機械類專業實驗實踐教學體系建設研究與實踐

吳萬榮，韓奉林，田廣天，劉詩月

（中南大學 機電工程學院，長沙 410083）

現代社會已進入到一個知識創新、科技創新日新月異的新時代，世界各國的相互競爭成為推動社會向前發展的基本動力，科技創新是增強綜合國力的關鍵，高水平人才是建設創新型國家最基本的要素和各國相互競爭的焦點。在我國，大力培養德才兼備、國際一流的創新型人才，不斷提升國家的創新活力，建設具有中國特色的創新型社會主義強國，已成為全國人民的廣泛共識。

科技創新型人才需要具備強烈的社會責任感、深厚的理論知識基礎、堅實的實驗實踐能力和敏銳的科技智慧與科技創新精神。所以，大學教育不僅需要向學生提供先進的科學理論知識的學習條件，同樣需要提供先進的實驗實踐教學條件。本文以機械類專業為例，探索研究型大學本科教育創新型人才培養的先進實驗實踐體系建設。

一、建設先進實驗實踐教學體系的重要性

研究型高校如何深化實驗實踐體系改革，創新實驗實踐體系建設的思路，建設具有世界一流水平的先進實驗實踐教學體系，滿足我國建設創新型國家對高水平創新型人才培養的新要求，已成為當前必須解決的一項重要任務。

（一）機械類專業實驗實踐教學體系建設的新要求

實驗與實踐活動是科技創新之源，建設高水平的先進實驗實踐教學體系，必須突破體制機制的約束，創新實驗實踐教學體系建設的思路。高水平實驗實踐教學體系建設不僅是本科生工程實踐能力和創新能力培養的基本條件，同樣是教師從事教學與科研活動及碩士、博士研究生培養的基本條件。故研究型大學必須具有與之相適應的先進實驗實踐教學體系，才能發揮研究型大學科技創新活力，促使產生高水平科研成果，以高水平的科研活動帶動高水平的本科實驗實踐教學[1]。

機械類專業涉及各類機械設備、儀器儀表、工程裝備、運載工具、航天航空、航海船艦、社會服務和生活設施等現代社會的幾乎每一個領域，機械類專業人才不僅需要寬厚的基礎理論知識，更需要綜合性和實踐性非常強的工程技術應用能力。可以說，無論科學技術如何進步，社會如何發展，機械工程技術永遠是社會不斷發展的基本技術支撐，沒有現代化的機械工程技術，就不可能有現代化的社會物質文明。尤其是當機械工程技術與現代微電子技術、電腦軟硬件技術、控制技術、傳感技術和信息處理技術等多種人工智能技術相結合形成現代智能制造技術后，智能制造高水平創新型人才的培養對于我國建設創新型國家顯得更加迫切，更加任重而道遠。

（二）實驗實踐教學體系與“雙一流”建設的差距

我國研究型高等學校實驗實踐教學體系建設在211 工程、985 工程、國家與省部級重點學科、重點實驗室、工程研究中心和2011 協同創新中心等一系列高等教育國家戰略的推動下取得了長足的進步并步入了良好的發展態勢，為探索實驗實踐教學體系的體制機制創新，建設教學與科研相結合的創新型人才培養先進實驗實踐教學體系，取得了寶貴的經驗。

面對建設創新型國家對高水平創新型人才培養的新形勢，實驗實踐教學體系的建設還不能完全適應國家高等教育戰略“雙一流”建設的要求，表現在不能滿足建設創新型國家對高水平人才培養的迫切需要，不能滿足制造強國對智能制造高水平創新人才的迫切需要，不能滿足在現代高新技術快速發展形勢下企業技術轉型升級與持續發展對人才的迫切需要。造成高等學校實驗實踐體系建設與國家實施高等教育“雙一流”建設的要求存在差距的原因主要有：我國高等教育受重理論知識傳授、輕實驗實踐教學的傳統教育思想束縛很深，對高水平實驗實踐體系建設重視程度不夠；高水平實驗實踐體系建設資金投入不足，高校的實驗實踐體系硬件更新速度跟不上科學技術高速發展的步伐。

二、創新實驗實踐教學體系與教學內涵建設的思路

欲實現智能制造國家戰略，最基本的支撐力量是培養大批量掌握智能制造理論和技術的人才，人才培養是實現智能制造國家戰略的關鍵所在。機械類專業怎樣培養既具備智能制造理論又掌握智能制造技能的人才？如何建設機械類專業的先進實驗實踐教學體系？這是必須解決的重要問題。

