新工科背景下機械類專業分層次遞進項目式實踐教學探索

黃偉莉 　章國慶　裴東芳　宋憲臣

［摘 要］根據新工科建設的需求，東華理工大學機械工程專業構建了“分層次遞進、項目多元化”的工程實踐教學模式，并在實踐教學環節實施了項目式教學。課程實驗教學采用微型項目式教學，旨在夯實專業基礎，培養工程素養及認知能力；專業課程設計以常用機電產品為載體實施項目式教學，打通相關專業課程之間的壁壘，培養學生綜合實踐能力；創新拓展實踐以“項目+競賽”形式促進學生學以致用，培養學生合作溝通能力和創新能力。分層次遞進項目式實踐教學使學生獲得了充分的專業體驗，知識、能力和素質水平都得到了有效提升。

［關鍵詞］新工科；分層次遞進；項目式教學；機械工程；實踐教學

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）04-0059-04

近年來，新一輪科技革命和產業變革風生水起，工程在社會中的作用發生了深刻的變化，培養多元化、創新型卓越工程人才成為我國高等工程教育的關注點[1]。為主動應對新經濟形態的挑戰，服務國家創新驅動發展戰略，滿足產業的升級需求，2017年教育部提出要建設和發展新工科，為高等工程教育的改革探索提供了全新視角[2]。

實踐教學是培養和提升學生工程能力、綜合分析能力和創新能力的關鍵環節[3]，是高等工程教育的核心組成。但長期以來，我國本科教育仍然延續12年基礎教育的慣性，應試教育思維根深蒂固，存在重理論輕實踐、重結果輕過程、重知識輕能力等問題，學生實踐動手能力、綜合分析能力、創新能力有待加強。在教學模式上，傳統的“滿堂灌”教學模式沒有得到根本改變。教師“傳道、授業、解惑”的“單聲道”模式忽視學生的“悟道、求業、生惑”[4]，導致學生被動接受知識，學習主動性不足，缺乏獨立思考和解決復雜工程問題的能力。隨著經濟社會的快速發展，學生的工程實踐能力與社會需求不相適應的矛盾凸顯。為使畢業生更好地滿足社會和企業的用人要求，高等工程教育改革勢在必行?！秶抑虚L期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確指出，高等教育要堅持能力為重，強化實踐教學環節，著力提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力[5]。項目式教學作為一種“以學習者為中心”的教學方式，有助于培養學生的實踐能力、團隊合作能力和溝通交流能力，在工程教育中得到了廣泛應用[1]。燕山大學[6]、汕頭大學工學院[7]實施了基于CDIO模式的項目式教學改革，上海交通大學實施了多層次閉環反饋項目式教學模式[8]，王成勇等提出了基于科研項目驅動的大學生創新能力培養新途徑[9]，楊元慧等探索了通過校企合作項目推進課程教學改革[10]。同時，項目式教學也是德國應用科技大學培養高素質工程型人才的成功經驗 [11]。本研究以東華理工大學機械工程專業（含中愛國際合作教學班）的實踐教學改革為例，提出基于項目的實踐教學模式，通過構建“分層次遞進、項目多元化”的實踐教學體系，培育學生適應當前和未來社會所需的核心素養，提高其工程創新實踐能力 [12]。

一、項目式教學模式的本質

項目式教學理論是基于建構主義學習理論的研究成果。其核心思想是倡導以學生為中心，借助現實世界中的真實問題來捕捉學生的興趣[6]，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構[13]。項目式教學重視培養學生的實踐能力。重視實踐教學環節也是歐美發達國家工程教育典型的特征之一，因此，其受教育者分析問題和解決實際問題的能力相對較強。

項目式教學以教師為主導、學生為主體，有效構建學習共同體，強調學生之間的合作交流與討論學習[14]，通過項目設計（導入）、項目分析與實施、項目評價、項目拓展與項目總結等環節實現教學目標。

（一）項目的頂層設計與導入

興趣是激發學生主動參與學習的內在驅動力，因此項目的合理設計與導入不可忽視。教師應結合專業特點，從日常點滴中捕捉搜集項目素材，盤活看似生硬而零散的知識點，創設具體生動的專業教學情境，搭建開放的交流平臺，尋找師生共同的話題，建立共振共鳴點。

（二）項目的分析與實施

此環節是項目式教學的關鍵。教師對學生進行分組，逐一分解項目，分配任務，逐步引導學生討論分析項目的可行性方案，整理項目實施過程中的重難點，有意識地培養學生圍繞項目及問題查閱資料的能力，并引導學生通過各種渠道主動探索和解決遇到的問題、貫徹落實項目計劃，充分發揮學生的學習主體作用，同時培養學生的團隊意識和溝通合作能力。

