科教融合學部制背景下工科教學創新研究

姜少寧 林江海 許崇海 劉文俊 王朝峰 曹芳 胡心平

基金項目：山東省本科教學改革研究重點項目“科教融合、產教融合與工程教育專業認證多元驅動‘三鏈銜接的機械類專業人才培養體系構建與實踐”（Z2021142）；山東省工程機械智能裝備創新創業共同體項目“高精密履帶式傳動部件驅動輪齒及鏈軌節的研究及應用示范”（GTT20220209）；齊魯工業大學（山東省科學院）-棗莊市產學研協同創新基金項目“高性能球墨鑄鐵基復合材料在薄壁鑄件中的研究及應用”（2021CXY-10）

第一作者簡介：姜少寧（1982-），女，漢族，山東煙臺人，博士，副教授。研究方向為高端裝備零部件的失效分析研究和教學等。

*通信作者：林江海（1963-），男，漢族，山東煙臺人，工程技術應用研究員，山東省機械設計研究院工程總工程師。研究方向為機電產品及制造技術研發設計及人才培養等。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.016

摘? 要：新一輪科技革命與產業變革的到來，需要大批應用型創新人才，要求新時代的工科學生不僅要具備扎實的專業知識，同時要注重工程實踐創新能力的培養，具備多維度的能力素質。以失效分析課程為例，通過分析目前教學中存在的問題，分別從課程設計、教學內容以及教學方法三個方面，提出相應的課程教學改革路徑。在課程設計上，基于科教融合學部制優勢條件，優化專業理論與實踐教學的合理設置，做到專業理論教學與實踐教學并重；在教學內容上，將新技術、新方法、新案例等融入教學，推動高水平教材的編寫使用，充分發揮教材的育人功能；在教學方法上，推行LBL（授課導向）-CBL（案例導向）-PBL（項目導向）-TBL（團隊導向）四軌教學模式，提升理論與實踐教學的科學性、層次性和系統性。通過以上研究，從根本上提高學生解決復雜工程問題的能力，促進教學質量的全面提升。

關鍵詞：教學創新；科教融合；工程實踐；創新人才；方法改革

中圖分類號：G640? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0062-04

Abstract： With a new round of scientific， industrial revolution and industrial transformation， applied talents with innovation is needed. Then the engineering students in the new era should have not only solid professional knowledge， but also multi-dimensional ability such as knowledge ability， academic ability， technical ability and social ability， and pay attention to the cultivation of innovation ability. Therefore， there are higher requirements for teaching methods. Taking the course Failure Analysis as an example， this paper? analyzes the outstanding problems existing in the curriculum teaching methods. The study puts forward the corresponding curriculum teaching reform paths from three aspects： designing the course system， optimizing the teaching content and reforming the teaching methods. In terms of course system design， it points out that the reasonable design of professional theory and practice teaching should be paid attention based on the integration of the faculty system and the integration of science and education. And the innovative and application-oriented students are cultivated. In terms of teaching content， new technologies， new methods， new cases and so on should be integrated into teaching to promote the writing and use of high-level teaching materials and give full play to the educational function of teaching materials. In terms of teaching methods， the four-track teaching model of LBL （Lecture-Based Learning） - CBL （Case-Based Learning） - PBL （Project-Based Learning） - TBL （Team-Based Learning） is implemented to improve the scientific， hierarchical and systematic nature of theoretical and practical teaching. Through the above research， students' ability is hoped to be improved to solve complex engineering problems， to promote the overall improvement of teaching quality.

