基于數字技術的機械類專業教學體系創新研究

張紅麗

（青島工學院，山東 青島 266300）

0 引言

“四新”人才培養是數字化戰略下的主旋律，其中新工科是工科教育改革和創新的方向。新工科的出現是為了適應數字化時代和信息技術發展的需求，培養具備跨學科綜合能力、創新能力和實踐能力的工科人才。這種培養模式的推行將有助于滿足數字化時代對人才的需求，推動數字化戰略的實施。我國是一個制造大國，為了實現“制造強國”的夢想，我國機械制造業正在大力提高產業技術和產業化創新能力，應用現代數字技術對傳統制造業進行改造，變革產品的設計方式和制造手段，提升傳統產業的國際競爭力。我國制造業要實現這一跨越式發展，迫切需要大量掌握現代新技術、新技能的創新人才，那么加快這類人才的培養就成為機械類各專業面臨的重大課題[1]。

1 數字技術在教學中的發展應用情況

在新工科建設目標的指引下，我國高校在數字化發展方面也取得了很多成果，如華中師范大學建有云端教室，包含資源平臺、云端一體化智慧教室等，利用云計算和智能技術，提供了更加便捷和高效的教學環境，為學生和教師提供了更多的資源和工具支持；西安電子科技大學通過智能技術與教育的深度融合，重構了人才培養支撐體系，實現了教師和平臺的“雙師”授課和線上、線下的“雙空間”教學[2]，這種模式能夠更好地滿足學生個性化學習的需求，提供更靈活和多樣化的學習方式；廣西科技大學采用云計算思想與虛擬現實（VR）技術，創建了基于VR 技術的機械類實驗云教學平臺，這個平臺為機械類學生提供了全天候的交互式實操體驗，使學生能夠在虛擬環境中進行實驗操作，提高實踐能力和學習效果。

通過引入云計算、智能技術和虛擬現實等先進技術，高校能夠提供更好的教學環境和資源支持，培養更具創新能力和實踐能力的工科人才。這些成果對于推動我國高等教育的數字化轉型和提升教育質量具有重要意義。

2 機械類專業教學體系目前存在問題

機械類專業教學體系是指為培養機械類專業學生所設計的一套教學計劃和教學方法。它包括了教學目標、課程設置、教學方法、教材教輔、實踐環節等方面。在具體實施過程中主要存在以下問題：

（1）理論與實踐脫節，教學內容滯后，專業人才培養與社會、企業發展相適應的教育需求不匹配。機械類專業的教學過程中，理論知識與實踐操作往往脫節。學生在課堂上學習了大量的理論知識，但在實際操作中卻缺乏經驗和技能[3]。這導致學生在實際工作中難以應對復雜的問題。還有隨著科技的不斷進步，機械行業的技術也在不斷更新，但教學內容卻沒有及時跟進。這導致學生在畢業后需要進行額外的學習和培訓，才能適應行業的發展需求。

（2）課程之間缺乏關聯，項目實踐不足，無法培養學生的實踐能力和團隊合作能力。目前課程體系中各個課程是孤立的，知識點是分散的，不夠系統，學生學完課程后達不到融合，與企事業所需人才的技能有所差距。學生缺乏實際操作的機會，無法將理論知識應用到實際工作中。

（3）教學方法單一，信息化教學不足，不能很好激發學生的學習興趣和創新思維，提高他們的綜合素質。一些機械類專業的教學方法較為傳統，主要依靠課堂講解和實驗操作，限制了學生的發展空間。隨著數字化時代的到來，機械類專業的教學也需要與之相適應。然而，一些教學體系對信息化教學的應用不足，無法充分利用現代技術手段提升教學效果。

