科教融合驅(qū)動的機械工程類專業(yè)教學體系改革研究

黃海鴻 朱利斌 王玉琳

［摘 要］ 中國制造業(yè)快速發(fā)展并持續(xù)轉(zhuǎn)型升級，機械工程學科教育在多學科交叉、新科技快速發(fā)展的背景下，對本科院校的人才培養(yǎng)和教學改革提出了新的挑戰(zhàn)。機械工程是工程科學，機械工程的科研項目具有顯著的前沿性、創(chuàng)新性、綜合性和應用性等特點。通過以科教融合驅(qū)動的機械工程類本科教學體系改革，結(jié)合合肥工業(yè)大學機械工程學院的教學體系設置及人才培養(yǎng)目標，探索從課程體系、課堂教學、實踐教學三個層面融入科研項目內(nèi)容，從而建立“科研項目—課程—教師—學生”之間的橋梁，以期培養(yǎng)更適應行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型、復合型高素質(zhì)本科人才。

［關(guān)鍵詞］ 科教融合驅(qū)動；機械工程；教學體系改革

［基金項目］ 2020年度安徽省教學研究項目“基于學科發(fā)展現(xiàn)狀的機械電子工程項目導向教學模式研究”（2020jyxm1489）

［作者簡介］ 黃海鴻（1980—），男，安徽安慶人，博士，合肥工業(yè)大學機械工程學院副院長，教授，主要從事綠色制造研究；朱利斌（1990—），男，安徽阜陽人，博士，合肥工業(yè)大學機械工程學院副教授（通信作者），主要從事綠色制造研究；王玉琳（1966—），男，安徽六安人，博士，合肥工業(yè)大學機械工程學院實驗中心教工黨支部書記，副教授，主要從事數(shù)控技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)研究。

［中圖分類號］ G640 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）01-0053-05 ［收稿日期］ 2023-02-13

近年來，我國經(jīng)濟規(guī)模和綜合實力大幅增長，制造業(yè)發(fā)展迅速。在當今機械學科發(fā)展現(xiàn)狀下，機械工程已成為多學科交叉的系統(tǒng)知識體系。超精密加工、仿生制造、3D打印、綠色制造和再制造、功能表面結(jié)構(gòu)制造、高質(zhì)高效加工、特種加工等領(lǐng)域已在國際學術(shù)界占有一席之地，研究水平總體上已步入國際先進行列。但隨著國際局勢的快速變化，我國部分“卡脖子”技術(shù)及部分領(lǐng)域人才短缺的問題也進一步凸顯。教育部提出發(fā)展和建設新工科，統(tǒng)籌考慮工科的新要求，促進學科結(jié)合、交叉，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域人才培養(yǎng)［1］。國務院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》，強調(diào)推動學科專業(yè)建設與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級相適應，促進學科專業(yè)交叉融合［2］。在此背景下，如何為機械行業(yè)培養(yǎng)出符合社會、行業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)人才是當前高等教育亟待解決的關(guān)鍵問題。

項目驅(qū)動式教學模式，是以教師為引導，用項目實例貫穿理論知識與實踐操作，將學生作為教學主體，通過項目實踐提高學生學習能動性的教學模式［3］。項目驅(qū)動教學模式是以學生為中心的教學模式，其有助于培養(yǎng)學生的自主學習能力、解決問題能力以及創(chuàng)新能力。然而僅對單一課程實施項目驅(qū)動式教學，難以形成有效體系，在學生的系統(tǒng)化能力培養(yǎng)方面存在局限性。

機械工程是工程科學，機械工程的科研項目具有顯著的前沿性、創(chuàng)新性、綜合性和應用性等特點。因此，以合肥工業(yè)大學機械工程學科為例，結(jié)合教學體系設置以及為國家智能制造產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)機械類骨干與領(lǐng)軍人才的人才培養(yǎng)目標，從課程體系、課堂教學內(nèi)容、實踐教學三個層面入手，探索科教融合的機械工程類專業(yè)教學體系改革，以培養(yǎng)更適應行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型、復合型高素質(zhì)本科人才。