Keywords： teaching innovation; integration of science and education; engineering practice; innovative talents; teaching method reform

黨的二十大報告明確提出“實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐”，將教育、科技、人才進行一體化戰略布局，為強化現代化建設人才支撐提供實現路徑。高質量教育體系是人才和科技力量可持續發展和創新要素可持續供給的基礎保障，提升人才培養能力、培養符合我國需要的高素質人才是教育的重中之重。

高校是人才培養的重要平臺，對于新時代的工科學生來說，不僅要具備扎實的專業知識，同時要注重工匠精神、實踐能力和創新能力的培養，具備多維度的能力素質[1]，才能更好地適應時代的發展、推動我國制造業高質量發展。當前，我國人才培養正在努力與社會需求相契合，但總體水平仍有較大的提升空間。對于工科來說，亟需培養能夠解決復雜工程問題的畢業生，然而相關體制機制的支撐作用不夠，對工程創新思維能力培養不足。學生的實踐經驗不足，無法將多種知識在實際工程應用中有機結合起來，進而有效地去應對復雜工程問題，導致培養的人才與社會實際需求脫節[2]。

近年來，高等院校和科研院所實行科教融合協同育人等高等工程教育改革，在培養學生的創新意識、提高創新人才的培養質量[3]等方面取得了顯著的成效。為了更好地實現科教融合發展，優化高等教育布局結構，山東省探索出了一條有效的地方院校科教融合之路，將原齊魯工業大學與山東省科學院整合成為新的齊魯工業大學（山東省科學院），按照“科教融合、雙輪驅動、優化布局、改革創新”的基本思路，圍繞立德樹人根本任務，創新體制機制、優化整合資源，建設應用研究型大學。基于科教融合資源條件優勢，提出學院和對應的科研院所一體化的創新教育模式培養高素質應用研究型創新人才。隨著科教融合深入推進，實施了學部制，其中，將具有教學科研優勢的機械工程學院和具有科研及社會服務優勢的山東省機械設計研究院合并組建機械工程學部。學部制架構的運行，為工科人才培養提供了良好的機制支撐條件。

一? 課程教學分析

學部制一體化運行后，如何發揮現有體制機制對教學的支撐作用，進行科學合理的教學改革以達到科教深度融合、協同培養創新人才是需要解決的重要問題。以工科類重要的專業方向課失效分析為例，這門課主要講授機電產品及工程基礎裝備的金屬構件及其系統在服役過程中出現失效的分析思路和方法，判斷失效模式，分析失效原因，提出預防措施[4-5]。該課程涵蓋了多學科門類知識，包括機械設計、材料科學、材料加工以及物理化學等，綜合性強、應用性強。通過對本課程的學習，使學生掌握工程應用中失效分析的理論知識，提高解決機電產品及工程基礎裝備中的失效問題的能力，為機械、材料等行業培養高水平專業人才[6]。盡管高校教學一直在不斷探索改革新路徑，但該課程對學生能力的提升支撐不夠。具體體現在以下方面。

一是學生對多學科知識點的掌握與應用不夠。失效分析涉及多學科交叉知識點的運用，而學生缺乏對知識的系統性理解和掌握，無法有效應用知識。例如，易混淆馬氏體、奧氏體、鐵素體和珠光體等鋼的組織概念，在失效分析中可能造成誤判；有些知識甚至在其他課程中沒有涉及，比如，腐蝕與磨損，這是兩個獨立的學科方向，短時間內學生接受腐蝕與磨損方面的知識比較吃力，導致失效分析沒有理論高度，無法客觀認識該類問題導致的失效。另外，大量工科教師從學校畢業到學校工作，缺乏工程實踐經驗，因此從課程設置到講授無法真正與工程實踐相聯系。

二是在教學中缺乏生動的、與時俱進的教學內容。技術快速更新的現代，行業發展的新技術、新工藝、新方法等不斷出現，標準規范不斷修訂，這些在教學內容上應該得到及時體現。對失效分析課程教材來講，案例分析是非常重要的教學支撐，而教材中工程案例相對老舊，傳統典型案例較多，沒有將科研新進展以及由此帶來的新應用、新案例及時納入教學內容，也未能與行業需求有效對接。

