大工程視野的機械工程專業教育研究

宋朝省?羅遠新?劉飛

摘 要：當前高校工程學導論課程多通過新生研討課、采用課堂理論教學模式進行，教學內容偏重歷史回顧，缺乏對學生全局思維與大工程視野的培養。作為工科大類培養的核心骨干課程，本研究通過建立“大工程”視野的工程學導論課程教學體系，重構了多學科交叉融合的工程學導論課程教學內容，開展了虛實結合、項目實踐牽引的工程學導論課程教學模式研究，建立了基于全過程的工程學導論課程能力達成評價體系。教學改革實踐效果表明，開放式的虛實實踐項目充分提升了學生創新實踐能力，培養了學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：新工科；大工程觀；機械工程；工程學導論；形成性教育

一、引言

隨著全球經濟轉型和產業組織方式的網絡化、扁平化，新技術、新產業與新經濟的快速發展，學科交叉融合加速，傳統工科分類之間的壁壘和差異將變得模糊，產業更新換代急劇加快，大型復雜工程問題不斷涌現，如何培養具有創新能力和跨界整合能力的新型工程科技人才，對傳統工程人才培養教育提出了新的挑戰。當前教育部和各高校圍繞嚴把畢業出口關出臺了一系列措施，然而僅有剛性的制度約束還不夠，如今的大學校園里，絕大多數學生已是“95后”和“00后”，他們的知識學習渠道更加豐富，不再盲目迷信權威，且興趣更容易被網絡吸引，傳統的教學方式無疑面臨巨大挑戰。對于經歷了緊張的高考，剛剛進入大學校門的機械工程類專業學生來講，“什么是機械工程？”“機械工程包含哪些內容？”“為什么要選擇機械工程？”“機械工程師之路應該怎么走？”等問題常常使他們困惑迷茫。不少學生對機械工程的學習提不起興趣，學習基礎課時不知道為何要學，選擇專業時不知道什么專業更適合自己。雖然傳統的培養計劃中設置了課程實驗、課程設計、生產實習和畢業設計等實踐教學環節，但大多數學生還是不清楚機械專業的重要地位及作用。因此使學生了解所學專業及專業的內容，克服思想障礙，認識專業的重要性，培養學生對專業的熱愛和耐得住寂寞的思想，建立專業感情和事業心，使新生逐漸具有專業意識，特別是幫助盲從的學生找到方向，變得尤為重要。

工程學導論是面向工程類學科低年級大學生開設的重要概論性專業認知課程。針對大一新生，從人才培養方案、專業培養目標以及學習方法等方面進行系統講授，對機械專業的“過去”“現在”“未來”進行概述，使他們認識專業、了解專業、重視專業、熱愛專業。工程學導論課程在整個機械工程專業課程教學體系中發揮著重要的作用。然而傳統工程學導論課程教學內容陳舊且偏重歷史回顧，對新技術和新產業發展的新知識更新滯后，教學模式偏重課堂理論教學，缺乏科學合理的教學評價方式，缺乏對學生全局思維、大工程視野及解決復雜工程問題的能力的培養，在各個高校中一度淪為“水課”，“不學照樣可以拿高分，學過與沒學過幾乎沒區別”。本項目為具有大工程視野的機械工程專業知識構架形成性教育研究，在當前大型復雜工程問題不斷涌現的背景下，通過學科交叉，構建基于“大工程”視野的工程學導論課程教學體系，為培養具有大工程視野的未來優秀工程師和領軍人才，適應未來我國創新驅動需求和全球化的科技工程競爭環境，并引領高等院校構建未來人才培養體系，具有重要的意義。

二、存在的主要問題

1．“未來工程師”能力需求的轉變

我國擁有世界最大的工程師隊伍，然而當前世界級工程領軍人才和拔尖人才不足，大國工匠緊缺，基礎、新興、高端領域工程科技人才短缺，工程技術人才支撐制造業轉型升級能力不強，傳統工程人才相對過剩，制造業人才結構過剩和短缺并存，企業“用工荒”與畢業生“就業難”并存。傳統的工程師培養，主要致力于培養某一專業（專業面很窄）領域的技術人才，這類人才對大而復雜的工程產品（如：深海探測、大飛機、航天飛船、智能裝備、自動化生產線、高端數控機床等）缺乏大工程觀系統性認識，缺乏把握大工程、解決復雜問題的能力。“未來工程師”除工程素養和管理思維外，還應具備多學科視野、科學與基礎理論素養、一定的人文情懷、宏大或復雜的工程視野（見圖1）。

