新發展趨勢體現得不夠，與工程實際聯系得不夠緊密，難以滿足創新型研究生人才培養需要。

（三）“以教為主”的模式為主體模式

研究生與本科生在教學方式上也有很大的不同。本科生主要以教為主，研究生主要以學為主；本科生主要以老師講授為主，研究生主要以老師引導為主。因此，研究生教材對研究生的訓練模式應與本科生教材有顯著的差異，缺乏以科研項目等其他手段來綜合培養研究生的應用性、創新性能力。

二、新工科人才培養理念及研究生教材創新特征

（一）新工科人才培養理念

新工科是指針對新興產業，以工業互聯網、大數據和人工智能為核心的工科專業，或將云計算、大數據、區塊鏈、虛擬現實、人工智能和機器人等應用于傳統工科專業的升級改造。其內涵是以立德樹人為引領，通過繼承與創新、交叉與融合及協調與共享等方式，面向未來培養國際化、多元化和創新型卓越工程技術人才。2012 年《關于全面提高高等教育質量的若干意見》（高教30 條）第五條指出，創新人才培養模式應該著重提升實踐動手能力，探索一些創新的教育教學方法，應大力推進與科研院所、行業企業聯合培養人才模式推進創新教育教學方法；第十二條還指出，推進協同創新，堅持需求導向、全面開放、深度融合、創新引領的原則，以創新能力提升為突破口，通過政策和項目引導，大力推進協同創新。

新工科強調學科的實用性、交叉性與綜合性及產業需求對人才培養的引導。在此背景下，我們對研究教材進行改革。

（二）研究生教材創新特征

1.具有研究的性質

將科研項目有機地融入到教材中，以解決實際工程問題為出發點，探索發現新問題、新領域，并尋求解決問題的新方法、新思路。因研究生培養目標是培養創新型、綜合型工程人才，著重強調科學觀點、科學態度與科學方法，更具有創新性和啟發性質。

2.反映專業領域最新的科研進展

研究生教材應更深入、更專業地探索某一學科、某一領域的知識，應突出專業學科或領域的國內外最新研究成果、研究熱點、新技術和新方法等前沿內容。

3.理論性與應用性的結合

研究生教材應培養學生在掌握基礎理論知識的基礎上，重點培養研究生具備科研意識、創新意識，掌握正確、全面的科研方法，來解決實際工程問題，在此過程中，培養學生的自主學習能力、獨立解決問題能力和創新精神，將理論知識與實際應用有機地結合起來。

三、模式構建：培養創新能力的科教融合教材建設模式

（一）以“綜合全面布局”為特征的建設方法

針對傳統教材，從部分、個體研究問題，忽略了整體、全局性的問題，本研究提出了基于創新能力培養的系統、完整的研究體系和方法。包括理論研究、仿真研究和試驗研究，通過將多種研究手段作為輔助，并且多種手段相輔相成、彼此聯系，來全面闡述教材內容。

（二）以“產業需求”為導向的教材思路

針對傳統教材針對性較弱，主要是針對普遍對象開展的研究，缺乏具體的工程背景的問題，本研究提出新設計思路，具體包括如下幾點。

（1）以滿足企業需求、解決工程問題和提升企業效率為目標。

（2）體現整個科學研究的完整過程，包括發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程。

（3）不是獨立的部分，而是科研過程中的各個環節、各部分內容間的緊密聯系，相互呼應、相互影響的群體關系，以至共同實現優化設計的目標。

（4）成果應用于實踐，實現成果轉化，服務于企業和工程，也符合新工科創新型、復合型人才培養的目標。

（三）以“服務于工程”為目標的教材內容

如圖1 所示，新型優化設計內容較完整、全面，從科研服務于工程的角度全面闡述其設計過程，具體內容包括如下幾點。

圖1 新教材內容建設思路

1.發現問題——機械優化設計的前提

該過程包括了解工程背景、掌握國內外前沿領域發展現狀、提出研究的目的和意義。找到實際工程的問題，針對問題找到有效解決措施，才能從根本上滿足企業的需求。

2.提出問題——機械優化設計的源泉

該過程包括提出創新結構、提出解決方法和掌握產品的基本原理。

3.分析問題——機械優化設計的保障

該過程包括產品性能的仿真分析、產品結構優化設計和產品試驗研究。

4.解決問題——機械優化設計的目標

該過程包括產品設計加工、產品應用推廣和產品效果評價。

四、內容設計：培養創新能力的科教融合教材內容

下面就以筆者承擔的國家自然科學基金項目《高速牙輪鉆頭螺旋組合密封機理研究》與校企聯合項目為例，闡述如何將科研實踐融入《機械優化設計與案例分析》研究生教材中，來提高研究生的創新實踐能力。