（三）項目評價

“項目現場問辯”等環節的引入，可引導并督促學生在學習過程中親歷項目實踐，主動探究，人人有目標，人人有事做，人人有壓力，人人有進步，實現從過去“學習—考試—遺忘”的被動型學習向“思考—探究—創新”的主動型學習轉變，同時有效完善能力考核評價制度。

（四）項目拓展延伸與反思

通過項目式教學，教師不僅應完成課程體系的知識架構，還應深入挖掘顯性項目之外的隱性知識，將項目延伸下去，順利打通相關專業課程之間的壁壘，實現課程之間的專業知識無縫對接，完善學生的專業知識體系。此外，對整個項目實施過程的整理、總結和反思也非常重要，經過項目延伸、拓展和沉淀，可實現學習有效積累和可持續發展，形成學習良性循環。

二、“分層次遞進、項目多元化”實踐教學體系構建

機械學科是一門理論嚴謹、實踐性和應用性都較強的學科[11]。東華理工大學機械工程專業根據本科人才培養方案對學生知識、能力、素質三個層次的培養要求，將專業課程知識體系劃分為“課內學知識、課外強拓展、科學重探究”三個層次，按照項目驅動設計思路構建 “分層次遞進、項目多元化”的實踐教學體系（見圖1），在保持教學內容的實用性和先進性的基礎上，以課程實驗和專業課程設計為突破口，合理選擇項目，優化課程知識結構，創設真實的工作環境，引導學生從課堂理論知識自然過渡到工程項目實踐，解決學生面對具體問題時的困惑，培養學生解決工程實際問題的能力，切實推進知識、能力與素質并重的創新人才培養進程[15]。

第一層次是以制圖大作業、計算機繪圖、認知實習、工程訓練項目及課程實驗項目等為主的工程基礎實踐模塊，旨在培養學生的工程基本技能和工程素養；第二層次是以課程設計、數控綜合訓練、生產實習、畢業實習等為核心內容的專業綜合實踐模塊，旨在培養學生的綜合設計與實踐能力；第三層次是以學科競賽、綜合競賽、課外實踐及大學生創新創業項目等為主，以“項目+競賽”模式為實現途徑的創新拓展實踐模塊，旨在培養學生的創新能力。三個層次的項目貫穿始終，逐階遞進，環環緊扣，相互滲透，將“基本技能、專業綜合以及創新拓展” 環節有機融為一體，依托“江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心”重點實驗室等平臺，通過開放實驗室、校企合作等良性互動，強化學生的工程意識，突出學生創新精神和工程實踐能力培養的核心地位，實現學生由掌握基本技能到理論與實踐相結合、再到實踐中創新突破的循序漸進式發展。

三、分層次遞進項目式實踐教學的實施

結合行業特點及學校機械工程專業實際教學需求，在“分層次遞進、項目多元化”實踐教學體系的每個層次中選取相關課程樣本實施項目式教學實踐。

（一）工程基礎實踐層次的“微型項目”教學實踐——互換性與技術測量課程實驗

互換性與技術測量是機械專業一門重要的應用技術基礎課程，該課程以如何實現互換性為主線，闡述了“國家標準”和“零件幾何參數檢測”兩大關鍵詞。實驗教學目標是依托實驗項目將課程中零散的知識點凝結串成一個有機整體，幫助學生加深對實現互換性要求的理解，實現理論與實踐的有效結合，學以致用。

依據課程特點，提出以“測量微項目”為導向的專業綜合實驗改革。將傳統的相互獨立的驗證性實驗化零為整，優化整合成綜合性微型測量項目。項目雖小，但內容完整，符合系統性原則。教師事先發布零件幾何參數檢測微項目，給定相關零件圖，讓學生以實驗小組為單位進行課前預習，通過查閱文獻資料，組內討論圖紙相關技術要求，確定測量方法，現場根據設計方案選用適當的計量器具進行測量操作，處理完成主要實驗數據并當場隨堂答辯。按工程技術要求培養學生幾何誤差檢測方案設計能力，并使學生具備基本的測量操作技能。

在課程實驗教學環節，通過實施“微項目”教學，實現了兩個改變。一是學生實驗習慣改變：從“點名簽到走過場，復制粘貼抄數據”的形式實驗向“人人需思考，人人有壓力，人人要做事” 轉變，有效提高實驗參與度，混實驗現象明顯改觀。二是實驗評價機制改變：實驗成績評定增設答辯環節，倒逼學生主動參與實驗，實驗投機現象減少，實驗過程得到控制與落實，從過去的“簽到+實驗報告”轉變為“實驗過程表現+實驗報告+現場答辯”，提高了實驗評價機制的科學性及合理性，提升了學生的思考能力。