2．工程大類招生帶來的挑戰

國內北京大學2002年起就開始實行大類招生，如今大部分重點高校已經實行大類招生。重慶大學于2018年實施機械大類招生，2021年起實施工程與能源大類招生，工程與能源大類包括機械與運載工程學院、土木工程學院、航空航天學院、能源與動力工程學院、材料科學與工程學院、資源與安全學院6個二級學院，共計21個專業（見圖2）。學生在經過1年、1.5年、2年或者3年的通識教育后再進行專業分流，根據學習成績、職業規劃、興趣志愿，選擇大類下的專業繼續學習。大類招生背景下，打破了原有專業邊界，極易出現“熱門專業越來越熱、冷門專業越來越冷”的馬太效應，使得原有依據單一專業設置的教學體系難以適應大類招生帶來的挑戰。

3．課程教學模式和教學內容不符合一流機械工程專業的培養需求

一流機械工程專業需要培養學生在具備扎實的數理基礎和寬厚的專業知識的同時，具備較強的機械工程實踐能力和創新意識。培養目標強調多學科知識交叉融合能力，能在多學科背景下理解和解決機械工程領域的復雜問題，具備在機械工程及交叉學科領域從事研究開發的能力，畢業學分分布要求實踐環節占比達26%以上。《重慶大學本科教育2029行動計劃》指出，要積極開展實踐教學，改變傳統教學模式，推進學生自主實踐，推進開放式教學組織模式。傳統的教學模式單一，重知識傳授，輕能力和素質發展，學生自我體驗、自主學習、自由創造的環境配備還不充分，教學內容未能及時更新，嚴重影響教育的有效性，不符合一流機械工程專業的培養需求。

三、基于大工程視野的工程學導論課程建設策略

1．基于大工程觀的課程教學體系建設

課程組研究了工程學導論課程總體教學體系：通過網絡、文獻、國內外調研和調查、座談研討等方式研究大工程觀的必要性以及如何在工程教育中體現大工程觀，形成了理論教學+項目實踐相互結合的教學體系頂層設計（見圖3）。

通過調查分析美國麻省理工、普渡大學、上海交通大學等工程學導論課程建設經驗，課程組立足于“新工科”契機與學校“雙一流”建設對教學改革的需求，通過探索基于學研融合的課程教學內容集中建設機制，研究工程學導論課程理論教學與實踐教學學時分布，建立了學生、項目、工具、材料過程管理機制，形成了課程結課實踐項目評審管理機制（見圖4）。

2．多學科交叉融合的工程學導論課程教學內容重構

遵循“學科前沿、交叉融合”的原則，結合機械工程學科的前沿研究熱點，課程組將人文、數學、力學、材料、設計學、電氣等多學科知識與機械工程學科交叉融合，從機械工程歷史、前沿熱點、科學思維、設計方法、設計理論、零件認知、項目實踐等層面對工程學導論課程教學內容進行重構研究（見表1）。

同時，在調研國內外工程學導論課程教學內容的基礎上，分析專業基礎與專業課程，如工程制圖、機械原理、機械設計、電工電子等課程，調整傳統工程學導論課程主題教學內容，以項目實踐為牽引，進而對各教學內容的邊界再設計，完成了導論課程教學內容建設（見表2）。

3．虛實結合、項目實踐牽引的工程學導論課程教學模式

為探索回歸工程教育本質，在實踐中探究知識、鞏固知識的教育途徑，課程圍繞以需求與創新為驅動的導論課程實踐項目選題研究，采用多種模式探索實踐選題。（1）由學生結合日常需求自主提出產品開發項目主題；（2）由任課教師結合科研課題與工程經驗背景提出產品開發項目主題；（3）基于企業實際工程需求，產學研相結合提出產品開發項目主題；（4）結合機械創新設計大賽、國創大賽提出產品開發項目主題。