（一）發現問題

1.了解工程背景

介紹牙輪鉆頭的原理、應用、特點和工況條件；提出牙輪鉆頭在深部地層使用中存在的問題——鉆頭鉆速慢、壽命短，影響鉆井作業；提出影響牙輪鉆頭壽命的關鍵因素——軸承密封失效；找到機械優化設計的目標——提高鉆頭密封性能。

2.掌握前沿現狀

總結國內外已有的密封研究現狀；提出現有密封存在的問題——被動密封、磨損嚴重；提出解決的措施——創新結構；確定機械優化設計的研究對象——新型密封結構。

3.提出研究意義

總結國內外密封研究的核心技術及使用情況——我國牙輪鉆頭密封技術缺乏，被美國休斯公司所壟斷；現有現狀對我國經濟的影響——制約了市場，削弱了競爭力；提出新密封優化設計的研究意義——提高我國自主創新能力，促進科技發展。

（二）提出問題

1.提出創新結構

建立創新思想——排砂及組合密封設計思想；提出創新結構——螺旋組合密封結構及優點。

2.掌握基本原理

建立螺旋排砂機理——利用泵送壓力實現排砂；建立組合密封機理——螺旋與O 型圈的組合密封作用。

（三）分析問題

1.產品性能分析

新密封性能的理論和仿真研究，論證可行性，研究結構參數、工況參數對密封性能的影響，掌握新密封機理，為結構優化作鋪墊。

2.結構優化的仿真設計

對整體密封結構方案設計與優化；設計變量的確定——螺距、密封間隙和斜螺旋面傾角等；目標函數的確定——螺旋排砂性能的數學方程建立；約束條件的建立——邊界條件的建立和載荷的施加；計算機仿真求解；結果提取及分析——壓力場、速度場和顆粒運移軌跡等結果的提取及對排砂性能的影響。

3.試驗研究

試驗裝置的方案設計及優化，確定優化目標及方法；主要零部件、標準件的優化設計與選型：加工方法及優選：試驗裝置的加工與調試：產品性能的試驗研究及效果評價。

（四）解決問題

1.產品設計加工

理論方案的分析及存在的問題；結合工程實際的新密封結構優化設計；新密封及牙輪鉆頭的加工、制造；優化產品質量的檢測、評定。

2.應用推廣及評價

優化設計的新密封牙輪鉆頭的現場井下試驗研究；優化設計的新密封性能評價，驗證結構優化設計的可靠性。

五、對策建議：培養創新能力的科教融合教材建設策略

（一）以“產業需求”為導向，以“科研實踐”為驅動的產學研聯合培養模式

（1）從企業的工程實際需要入手，以解決實際工程問題為目標，前期調研以企業數據為依據，項目研究不脫離企業，科研研究來源于企業又服務于企業，滿足企業對產品的需求。

（2）結合科研實踐，讓學生更多地、積極地參與其中，讓學生從科研實踐中發現產品的問題，調研國內外現有研究狀況，尋求解決的方案及措施，提出解決的思路及方法。

（3）回歸到實際工程生產中，檢驗結構優化設計的性能，并根據企業的需要和生產實際，調整、修改和完善零件結構優化設計的方案、設計思路及結構參數等。

（4）再回歸到工程實際中，再次檢驗產品性能和各項指標要求，直到滿足企業要求為止，整個設計過程才結束。在此過程中，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