一、科教融合驅(qū)動的教學體系改革的必要性

機械工程學科的主要任務是解決機械工程的科技和工程問題，并在解決問題的過程中得到持續(xù)的創(chuàng)新發(fā)展，具有顯著的應用特征。傳統(tǒng)以教材為主的“教師講、學生聽”的教學模式難以體現(xiàn)當前學科科研和技術(shù)的發(fā)展，造成學生課堂學習興趣低，且對行業(yè)、技術(shù)、理論的理解能力難以得到系統(tǒng)化提升［4］。而單一課程的項目驅(qū)動式教學，難以形成體系，對學生的創(chuàng)新能力及工程能力系統(tǒng)化提升有限，進而造成學生在工作、考研、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)時對行業(yè)的理解與行業(yè)現(xiàn)狀脫節(jié)［5］。如近年我國新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速，成為機械工程類學生就業(yè)的重要行業(yè)之一。新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展對理論課程教學內(nèi)容提出了新的要求。而由于任課教師的不同以及任課教師科研項目的差異化等原因，導致難以將新能源汽車行業(yè)知識體系化融入相關(guān)課程中。

因此，以學科層面進行頂層設計，從學科課程體系角度建立“科研項目—課程—教師—學生”之間的橋梁，使學生能力培養(yǎng)形成系統(tǒng)性，推動科教融合驅(qū)動的教學體系改革。繼而將課程按照理論課程、實踐環(huán)節(jié)分類進行落實，以“科研項目群+課程群”的形式推動科研項目內(nèi)容在理論課程內(nèi)容中的融入，以產(chǎn)教研融合實現(xiàn)科研項目及產(chǎn)業(yè)支撐的實踐教學。

二、課程體系貫穿式科研項目設計

單一課程的項目驅(qū)動在設計時往往以任課教師為主體，造成課程之間所采用的項目背景、行業(yè)、知識有所差別，缺乏系統(tǒng)性。因此，從學科的課程體系角度，解析“科研項目—課程群—課程—學生能力”之間的關(guān)聯(lián)性。按照科研項目分類，落實項目的對應教師、對應課程及學生能力培養(yǎng)需求的步驟，進行課程體系貫穿式科研項目設計，如圖1所示，以使學生能力培養(yǎng)形成系統(tǒng)性。

首先，對科研項目、課程群、課程、學生能力進行解析。科研項目主要包括源于國家各級單位成立基金支撐的縱向項目和源于企事業(yè)單位的橫向項目，機械工程學科的科研項目具有行業(yè)應用背景。縱向項目要求具有一定的理論創(chuàng)新性，對應可提升學生的創(chuàng)新能力；橫向項目通常要求能解決行業(yè)技術(shù)問題或能開發(fā)出相應的裝備、產(chǎn)品、實驗平臺等，對應可提升學生解決復雜工程問題的能力。將科研項目的應用背景進行行業(yè)分類，形成科研項目群。將本科生課程按照能力培養(yǎng)劃分課程群。以合肥工業(yè)大學為例，進行如下劃分：（1）機械產(chǎn)品設計及建模分析能力，對應設計基礎及軟件技術(shù)課程群，包括“機械原理”“機械設計”“C語言程序設計”“有限元分析與應用”等課程；（2）機械產(chǎn)品制造及設計實驗能力，對應制造基礎及制造技術(shù)課程群，包括“工程材料及成形技術(shù)”“制造技術(shù)基礎”“快速成形技術(shù)”“先進制造技術(shù)”等課程；（3）機械產(chǎn)品控制系統(tǒng)設計及調(diào)試能力，對應控制基礎及控制技術(shù)課程群，包括“控制工程基礎”“傳感器原理與應用”“工業(yè)機器人技術(shù)”“機電一體化系統(tǒng)設計”等課程；（4）工程實踐能力培養(yǎng)，對應“制造技術(shù)綜合實驗”“控制基礎綜合實驗”等實驗課程以及工程實訓、生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)。