（一）構建智能制造新時代的機械類專業實驗實踐新體系

傳統的機械工程技術能夠高效高質地完成人力直接可以完成的工作和不能直接完成的工作。而當現代電磁技術、微電子技術、電腦技術、精密技術、控制技術、傳感技術、系統技術和信息處理技術等多種人工智能技術與機械工程技術相融合，形成現代智能制造技術之后，使機械工程的技術結構、機構功能、產品結構、生產過程和管理體系等發生了巨大的變化。

顯然，機械類專業不能沿襲以往的實驗、實踐教學模式，實驗教學不能僅為驗證所學的理論知識，實踐教學不能僅為重現已有機構和機器的功能。在智能制造時代，機械類專業的人才培養目標要求實驗教學能夠發現新知識和新理論，實踐教學能夠設計新機構、創新機構功能。

智能制造時代機械類專業所培養的人才，應該能夠應用和能夠發展智能制造技術，創造出結構更加先進、功能不斷增加的機器與機械裝備，去不斷實現人類曾經的夢想，創造人類不曾夢想的奇跡，將智能制造的產品應用到現代工業工程、農業工程、航天航海、流通運輸、商業營銷、科學研究、教育教學、日常生活和社會服務的每一個領域，使人們曾經夢想和未曾夢想的事物，都能夠成為現實世界的真實事物。例如，人類曾經夢想能夠騰云駕霧，能夠在跟斗云上動一下就跨越十萬八千里，上月中折桂，入海底龍宮。我國的航天、航海技術已經實現遨游宇宙太空，下潛萬米深海，遠窺億萬光年天體，細察物質微觀粒子，這些夢想的實現都源于我國智能制造技術所生產出來的機構與機械裝備具備的奇異功能[2]。

智能制造時代機械類專業實驗教學應該是發現新知識、掌握新理論的過程；實踐教學應該是增強工程能力、進行機構設計創新與制造工藝創新的過程；應該創建全新的智能制造實驗、實踐教學模式，使學生通過實驗、實踐教學，培養能夠設計制造機構更為巧妙、功能更為先進的機構和機械裝備的能力，去不斷實現人類曾經的夢想，創造人類不曾夢想的奇跡。

機械類專業人才的培養要在學習智能制造基本理論的基礎上，通過實驗、實踐教學進行智能制造的方法訓練與技能培養，根據機械類專業智能制造培養目標的定位，按照分層次、模塊化的思路進行實驗實踐教學體系建設，注重實驗、實踐教學方法改革，探索智能制造實驗、實踐教學的新規律與新特性，突出工程實踐能力和創新精神培養[3]。

按照智能制造培養目標對學生能力培養的要求和專業方向的差別，實驗實踐教學體系可分為專業基礎實驗實踐模塊、專業實驗實踐模塊、創新創業實驗實踐模塊；按照教學方式的要求，可將實驗實踐教學體系分為課內實驗實踐與課外實驗實踐；按照校企協同人才培養的要求可將實驗實踐教學體系分為校內實驗實踐與校外實驗實踐，下文按照圖1 所示進行實驗實踐體系建設的論述[4]。

圖1 實驗實踐教學模塊

（二）課內實驗實踐教學

理清實驗實踐體系建設與教學內涵建設的思路，優化實驗實踐教學內容，整合和減少驗證性實驗實踐，增加綜合性、設計性、創新性實驗與實踐，全面提升實驗、實踐教學發現知識和將知識轉化為能力的訓練力度，改變以系所設立實驗室和實踐教學基地的模式，從機械工程學科建設與前瞻性人才培養的高度，構建學院統一管理的專業基礎實驗與實踐、專業課程實驗與實踐的分層次、模塊化、相互銜接的實驗與實踐教學體系[5]，如圖2所示。