（二）專業綜合實踐層次的項目式教學實踐——機械原理課程設計

機械原理課程設計是機械專業學生進入專業學習后第一次進行產品方案設計的實踐教學環節，旨在使學生初步具備設計和分析機械運動方案的能力，并得到一定的創新設計能力訓練。項目須考慮如何實現理論學習與實踐的自然過渡，實現有效銜接。根據教學要求展開討論，導入實際產品項目——家用電風扇的運動分析與設計，從產品功能需求分析出發，先要求學生讀懂產品設計者的思想，進行真實產品機構運動方案的分析，再要求學生從設計者角度根據參數進行反向設計，改變了傳統課程設計中只針對機構運動方案進行純理論設計和計算的思路。電風扇是大家非常熟悉的一款日常家用機電產品，因此，學生不容易產生抵觸情緒。此外，從機械產品的設計角度來看，該項目不僅涉及運動方案，還包含電路、工程材料、力學原理、結構設計等多門課程知識的綜合應用，看似簡單實則不易，要想做扎實并非易事，是機械專業知識綜合應用的典型體現。課程設計以“機械原理”為載體向多門課程輻射融合，通過項目的實施，實現了三個改變。一是學生學習態度改變：從最初的輕視不在意轉變為仔細觀察并認真思考，從“只計算會做題”的空中樓閣式學習向“真做事會做事”的落地式實踐轉變。二是學生角色（身份）改變：從用戶（單純的產品使用者）轉變為產品的設計者，通過雙重身份學會換位思考，基于用戶需求分析的產品設計思想初步形成。三是教學項目內容與形式改變：從單一的課程內實驗轉變為對多門課程進行綜合，初步實現了項目層次遞進。

（三）創新拓展實踐層次的項目式教學實踐——大學生工程訓練綜合能力競賽項目實踐

競賽是檢驗教學效果和學生能力的重要途徑之一。通過參賽，師生將“賽、練、教、學、研”有效融為一體。全國大學生工程訓練綜合能力競賽旨在提升大學生工程創新意識、實踐能力和團隊合作精神等，促進理論與實踐的有機結合、基礎知識與綜合能力水平的共同提升[16]。

“無碳小車”項目是工程訓練綜合能力競賽的經典項目之一，其實施過程是一個復雜的系統工程，包括方案確定、圖紙設計、加工制造、小車裝配、整體調試和現場競技等諸多環節，需要綜合運用多門專業課程知識及人文通識，項目實施過程中會不斷出現許多無法預測的問題和困難，且項目實施沒有唯一的標準答案或方案，只有更優方案，需要師生共同參與溝通、分析討論，問題的解決過程就是對專業知識的解讀、領悟和詮釋過程。學生在真實的項目訓練中體驗，真正實現“做中學，做中思，研中學，研中樂，學中做，研中做”。經歷無數次失敗，經受住挫折，能夠頑強堅持下來才能走到最后。參賽的全過程不僅是對學生智慧的考量，更是對其心智的考驗。通過參加學科競賽，無論比賽結果如何，學生的知識、能力和素質都能得到明顯提升。在2018年的工程訓練大賽“無碳小車”項目賽中，東華理工大學機械工程專業學生獲取環S賽道的省賽第一名，成功晉級國賽并終獲全國一等獎，實現了在該項目上的突破。

學生通過參加各類學科競賽項目活動，經歷大賽的磨煉，實現了三個改變。一是學生學習地位改變：由學習客體向學習主體轉變。二是學生學習方式改變：由過去的被動接受灌輸向主動探究轉變，從“要我學”向“我要學”轉變，從“學會知識”向“會學習”轉變。三是學生心理狀態發生根本性改變：由最初的消極自卑向積極自信轉變。

四、分層次遞進項目式實踐教學的實施效果

通過實施分層次遞進項目式實踐教學，東華理工大學機械工程專業的專業建設及人才培養均取得了較好的成效。機械工程專業獲批國家一流專業建設項目，近年來，以“競賽+項目”形式，獲批并完成大學生科研創新訓練計劃項目40余項；參加全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽及美國大學生數學建模競賽等各類競賽獲獎100余項；考研升學率連年提升，一次就業率超過90%。同時，通過項目式實踐教學改革，教師科研教研業務水平、項目應用和綜合開發能力也得到了有效提高，有效推動了“雙師型”師資隊伍的建設，實現了教與學同向同行，創新教育成果顯著。

五、結語

新工科背景下，進一步加強實踐環節、回歸工程實踐已然成為高等教育機械類專業發展趨勢。本文以“夯實基礎，強化實踐，追求創新”的新型工程技術人才培養理念為指導，以機械工程實踐教學環節為抓手，按“工程基礎實踐、專業綜合實踐、創新拓展實踐”分層次遞進式開展項目式實踐教學活動，并貫穿學生本科學習全過程。學生在項目情境中獲得充分的專業體驗，知識、能力和素質水平都有了質的飛躍，實現了提升綜合能力的工程教育培養目標。

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［責任編輯：周侯辰］