3 機械類專業教學體系創新設計

數字化時代的到來給人才培養帶來了新的挑戰和機遇，為了培養“四新”人才，我國高等教育形態需要進行及時的變革推動。

3.1 創新人才培養模式

基于“新工科”背景的機械工程學科發展新形式下人才培養的需求，實施技術技能雙層次，開設新技術、特色技能和復合技能等多個專業崗位培養方向。一方面，培養學生掌握新技術和特色技能，如智能制造、數字化設計與制造、機器人技術等。另一方面，也要注重培養學生的復合技能，使其具備跨領域的綜合能力。同時，注重跨學科的融合，將機械工程與電子工程、計算機工程等學科進行交叉，實現跨學科的融合。通過打通校內學科交叉融合通道，重組內部資源，建立滿足數字化、智能化產業升級和學生多元發展需求的“機械專業+”的人才培養模式，培養學生的綜合素質和跨領域的能力，使機械工程學科的人才培養更加適應數字化轉型的需求[4]。

3.2 教學內容體系數字化

以工程教育理念為指導，緊跟行業發展動態，對機械類專業的課程設置進行更新和調整，引入新興的技術和知識領域，建立機械類專業模塊化課程教學內容體系，將專業課程與數字化輔助設計、制造、分析等課程有效結合，重組內部資源，形成數字化設計、智能制造、自動化控制系統教學模塊，以滿足市場對新型人才的需求。在課堂教學、實驗教學、實踐教學、實習實訓等教學環節過程中對學生進行專業培養，形成專業理論與方法應用一體的教學內容體系，實現了新興知識補充和能力要求提升的雙重目標，反映了課程教學改革的前沿性和時代性。

本研究以機械設計類模塊課程群及數字化設計為例（圖1）。將機械設計類課程中設計理論與計算機輔助設計、建模、分析等知識點相融合，將理論學習延伸到企業實際需求，能夠對企業機電產品進行虛擬設計和仿真分析，培養學生的數字化設計、工程分析和優化能力。

圖1 機械設計類模塊課程群及數字化設計應用

3.3 教學資源數字化

教學資源的數字化是指將教學所需的各種資源，包括教材、課件、教學視頻、練習題等，轉化為數字形式，以便于在數字化環境下進行教學和學習。

（1）搭建專業課程云平臺，利用各種MOOC 平臺資源，對專業課程教學資源進行整合和優化，包括電子教材、課件、動畫、視頻、仿真軟件、練習庫等教學資源，建設服務本校課程教學的優質云端教學資源，引入線上課堂和學習社區，為學生提供便捷的學習環境和資源共享平臺。同時在學生登錄平臺的學習過程中，該平臺可以記錄學生學習的足跡并進行測評分析，這些數據都可以作為課程評估和教學改進的依據。通過將課堂教學與云平臺有機融合，把傳統的課堂進一步向外拓展與延伸，提供了更加豐富的教育教學形式，為學生差異化培養提供了保障。

（2）利用數字網絡技術、虛擬仿真技術等，對機械專業教學體系中實驗教學資源進行數字化建設，將實驗項目進行分析、分類，根據實驗項目性質，將一些實驗項目利用虛擬現實技術，建設虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬實驗的開展使學生的實驗教學更加靈活，不再需要等待實驗室開放或受限于實驗室的容量，減少實驗事故的發生；同時虛擬實驗的應用還可以提供更多的實驗機會和實驗資源，讓學生進行多次實驗和反復實踐，加深對機械實驗的理解和掌握。這不僅提升實驗教學質量，而且提高學生的實踐能力，大大提高了實驗教學的效率及資源利用率。

（3）通過調研區域內同類高校機械工程教學體系建設、教學資源情況，及相關企事業單位的需求及技術發展情況，建立學校與企業的常態化交流機制，及時吸收企業發展的最新技術，利用學校和企業雙重資源，運用遠程視頻教學、微視頻、虛擬仿真軟件等數字化工具與企業聯通搭建現場實踐教學場景，模擬真實的工程實踐環境。

（4）培養教師的數字化教學能力，提供教學設計和教學方法的培訓，使其能夠靈活運用數字化工具和資源進行教學。同時，鼓勵學生參與自主學習和合作學習，通過線上討論、團隊項目等方式，培養學生的合作能力和創新能力。