圖2 各類課程實驗實踐教學模塊

機械類專業實驗與實踐體系可建設以工程圖學與三維軟件應用、機械原理、機械設計學、有限單元法與應用和程序語言設計及應用等為系列課程的機械原理和設計學實驗與實踐模塊，以制造工程訓練、材料成形工藝基礎、機械加工工藝基礎、機械制造工藝學、切削機床與刀具、數控加工與特種加工、工程材料與成型技術、機械精度設計與測量技術、傳感器技術、制造工程應用軟件和智能制造技術等為系列課程的機械制造實驗與實踐模塊，以流體力學、液壓與氣動技術、機電傳動與控制、機械工程測試技術、PLC 控制技術、可編程序控制器技術、計算機接口與控制和機器人技術與應用等為系列課程的機械傳動與控制實驗與實踐模塊，專業實驗與實踐根據機械設計制造及其自動化、機電一體化、車輛工程、智能制造和微電子制造工程等不同專業方向設置專業課程實驗與實踐模塊。

專業基礎課程設計與畢業設計（論文）是大學教育中訓練將知識轉化為能力的十分重要的綜合實踐教學環節，專業基礎課程設計與畢業設計（論文）實驗實踐平臺的建設應結合專業基礎課程與專業課程的實驗實踐教學模塊建設進行綜合考慮。專業基礎課程設計教學一般應結合課程教學的核心知識點，著重考慮怎樣引導學生將知識轉化為能力，可以是學生自主命題，也可以是教師命題，并提供相應的實驗實踐條件；而畢業設計（論文）應結合指導教師的科研項目或工程研究課題，選取其中的研究內容或需解決的工程技術重點、難點進行命題，并創設相應的實驗與實踐條件。

虛擬仿真實驗實踐教學可以豐富虛擬演示和人機交互功能，現代機電產品設計制造均需使用三維建模、虛擬仿真等先進方法，利用虛擬現實可以生動展示和超越實驗與實踐硬件設施所獲得的效果，尤其是科研課題涉及的航天器械、核能裝備、深海裝備和放射性冶金裝備等實驗實踐平臺的結構設計、機構運動與工作過程的實驗實踐教學內容，通過虛擬仿真可以實現理論問題直觀化、高難問題可達化和復雜問題簡單化，降低實驗實踐教學的難度，拓展實驗實踐的范圍。故應高度重視虛擬仿真實驗實踐教學平臺的建設。

（三）課外實驗實踐教學

課外科技創新實驗實踐對于學生個性化學習與能力培養具有重要意義。為大學生課外自主實驗實踐搭建訓練平臺，提供課外實驗實踐和個性化探究的條件。課外實驗實踐教學以學生自主學習和個性化探索研究為主，以學生個體或學習小組為基本方式，通過實驗與實踐獲取知識、發現問題與解決問題，以提升實驗與實踐技能和創新創業能力，培養自主學習能力、自我探究能力、獨立思考能力和團隊協作精神。

課外實驗實踐提倡學生自主進行具有設計性、創新性的實驗與實踐項目探索，學生對自已感興趣的問題進行實驗、實踐，培養善于觀察想象、敢于實驗實踐的勇氣，有利于求知欲與實踐能力提升。課外實驗實踐可以結合國家級、省部級、校級大學生創新創業計劃和大學生工程實踐與創新能力競賽、機器人競賽等各類學科創新競賽活動，為學生提供設計與制造所必備的、相對集中的設計制造環境和條件，加強學生綜合運用所學設計制造知識進行創新設計制作，將創意設計轉化為創新成果，擴大學科創新競賽的惠及面，引導更多的學生以實際行動積極投身到創新創業活動之中。

（四）鼓勵高水平教學科研團隊進行實驗實踐平臺建設

鼓勵和支持國家級與省部級重點實驗室、2011 協同創新中心、工程研究中心、973 項目、863 項目及自然科學基金項目等高水平科研教學團隊利用科研項目的師資、技術和資金等資源優勢建設高端研究的實驗、實踐教學平臺。

高水平教學科研團隊進行實驗室與實踐平臺建設，不僅具備知識與技能的傳授功能，同時具備知識創新與技術創新功能，既能夠進行項目研究和博士、碩士研究生培養，也可以使本科生結合專業基礎與專業課程學習以及畢業設計教學，進入科研實驗、實踐平臺，在教師的指導及研究生的協助下參與項目研究，在親身參與的過程中學習知識的應用與進行技能的歷練，自我主動獲取知識，培養進行科學實驗與實踐的能力，使本科教學由被動接受知識的傳統模式轉變為自主創新性地獲取知識，獲得能力提升。