在解析科研項目、課程群、課程、學生能力的基礎上，進行課程體系貫穿式科研項目設計。首先，將科研項目的應用背景與本科生就業(yè)行業(yè)對應，根據(jù)機械工程行業(yè)需求和學生優(yōu)勢就業(yè)行業(yè)，形成多個行業(yè)的科研項目群，再對應行業(yè)篩選科研項目。以合肥工業(yè)大學機械工程學院為例，根據(jù)本科生就業(yè)統(tǒng)計，優(yōu)勢就業(yè)方向主要有汽車行業(yè)、家用電器行業(yè)、工程裝備行業(yè)等，學校相應建立汽車行業(yè)科研項目群、家用電器行業(yè)科研項目群、工程裝備行業(yè)科研項目群等。然后，推動教職工“項目負責人—任課教師—實踐環(huán)節(jié)導師”三重身份融合，建立不同課程和教師之間的協(xié)調(diào)機制，打通課程之間的科研項目界限。最后，以“科研項目群+課程群”協(xié)同的組織形式落實科研項目驅(qū)動的課程內(nèi)容改革，將具體科研項目內(nèi)容在理論課程、實踐環(huán)節(jié)進行落實。例如，將具有汽車行業(yè)為應用背景的項目歸為一個汽車行業(yè)科研項目群，其中包含的科研項目主題有：高強鋼性能研究、熱沖壓成形工藝、全鋁汽車車身制造、沖壓成形檢測與形性協(xié)同控制等；將上述項目劃分入制造基礎及制造技術(shù)課程群和控制基礎及控制技術(shù)課程群，對應課程為“工程材料及成形技術(shù)基礎”“CAD/CAM技術(shù)及應用”“先進制造技術(shù)”“控制工程基礎”“傳感器原理與應用”；科研項目群和課程群協(xié)作將科研項目內(nèi)容在課程教學中進行融入設計。

三、“科研項目群+課程群”推動的理論課程教學內(nèi)容改革

科研項目在申請和實施過程中主要明確的內(nèi)容包括：行業(yè)背景、研究目標、研究內(nèi)容、技術(shù)路線等。將科研項目群中不同科研項目的行業(yè)背景、研究目標、研究內(nèi)容、技術(shù)路線按照課程群中課程所包含的基礎內(nèi)容體系及學生能力培養(yǎng)進行對應、劃分，將科研項目內(nèi)容融入授課內(nèi)容。在課程初始，明確課程相關(guān)科研項目的行業(yè)背景及研究目標；繼而以科研項目的研究內(nèi)容和技術(shù)路線中的科學問題、工程問題引出理論研究及技術(shù)研究，開展課程教學；在課程教學及考核過程中，將科研項目申請執(zhí)行方式與課程考核方式結(jié)合。

1.背景及目標引入。在課程初始的引言階段，引入科研項目所涉及的國際現(xiàn)狀、國家政策趨勢、行業(yè)發(fā)展動態(tài)等背景，以及項目目標與科技發(fā)展、行業(yè)應用之間的關(guān)系，拓展課程背景知識的廣度，激發(fā)學生的科技報國情懷，補充課程的思政育人功能，培養(yǎng)學生關(guān)注行業(yè)前沿發(fā)展動態(tài)、關(guān)心技術(shù)發(fā)展趨勢的能力。如在“工程材料及成形技術(shù)”課程中，介紹國內(nèi)外燃油汽車的發(fā)展對比，以及近年我國新能源電動汽車彎道超車的行業(yè)動態(tài)，并將全鋁車身等科研項目在奇瑞新能源電動汽車的應用情況以及往屆畢業(yè)生在奇瑞汽車股份有限公司具體崗位的就業(yè)情況進行介紹，顯著提高了學生的學習主動性和積極性。