（二）以新工科人才培養為目標，緊密聯系國家需要，理論與實際結合并行，突出具有綜合能力的復合型人才培養的新型研究生教材

（1）發現問題：引入工程案例，融入學科前沿，抽象工程模型，以便在仿真及結構優化設計中進行研究。

（2）提出問題：調研國內外研究現狀，掌握學科前沿，掌握工程問題的原理，提出工程問題的實質。

（3）分析問題：應用現有知識理論，采用正確的問題分析方法，采用合適的結構優化設計技巧、步驟。

（4）解決問題：優化設計結構的加工、初步試驗研究，優化結構方案的修改、完善及調整，對調整后的結構進行反復試驗，直至性能達到預期要求，才結束結構優化設計過程。

（三）由單純的“堆積資源”向“一體設計”轉變

（1）以科研項目的研究過程作為線索，以解決工程問題、降低成本和提高企業效益為目標，將機械優化設計融入到整個科研中。

（2）基于工程背景，掌握工程問題，從工程中提取結構優化設計案例。

（3）按照工程問題研究的基本思路“發現問題、提出問題、分析問題和解決問題”，應用已有的機械優化設計的方法、思路和內容等相關知識，運用現代設計的仿真優化等手段，將理論知識與實際工程需要有效結合。

（4）突出工程意識、工程理念和工程思維的構建，形成主題突出、知識體系完整和目標明確的“一體設計”格局，打破傳統教材堆積資源、知識點分散的格局。

（四）由傳統的“以教為主”向“以學為主”轉變

（1）理念是“以學為主”，學生可以通過教材自學，以科研項目為實例，配套相關工程案例的動畫、視頻和講解等，自己就可以主動學習，而且例子生動、直觀和簡潔，可以充分調動研究生的積極性和主動性，并能充分培養研究生的創新性。

（2）學生可以在課前預習、課中學習和課后復習等過程中進行學習。課前預習時，學生可以事先了解工程背景、工程案例的基本原理、實際工況、設計的基本理論、設計方法、設計過程及步驟等；課中學習時，學生可以配合教師的講授，掃碼觀看相關的工程案例視頻、動畫等，更易于學生的理解和學習；課后復習時，如果學生在課上沒有完全理解知識點內容，就可以在課后配合教材的相關資料進行重點學習、復習等。

（五）實現多學科、多手段的交叉融合

（1）將科研項目融入教材中，以“產業需求”為目標，以“產學研”聯合培養為主要培養模式。

（2）實現多學科和多種技術手段的交叉融合，如筆者曾經承擔的四川省科技服務業示范項目《基于3D 打印技術的高速牙輪鉆頭新型密封結構創新研發設計》。本項目研究內容包括牙輪鉆頭新型密封結構三維模型的建模、設計及分析，新型密封結構密封性能、排砂性能的仿真研究，新密封試樣的3D 打印，新密封結構的試驗驗證及密封性能測試等內容。要完成此項目內容需要掌握機械結構設計理論及方法、新密封性能的仿真研究方法及數據處理技術、3D 打印加工方法、3D 打印新型密封材料和新型密封的試驗研究方法等。新型教材實現了多學科、多手段的交叉融合，拓寬了學生視野，增長了學生知識，有利于研究生創新能力的培養。

六、結束語

本研究從現有研究生教材現狀出發，首先，指出現有研究生教材存在的問題，包括缺乏將科研成果融入教材的建設實踐，重理論輕實踐；內容枯燥、陳舊，應用性、創新性不足；“以教為主”的模式為主體模式。其次，提出了基于新工科人才培養理念的研究生教材創新特征，構建了基于創新能力培養的科教融合教材建設模式，提出了基于創新能力培養的研究生教材特征，創建了以“綜合全面布局”為特征的建設方法，以“產業需求”為導向的教材思路，及以“服務于工程”為目標的教材內容模式。再次，設計了基于創新能力培養的科教融合教材內容，以科教融合教材《機械優化設計與案例分析》為例，從發現問題、提出問題、分析問題和解決問題入手，來闡述教材是如何建設的。最后，提出基于創新能力培養的科教融合教材的對策建議，包括以“產業需求”為導向，以“科研實踐”為驅動的產學研聯合培養模式；以新工科人才培養為目標，緊密聯系國家需要，理論與實際結合并行，突出具有綜合能力的復合型人才培養的新型研究生教材；由單純的“堆積資源”向“一體設計”轉變；由傳統的“以教為主”向“以學為主”轉變；實現多學科、多手段的交叉融合。