三是教學實踐部分沒有很好地與實際需求相結合。企業需要應用型創新人才作為支撐，而現有的課程在培養人才、提高學生解決復雜工程問題的能力等方面，其教學方法缺乏科學性、層次性和系統性的結合。受限于高校的條件，失效分析課程的實踐部分以查閱案例、分組討論為主，方法單一，與生產實踐脫節，存在“工科理科化”的現象，影響了實踐教學的創新性。

二? 課程教學改革實踐探索

針對失效分析課程教學中存在的問題，發揮機械工程學院和山東省機械設計研究院的一體化優勢，在科教融合、實踐教學等方面創新設計課程體系、優化教學內容、改革教學方法，積極倡導OBE（基于成果導向的教學）理念[7-8]，從“專業理論＋專業實驗+工程實踐”方面，深入推進失效分析課程教學改革實踐。失效分析課程有三個特點：一是綜合性強，需要扎實的多學科基礎理論知識；二是應用性強，需要將基礎理論知識與工程實踐很好地結合，需要掌握重點工程應用問題和典型工程案例，且工程案例需要體現代表性、先進性和時效性；三是失效分析過程多涉及開放的多場景因素，需要全面分析，綜合論證，通過建立系統的邏輯關系，引導學生開放思維。面對教學中的問題，失效分析課程從以下方面進行教學改革探索。

（一）? 優化課程設計，基于科教融合學部制優勢條件，優化專業理論與實踐教學的合理設置，做到專業理論教學與實踐教學并重

推進教學創新團隊建設，優化結構，選聘教學經驗豐富的教學人員和具有工程技術背景的院所科研人員組成授課團隊，明確團隊成員在理論教學、實驗教學和實踐教學等方面的職責支撐，同時，鼓勵團隊的高校教師增加企業實踐經歷，參與產業化項目，提升實踐教學能力。課程設計優化示意圖如圖1所示，調整后的課程體系，特別增加典型工程實踐案例的實驗分析，以便于做好理論教學與實踐教學的有效銜接。安排工程應用場景實踐，促進學生對工程實踐知識的掌握，提高學生解決復雜工程問題的能力。

圖1? 課程設計優化示意圖

（二）? 更新教學內容，將新技術、新方法、新案例和新進展等融入教學，推動高水平教材的編寫使用，充分發揮教材的育人功能

失效分析是一個從結果到原因的逆向分析過程[9]，可能涉及結構設計、材料選擇、加工制造和裝配使用等全周期，因此，教學內容要貼近實際，緊跟形勢。聚焦機電產品的質量分析、使用壽命、可靠性等方面，收集來源于工程實踐的具有代表性、先進性和時效性的案例，融入新理論、新方法等，編寫失效分析案例集。在案例集中，根據常見的失效分類（變形、斷裂、磨損和腐蝕）劃分失效類型，在失效類型中涵蓋基礎理論知識、分析測試方法、典型先進案例以及預防/改進措施，做到系統、全面，反映學科前沿與技術進步，體現行業標準與企業需求，解決案例教學支撐不足的問題。

（三）? 改進教學方法，推行LBL（授課導向）-CBL（案例導向）-PBL（項目導向）-TBL（團隊導向）四軌教學模式，提升理論與實踐教學的科學性、層次性和系統性

第一，在理論教學中，以LBL結合CBL的教學模式進行[10]。課前階段，制定失效問題任務單，學生利用網絡平臺資源開展自主學習，既回顧與以往所學知識點的相關性，也了解授課內容；課中階段，首先采用提問等方式檢驗課前效果，鞏固基礎知識理論，隨后以案例為導向引入學習內容，進行案例教學。討論分析失效案例，充分互動，促使學生高度投入。通過兩種教學模式的結合，解決學生基礎知識不牢固，以及多學科知識能力應用不足的問題，并在案例分析中激發學生的社會責任感和可持續發展理念。以磨損失效為例，課前要求學生查閱磨損和磨損失效的資料，對磨損的概念、分類進行了解，課中講授磨損的基礎知識，隨后以工程機械耐磨件的磨損失效為例拋出案例，引導學生思考以下問題：如何確定磨損失效類型？如何查找失效原因？結合所學知識是否能提出提高耐磨性的措施？在充分的課題互動氣氛中，加深學生對磨損失效的理解和掌握。