2.以問題牽引技術(shù)。提取項目中的研究內(nèi)容、技術(shù)路線所面向的科研問題和工程問題，并進行細化，與所需教授的課程知識點對應。引導學生靈活運用課程的理論知識解決項目中的科研及工程問題，從而鍛煉學生的創(chuàng)新能力、思辨能力以及知識應用能力。在“傳感器原理與應用”課程中，介紹汽車自動駕駛技術(shù)發(fā)展中所面臨的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)問題：在《傳感器特性》章節(jié)中介紹自動駕駛技術(shù)中激光雷達采樣頻率、精度等特性對數(shù)據(jù)的影響；在《傳感器類型》章節(jié)，講解激光雷達的市場、品牌、技術(shù)指標、硬件等對自動駕駛市場應用的影響；在《傳感器采集系統(tǒng)》章節(jié)，將檢測和自動駕駛的智能決策功能作為能力提升部分進行講解。

3.科研項目申請執(zhí)行方式與考核方式結(jié)合。理論課程的考核方式中主要有課堂匯報、研究報告、課程實驗、課堂測試、考試等環(huán)節(jié)。將課程的部分考核方式與科研項目申請執(zhí)行方式結(jié)合，如項目申請式課堂匯報環(huán)節(jié)、項目結(jié)題式研究報告環(huán)節(jié)、科研開發(fā)式實驗環(huán)節(jié)。采用項目小組的組織形式對學生進行分組，教師以項目指導者角色，采用團隊協(xié)作開展科研項目的形式引導學生進行教學活動。

在每學期期末，各課程形成課程目標達成度評價報告，并綜合分析理論課程教學內(nèi)容改革對學生能力培養(yǎng)目標的提升作用。在實施改革后，學生的解決機械工程領(lǐng)域復雜工程科學技術(shù)問題能力、機械工程領(lǐng)域的設計/開發(fā)能力、針對復雜機械工程問題使用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具能力、理解和評價復雜機械工程實踐對環(huán)境及社會可持續(xù)發(fā)展影響的能力等學生能力培養(yǎng)目標的評價分數(shù)整體上得到了提升。

四、產(chǎn)教研深度融合的實踐環(huán)節(jié)改革

實踐教學對學生解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有極其重要的作用，而實踐教學又要避免理論與實踐、科研與教學相對脫節(jié)的問題。因此根據(jù)機械類專業(yè)的應用行業(yè)特點，面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、實驗教學、實訓課程及畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)，推行產(chǎn)教研深度融合的實踐教學，踐行工程實踐和科學思維相統(tǒng)一。

1.融合科研項目的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。匯集高校、企業(yè)和社會力量，共建產(chǎn)教研融合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐基地，打造機械工程創(chuàng)客平臺、企業(yè)創(chuàng)新實驗室等，采用校企協(xié)同管理模式，面向全體本科生實施群體創(chuàng)新教育。以教師的科研項目為主導，以產(chǎn)學研合作為導向，以產(chǎn)教研融合的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐基地為基礎支撐，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及科技競賽等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育圍繞前沿科技和核心技術(shù)，著重提升學生創(chuàng)新性解決復雜工程問題的能力，以滿足拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要。如立足于合肥市“中國家電產(chǎn)業(yè)基地”的優(yōu)勢，以合肥工業(yè)大學機械工業(yè)綠色設計與制造工程研究所與合肥美菱電器、格力電器的校企合作科研項目為基礎，開展了省部級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“廢棄電路板元件自動拆解裝置”“智能壓縮機拆解回收解決方案”等，項目組學生對家電行業(yè)以及綠色制造有了更為深入的了解，其環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識得到了提升。經(jīng)過改革，機械工程學科競賽獲獎率超80%，獲得國家級（含國際級）獎勵從每年40項左右增長到每年100余項。機械類專業(yè)學生組建的大學生方程式賽車隊，獲全國首批大學生“小平科技創(chuàng)新團隊”。