大學生的創新意識與創新能力能夠在創新性科學研究的氛圍和環境中得到熏陶與提升，本科學習階段獲得參與原創性研究，從中獲得在科技前沿進行探索的資源和分享知識創新的經歷，是培養創新型人才的一條重要途徑。許多世界各國高水平大學認為，高水平的大學給學生最有震撼的教育并非來自課堂上教師的講課，而是讓本科生進入實驗室進行探索，在實驗中接觸最新的設備和尚無答案的問題，獲得個人體驗。如果本科生都有機會在教師指導下參與到原創性研究或創造性的工作中，將會極大地豐富他們的實踐經歷，提高他們自主學習的興趣與積極性[6]。

教師的科研項目與工程實際課題一般都是具有挑戰性的研究課題、關鍵技術或產業前沿技術與復雜工程問題，將科學研究中獲取的新成果和新知識不斷融入專業基礎與專業課程教學之中，并且用科技創新思維訓練本科生獲取知識的能力和解決工程問題的能力，使高端科研實驗室和實踐平臺成為本科教學的優質資源，能夠促使本科教學向高水平、高質量方向發展。

（五）校企聯合進行高新技術實踐教學基地建設

校企聯合建設實踐教學基地是增強大學生工程實踐能力一條非常重要的途徑。以卓越工程教育計劃、本科教學國家級工程實踐教育中心和大學生校外實踐教育基地建設為基礎，創新校企聯合建設實踐教學基地的思路，拓展智能制造高新技術校外實踐教育基地新的建設單位，探索多元化的校企協同育人模式，按照“雙一流”建設的要求，進一步探索和創建校企實踐教育合作新模式。

改變工科教育重知識學習輕能力訓練、重理論掌握輕工程歷練、重成績考核輕素質培養的傳統教育思維模式，圍繞學生在企業實踐教育基地需要達到的目標，校企聯合制定工程實踐教學實施方案，協同組織實施工程實踐教學過程，協同評價工程實踐教學質量；將企業高新技術產業實際課題向實踐教學內容轉化，由企業導師精心組織技術講座和現場授課，進行新材料、新技術和新工藝學習；結合企業真實工程實際課題，將學生直接置于工程課題研發、成果轉化及產品運行的一體化實踐教學環境中，在學校指導教師、企業導師的協同指導下，使工程實踐教育從校內驗證型實驗、實踐向解決工程實際問題的能力培養轉化，提高學生的大工程意識、大工程能力與大工程素養。

充分發揮現代化高新技術企業強大的工程實踐平臺、企業管理平臺、營銷與社會服務平臺及企業文化環境的育人功能，為學生提供工業認知實踐、制造工藝實踐、產品研發實踐和畢業設計（論文）實踐的培養空間，在加強高新技術實踐教學的同時，促進學生知識、能力、素質協調發展。建立健全工程實踐教學運行、學生安全管理和生活保障等校企協同人才培養的管理和運行機制，提升工程實踐教育中心和大學生校外實踐教育基地的建設檔次和人才培養功能，形成具有鮮明特色的校企協同工程實踐教育教學新模式。

三、實驗實踐教學方法與管理方法的改革

全面提升實驗實踐的教學效率與教學質量，深入改革實驗實踐教學方法與管理模式，建立“教師為主導、學生為主體、學生自主學習與自主能力提升”的實驗實踐教學機制，尊重每位學生的自主實驗實踐和個性化，以及課題小組學習的意愿，提供獲取知識、培養能力、開拓思維、施展才能的空間和條件，為學生自主實驗實踐提供科學的教學方法與管理體制。

（一）全方位開放的實驗實踐教學與管理

學院實驗實踐教學中心應具備全開放功能并實施全開放性管理，實驗室和校內實踐教學基地的開放管理是構建開放性課內、課外實驗實踐教學體系的制度保障。實驗與實踐教學面向全體學生實施全方位開放，包括實驗實踐教學資源開放、教學內容開放和教學時間開放，并制定行之有效的開放性管理規范與制度。

全開放性實驗實踐教學在于使學生能夠自主安排課內、課外實驗實踐的時間，自主進行課內、課外實驗實踐的學習活動。特別是對于大學生創新創業項目研究的實驗與實踐、學科創新競賽作品的設計制作、參與教師科研項目的實驗研究、學生自選項目的實驗實踐研究與設計制作等，適合于在全開放性管理條件下進行[7]。