第二，在實驗教學中，以PBL教學模式為主，鼓勵學生參與具有一定前沿性的產學研合作項目，承擔項目中的部分研究內容，根據研究內容自主設計實驗性教學方案，以此推動科研反哺教學。在實驗教學中，重點突出學生分析能力的提高，解決教學與實踐銜接不夠的問題。具體實施執行中，通過產學研項目中失效常用的斷口分析、力學性能分析、裂紋分析、結構分析和缺陷分析等手段，進行形貌觀察、性能測試、結構分析和成分分析等，使學生熟練掌握失效分析的基本方法，加深對失效分析的認識，激發學生專業學習興趣，提高分析問題的邏輯思維能力。

第三，在實踐教學中，以TBL教學模式為主，從企業的實際需求出發，選取生產中的變形、斷裂、磨損、腐蝕和加工缺陷等失效案例，由學生分組協同合作設計并完成實踐內容，形成完整的失效分析報告，分組進行答辯。以熱作模具斷裂失效為例，某批次模具在熱模鍛使用過程中斷裂率高達15%，嚴重影響了熱鍛產品的生產率。該模具的制造要經歷設計、選材、鍛造、退火、機加工和熱處理等一系列工藝環節，每一環節的設計不當或操作不當都會造成模具過早失效，降低模具的使用壽命。針對模具斷裂，由學生查閱相關資料制定分析方案，分組進行結構分析（由DEFORM軟件模擬計算模具的流變應力）、理化分析（分析模具斷口的顯微組織、冶金質量、力學性能是否符合要求），結果發現，在力學性能測試中，模具的沖擊韌性存在各向異性。由此，回到模具生產全過程環節，進行工藝復核（查閱該批次模具的生產全過程工藝資料，核對工藝技術參數），分析導致韌性各向異性的失效類型，有針對性地提出改進措施。通過實踐階段的學習，提高學生的團隊協作能力、溝通交流能力，以及復雜工程問題的分析能力和復雜工程系統的設計能力。

總之，通過以上教學方法改革，使學生獲得工程教育中解決復雜工程問題所具備的能力和素質，教學設計、教學磨損與對應的能力/素質見表1。

在考核過程中，加大以實驗、工程實踐等為基礎的考核比例，構建學生學習成果多樣性和創造性的教學考評體系，并鼓勵、引導學生將實驗、實踐中獲得的經驗/成果用于參加中國大學生機械工程創新創意大賽，如材料熱處理創新創業賽、全國大學生金相大賽、全國失效分析大獎賽等具有重要影響力的大學生創新競賽活動，達到以賽促教、以賽促學的效果。由此，分層次進行理論、實驗和實踐教學，從圍繞教材的課堂教學延伸到課外的開放教學，解決課程的理論性與實踐性結合不緊密的問題。

通過以上教學改革探索，學生課堂表現更加活躍，學習興趣更高，積極踴躍參加各類競賽（圖2）。從圖3可以看出，課程目標達成度均超過了目標值。后續會持續跟蹤畢業生在研發、質檢、失效和理化等相關崗位的就業情況，檢驗學生在邏輯思維能力、實踐能力和創新能力等方面的提高。

三? 結束語

以失效分析課程教學改革為例，發揮科教融合學部制優勢，以學生為中心，注重專業理論+專業實驗+工程實踐的結合，從課程設計、教學內容以及教學方法三個方面探索提高學生多維度能力的措施，提高學生解決復雜工程問題的能力，促進教學質量的全面提升。改革措施可為學部制一體化背景下的工科課程教學改革探索提供借鑒。

參考文獻：

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