通過以上措施，可以構建完整的專業實踐教學體系，提升機械工程課程的教學質量和學生的實踐能力。同時，數字化教學平臺的建設也為學生提供了更加靈活和便捷的學習方式，促進了線上線下教學的融合。

3.4 教學方法多元化

根據工程師培養定位，基于數字化學習環境，按照現代教育觀“學生中心、經驗中心、活動中心”三中心的理念，在課程教學中融入實際工程項目或案例，將課程內容拓展到實際項目應用中，采用多元化的教學方法，引入多種教學方法，如問題導向教學、案例教學、小組討論、項目實踐等。在教學中注重培養學生的創新思維和解決問題的能力?？梢酝ㄟ^開展創新競賽、組織創新實驗、設計創新課程等方式，激發學生的創新潛力。也可以引入虛擬仿真實驗、實踐實習等教學手段，提高學生的實踐操作能力，使課程授課與工程師培養理念相結合。

在教學中引入教師承擔的科學技術研究項目，就可以將科研與教學進行融合。這樣不僅可以提升教師的專業素養，激發學生的學習興趣，培養學生的科研能力，并推動教學和科研的互動發展[5]。如研究的“單立柱桁架式全自動上下料裝置”項目是基于傳統數控車床，進行自動上下料功能改造，保留原有機床本體及功能，設計增加機床的自動上下料裝置。根據項目應用目標分解為三個設計任務：自動送料裝置設計、自動上下料裝置設計、與機床匹配的控制系統設計。項目涉及了機械設計、機械原理、數控加工與編程、電氣控制與PLC、液壓與氣壓傳動、機械制造工藝學等多門課程知識點，可以作為這些課程提供多個項目教學案例。在研究過程中，分析項目研究方案，可拓展學習機械設計、機械制造及電氣控制課程群多門課程知識點。這種融合模式有助于培養更多能夠應對數字化挑戰的人才，推動數字化戰略的實施。

3.5 教學考評機制創新

考評方式與教學過程相配合，優化基于信息管理平臺的全程全要素考評機制。根據專業人才培養對課程教學目標要求，系統梳理各教學環節考評要求。明確每個環節的目標和評價指標，確?？荚u與教學目標相一致。構建基于過程數據的全員、全程、全要素課程教學考核機制和能力評價方法，精準評價學生的專業創新能力和素質。綜合運用隨堂練習、網絡測試、課內實驗、實踐項目（含建模分析、編程求解、運行仿真、報告撰寫和匯報答辯等環節）、期末考試等考核方式，考察學生獲得解決實際問題的能力，形成了完善的課程質量保證體系。

依托網絡教學平臺和數字化信息管理平臺，構建了面向產出的機械類專業能力和綜合素質評價指標體系，設置設計、制造、控制三模塊的能力要素觀測點，實現學生發展過程和目標達成的實時觀測與過程管理，以全面評估學生的專業能力和綜合素質。依教學進程推進，計算每個培養環節的課程目標達成度并綜合計算每項畢業要求達成度指標。最后獲得每項畢業要求所有學生總體達成度指標和每位畢業生所有畢業要求達成度指標。

4 結語

為適應國家重大戰略及社會經濟發展需要，“新工科”建設速度加快，我國高等教育形態需要進行及時的變革推動。首先，高校需要加強對“新工科”專業群的建設，提升教學水平和科研能力，為學生提供更好的學習環境和資源支持。其次，高校需要調整課程設置，增加與“新工科”相關的課程，培養學生的專業知識和實踐能力。

在智能制造背景下，數字化設計與制造自動化是機械類專業人才培養的發展趨勢。數字化教學技術的發展為教學體系數字化、教學模式的改革、學科差異化教學、個性化教學的實現提供了良好的方法和平臺，可以提高教學效率，促進學生對知識的理解掌握，形成多學科交叉融合，推動學生個性化發展，所以在“新工科”背景下，基于數字技術的機械類專業教學模式創新研究推廣應用具有重要的意義。