建立和充實實驗實踐教學網絡資源庫，提供三維CAD/CAM 設計制造軟件、虛擬仿真實驗實踐軟件，充分利用先進的實驗實踐技術和網絡管理平臺進行網絡教學資源管理，全方位支持學生在實驗實踐中的個性化學習、合作式學習，實行網上預約進行實驗、實踐教學，采取線下、線上相結合的實驗實踐教學模式，共享網絡教學資源完成虛擬實驗實踐活動，進行網上討論與交流，提交實驗實踐報告、網絡上機考核與查閱課程成績等學習活動。教師能夠利用實驗實踐教學網絡管理平臺，對實驗、實踐過程提供技術保障和實施有效監管，發布教學信息，掌握學生的實驗實踐教學進度，發現問題隨時對學生進行指導和評價，師生進行在線交流、網上答疑、評閱與考核及網上登錄學生成績等各項教學活動，提高實驗實踐教學的效率和質量[8]。

（二）課程設計的教學改革

專業基礎課程設計是一類重要的實踐教學，傳統的教學模式是專業基礎課程理論教學完成之后，排出課程設計教學周（一般為2～3 周），學生在教師指導下完成課程設計任務并評定成績。這種教學模式將理論教學與設計實踐的安排割裂開來，理論與實踐脫節，教學效率低，教學時間長。

將專業基礎課程設計改革為教師根據課程理論知識轉化為能力的要求，結合課程理論教學進程同步進行課程設計教學，任課教師提出課程設計的要求，由學生自主組成項目小組，采用教師引導命題或學生自主命題的方式，選擇與課程學習內容相關的項目或課題，利用理論課堂教學以外的時間分工合作完成項目（課題）設計制作的相關任務，包括項目研究文獻查閱、網絡調研、確定設計方案、分項研究、程序編寫、模擬仿真、利用校內或校外實驗實踐條件進行設計制作、編寫項目報告或寫作小論文、撰寫演講匯報提綱、制作講演PPT、課程理論教學結束時組織課程設計答辯。

課程設計答辯過程中采取師生互動式，教師提問、各項目小組相互提問與答辯。成績評定采取小組互評，教師負責課程設計成績考核。在教師的指導下，結合課程學習自主選擇項目或課題，進行課內課程設計的項目（課題）研究訓練并完成課程設計教學，對于學生的自主學習能力、分析研究能力、解決實際問題的能力、演講表達能力的培養，是一種使學生學會將知識轉化為能力訓練的行之有效的途徑，完全可以替代獨立排課的“課程設計”教學環節，節省教學時間，提高教學效率。

（三）畢業設計（論文）的教學改革

畢業設計（論文）是大學教育階段一項完整的知識應用與能力訓練的綜合實踐教學訓練環節。畢業設計（論文）必須徹底改變教師命題、按命題完成畢業設計（論文）的舊模式。

畢業設計（論文）的命題應該是結合指導教師的科研課題、工程實際項目或智能制造預研項目以及學生自選創新創業項目（課題）等科研與工程實際項目（課題）。

畢業設計（論文）必須是一人一題，根據專業培養方案、人才培養的目標定位，提出畢業設計（論文）的基本要求并制定任務書，充分利用校內外的實驗實踐條件進行畢業實習實踐活動，在實驗實踐的基礎上進行設計和論文寫作。嚴格進行畢業設計（論文）文獻檢索、實驗實踐、方案擬定、程序編寫、模擬仿真、設計制作、編寫設計說明書（或寫作論文）的過程質量督管與過程考核，嚴格按照畢業設計（論文）的基本要求組織答辯和成績評定。

四、結束語

現代化的機器與機械裝備涉及社會生產、科學研究、教育教學、日常生活的每一個領域，智能制造時代研究型高校的機械類專業深化實驗實踐教學體系改革，培養大批量既具備智能制造理論又掌握智能制造技能的人才，向各行各業輸送高水平創新型人才和注入創新活力，是我國建設創新型國家的迫切需要。

本文結合中南大學機械類專業智能制造實驗實踐教學體系建設的實際，對深入改革實驗實踐教學體系與教學內涵、構建智能制造先進實驗實踐體系、創新實驗實踐的教學方法與管理方法等方面進行探索，提出了機械類專業先進實驗實踐體系建設的思路和措施。