同時，課程建立了基于理論教學、虛擬項目、實物項目相結合的工程學導論課程教學新模式。實踐項目采用課上理論教學、課下虛擬建模設計、課上實物制作模型完成課程項目實踐的方式，使學生掌握一門三維機械設計建模軟件，提升學生在實踐教學環節中自主學習和解決復雜問題的能力。

4．基于全過程的工程學導論課程能力達成評價體系

課程組通過探索教材、教案知識點、問題設計等環節，跨課程集中研討，對課程內、課程之間的關聯點進行設計，提出引導學生建立問題空間及其相互關聯的新方法；同時，探索課堂教學中如何啟發、引導學生形成關聯模式，并研究教學環節與能力的映射關系。此外，通過調查國際一流大學對項目制課程的考核方法，引入項目展制度和評價方法，據此建立促進創新能力達成的質量監控體系。

通過將過程評價與結果評價相結合，提出了“課堂教學+課下虛擬樣機項目+實物項目海報+實物項目報告+實物項目展”全過程教學評價方法，充分關注學生個性差異，發揮評價啟發激勵作用，以增強學生的自信心，提高學生的實際應用技能。評價的內容、方式和標準力求客觀、科學、完整，以激勵師生創新型的教與學。本課程以兩次實踐項目和平時考核評價綜合評定學生成績（見表3）。其中，實踐項目一虛擬樣機項目占25%，實踐項目二實物制作項目占60%，平時成績占15%。綜合成績=實踐項目一成績×25%+實踐項目二成績×60% +平時成績×15%。

四、建設成效

重慶大學工程學導論課程自2018年開課至今已完成3次教學，組織舉辦2018年、2019年、2020年三屆重慶大學“工程學導論課程”實物展，三年共計1500余名學生、40個教學班參與其中。課程2018年至2020年共計完成虛擬實踐項目1500余項，實物項目300余項。

以某班級為例，通過課程學習，班級課程目標達成分析如圖5所示，學生個體各課程目標達成分析如圖6所示。

可以看出，班級各項課程目標均大于0.7的期望值，但課程目標2和3評價值稍低，主要原因是學生剛進入大學學習階段，對機械工程產品創新設計的思想、流程與方法屬于初次接觸，對數學、力學等科學知識的工程應用能力稍弱，還未開始相關專業課程的學習，需要大力進行課程改革，提高學生團隊協作解決一般工程問題的能力和自主學習、終身學習的意識。學生個體課程目標1中，所有同學得分均在0.80以上，表明學生在團隊協作和技術交流能力方面掌握得較好。學生個體課程目標2整體達成情況好，均在0.80以上，說明通過授課和實踐項目等環節學生基本已經掌握了機械工程產品創新設計的思想、流程與方法，得到了較好的鍛煉。學生個體課程目標3整體達成情況好，成績分布也比較合理，均在0.80以上，說明學生較好地理解了理論科學知識與機械工程問題的關聯關系，具備了運用現代信息工具進行文獻資料檢索的能力，形成了對數學、力學等科學知識的工程應用能力。

五、結論

當下，科教興國被提高到新時代高等教育改革發展的核心任務地位，使學生了解所學專業及專業的內容，培養學生對專業的熱愛和耐得住寂寞的思想，系統性全局思維、大工程視野及解決復雜工程問題的能力顯得尤為重要。工程學導論是一門基于理論與實踐項目學習的概論性核心骨干專業基礎課程，主要面向工程類專業大學一年級學生。課程為學生提供工程問題及其解決方案的基礎知識，同時培養學生能夠正確認識多學科背景下的團隊合作對解決機械工程復雜問題的意義和作用，通過發散思維、深層思考、多方討論等方式培養學生自主學習和終身學習的意識，通過課上理論教學、課下虛擬建模設計、課上實物制作模型完成課程項目實踐，提升學生在實踐教學環節中解決復雜問題的能力，真正做到“讓學生忙起來、讓教學活起來”。

[基金項目：教育部新工科研究與實踐項目“面向新工科的學生交叉創新中心建設與實施（E-XTYR20200656）”、重慶市教學研究項目“具有大工程視野的機械工程專業知識構架形成性教育研究（193015）”]

[責任編輯：余大品]