2.依托科研平臺開展實驗教學及課程設計。依托學校及學院的科研平臺，將先進設備、儀器和科研成果引入實驗教學及課程設計中，加強教學、實驗、科研之間的聯(lián)系，以增強學生的創(chuàng)新意識，提高學生的實驗技能和科研能力。依托智能機器人先進機構(gòu)與控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心、機械工業(yè)綠色設計與制造重點實驗室、安徽省智能數(shù)控技術(shù)及裝備工程實驗室等科研平臺，向?qū)W生開放柔索并聯(lián)機器人、綠色冷卻潤滑切削加工系統(tǒng)、多工位液壓機系統(tǒng)、磁噪聲檢測設備等基于科研項目的自研裝備及儀器，以及SLM 3D打印機、激光熔覆加工系統(tǒng)、高頻熱像儀等前沿裝備及儀器。進而改進實驗教學及課程設計，如開設“3D打印”實驗課程、在“傳感器原理及應用”課程實驗中加入在線熱像監(jiān)測等前沿監(jiān)測技術(shù)、在“機電一體化系統(tǒng)設計課程設計”中加入柔索并聯(lián)機器人主題模塊等。

3.基于校企合作科研項目的實訓、實習及畢業(yè)設計。聯(lián)合主流目標就業(yè)企業(yè)、重要或前沿行業(yè)企業(yè)共建實習實訓基地，搭建實踐育人平臺，為提升學生工程能力、實踐能力和就業(yè)競爭力創(chuàng)造有利條件。與企業(yè)合作開展具有前沿性、綜合性和實用性的實訓課程，將前沿校企合作科研項目中的工程問題和解決技術(shù)融入實訓課程的內(nèi)容。承接實訓課程，從校企合作科研項目中選擇綜合性、創(chuàng)新性、工作量合適的內(nèi)容設計畢業(yè)設計選題，以培養(yǎng)學生的綜合分析與解決復雜工程問題的能力。例如，面向汽車行業(yè)建立了安徽江淮汽車集團有限公司、安徽合力叉車有限公司國家級工程實踐教育中心以及安徽巨一自動化裝備有限公司實習基地，學生在上述企業(yè)開展工程實訓和畢業(yè)實習，建立了學生與企業(yè)之間的溝通橋梁。繼而校企聯(lián)合開展畢業(yè)設計指導，如以上述校企合作指導開展的獲獎畢業(yè)設計有《某型貨車輪輞疲勞可靠性實驗方案設計》《工程機械結(jié)構(gòu)件誤差三維掃描檢測系統(tǒng)設計》《基于三維掃描成型技術(shù)的結(jié)構(gòu)誤差檢測》，學生畢業(yè)后進入上述企業(yè)工作，形成了良性的持續(xù)合作模式。

結(jié)語

合肥工業(yè)大學機械工程學院實施了科教融合驅(qū)動的機械工程類專業(yè)教學體系改革，在教學體系重構(gòu)、教學內(nèi)容改革、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、人才培養(yǎng)等方面進行了探索，取得了良好的成效。機械工程學院機械設計制造及其自動化專業(yè)獲首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)，通過了國際工程教育專業(yè)認證；建成7門國家級和12門省級一流課程；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動本科生參與率達100%，每年約1萬多人次選修創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)題庫課程；多位校友成為行業(yè)領(lǐng)軍人才，涉及汽車制造、機械加工、光伏等國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域。通過改革與實踐，促進了創(chuàng)新型、復合型高素質(zhì)的機械類人才培養(yǎng)，助力我國制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

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Research on the Reform of Mechanical Engineering Education System Driven by Science-education Integration： Taking Hefei University of Technology as an Example

HUANG Hai-hong， ZHU Li-bin， WANG Yu-lin

（School of Mechanical Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009， China）

Abstract： With the rapid development and continuous transformation and upgrading of Chinas manufacturing industry， mechanical engineering subject education poses new challenges to the personnel training and teaching reform of undergraduate universities under the background of interdisciplinary and rapid development of science and technology. Mechanical engineering is an engineering science， whose research projects have the characteristics of frontier， innovation， comprehensiveness， and application. Through the reform of mechanical engineering undergraduate education system driven by the integration of science - education， combined with the education system and personnel cultivation objectives of the School of Mechanical Engineering of Hefei University of Technology， the content of scientific research projects is integrated into the three levels of “curriculum system， classroom teaching and practical teaching”. It bridges the student to research projects， curriculums， and teachers， with a view to cultivating innovative， compound and high-quality undergraduate talents who are more adaptable to the development of the industry.

Key words： driven by science-education integration; mechanical engineering; education system reform