“虛實混合動力”賦能民族地方高校機械工程新工科人才培養的探索研究

摘 要：新工科承擔著為發展新質生產力培養急需人才的使命，在新工科背景下民族地方高校進行機械類專業建設時面臨先天不足、資源匱乏等困境。工業化與信息化的深度融合以及教育數字化的深入發展，促生了可觀的機械工程虛擬教學資源，有效彌補了民族地方高校機械類專業實體教學資源的不足。用好實體與虛擬兩種教學資源，增強兩種資源的聯動效應，匯聚虛實混合動力，實現虛實相濟，可為民族地方高校培養機械工程新工科人才提供實踐依循。

關鍵詞：民族地方高校 新工科 機械工程 教學資源

1 新工科背景下民族地方高校機械類專業建設的困境

民族地區是少數民族的集聚生活區，主要分布在西部與北部邊疆。當前，國家正在大力推動鞏固拓展脫貧攻堅成果同鄉村振興有效銜接工作，西部大開發戰略將進入深化階段，產業轉移、轉型和升級同步發生，民族地區機械工業迎來了發展機遇期[1]。為對接區域人才需求，許多民族地區高校增設了機械工程方面的專業。吉首大學作為武陵山片區唯一的綜合性大學，為了更好的服務當地經濟發展和對接區域人才需求，相繼開辦了機械設計制造及其自動化專業、機械電子工程專業，與其它民族地區高校發展機械類專業的情形類似，辦學遇到了諸多困難。

一方面，因地理、歷史原因，民族地區高校新辦機械類專業時存在先天不足。民族地區一般地處偏遠、交通不便，經濟欠發達、產業單薄。民族地方高校在設立之初，往往是以培養少數民族教師、干部為主要目標，開辦機械類專業及其它工科專業的時間較晚。機械工程相關學科基礎不厚實，地方產業支持不給力，致使培養環節專業基礎理論知識與機械工程應用能力脫節，造成培養的機械類專業學生創新意識和工程實踐能力弱等突出問題[2]。

另一方面，在新工科深入實施的背景下[3]，民族地區高校在應對傳統機械專業改造工作時又備受觀念陳舊、資源匱乏的約束。在新一輪科技革命和產業變革的推動下，以新技術、新產業、新業態和新模式為主要特征的新經濟已呈蔚為壯觀之勢。新工科建設必須回應產業所需，探索突破現有學科門類和專業的壁壘、重構人才培養模式。然而，民族地區高校機械類專業原有的課程體系很難適應智能制造、工業互聯網等新興技術的快速發展，按照先前模式難以培養出適應未來產業變革的復合型、創新型人才。此外，新工科對先進實驗設備、師資力量、教學平臺、實踐基地的要求更高，民族地區高校探索機械類新工科專業建設受教學資源的約束將更加明顯。

工業化與信息化深度融合是中國機械工業高質量發展的重要特征，“產業數字化和數字產業化”催生了豐富的虛擬教學資源，為“教育數字化戰略行動”在工程教育領域實施夯實了基礎，為破解民族地區高校培養機械工程新工科人才難題提供了新思路。

2 新工科教學資源的形態與特征

從廣義概念而言，教學資源涵蓋能夠促進教師教學與學生學習的全部要素，包括但不限于教學材料、支持系統和教學環境[4]。高等機械工程教育的根本任務是為現代機械工業所涵蓋的各細分領域培養高素質應用型人才。對機械工程類大學生而言，創新意識的形成和工程實踐能力的培養有“虛”與“實”兩種動力驅動，前者指利用信息化、虛擬現實、人工智能等先進技術開展理論和實驗教學，后者指傳統實體的實驗和實踐環節。與之相對應，機械類新工科專業教學資源可分為虛擬教學資源、實體教學資源，二者在形態與特征方面存在明顯差異。

虛擬教學資源是“產業數字化和數字產業化”的產物，是新工科專業建設的必備支撐。當前，數字技術深刻改變著人類的思維、生活、生產、學習方式，國家制定了《提升全民數字素養與技能行動綱要》，將優化完善數字資源獲取渠道、豐富數字教育培訓資源內容作為主要任務與重點工程。經過多年積累，虛擬教學資源已頗為豐富，以電子書、信息化課程、虛擬仿真實驗、虛擬教研室等新形態涌現。這些虛擬教學資源具有經濟、高效、便捷的優點，可通過資源共享、學習空間延伸等方式，擴大受益面和影響范圍，能有效彌補民族地區高校的資源劣勢，提高機械工程新工科人才的培養質量。

實體教學資源與高等工程教育始終相伴而行，隨著高等工程教育的發展而演變，具備鮮明的時代特征，是開展高等工程教育的基礎性資源。實體教學資源包括但不限于紙質教材、實體校內實驗室與實訓中心、校外實踐基地，實體教學資源的優點在于可全面地表現工程中的真實情境。

虛擬教學資源、實體教學資源的優點得到了業界廣泛的認可，但其缺點也表現明顯，前者的體驗感欠佳，后者的更新速度慢且對人力、物力、財力消耗較大。近年來，還出現了一些虛實結合的教學資源，如立體教材、線上線下混合式課程、數字孿生實驗，這類教學資源在保留二者優點的同時，一定程度上克服了二者的不足之處。

3 “虛實混合動力”賦能機械工程新工科人才培養的路徑初探

新工科建設具有時代特征鮮明、內涵豐富、多學科交融、多主體參與等特點。在辯證而統一地對虛擬與實體教學資源進行比較分析的基礎上，吉首大學牢牢把握新工科本質要求和機械工程新工科人才培養規律，結合自身辦學資源、辦學定位及服務面向的實際，對機械設計制造及其自動化專業、機械電子工程專業進行了新工科教學改革的探索研究，制定了具有吉首大學特色的機械工程新工科人才培養系統方案，形成了如圖1所示的“虛實混合動力”賦能民族地方高校機械工程新工科人才培養的新模式。

3.1 以助力地方特色機械產業發展為宗旨，不斷完善加強應用能力培養的人才培養方案

以機械設計制造及其自動化專業為例，該專業在設立之初就結合國家戰略需求與中西部地區特別是武陵山片區經濟社會發展需要，制訂了培養農礦機械應用型人才的培養方案，開設了與地方產業相關的農業機械學、礦山機械學等特色課程。在人才培養過程不斷完善培養方案，經過多年的人才培養實踐，并綜合學校辦學定位、專業特色以及武陵山片區行（企）業的需求，對人才培養方案進行了三輪修訂。修訂的人才培養方案更加注重人才培養環節中的工程應用能力培養，完善了各課程的教學計劃、實踐教學大綱和實踐課程的教學內容，強化專業課程的技術科學屬性，解決了專業理論與農礦機械實踐脫節的問題，充分發揮了學校理科基礎堅實的優勢，增設了虛擬樣機技術、數字化設計與制造等虛擬仿真與實踐的課程，創新了虛實結合的實踐教學新模式。新的人才培養方案以機械設計制造及其自動化專業綜合評價指標體系與評價辦法為基礎，并對接國家專業認證要求和行業標準。

3.2 以“立足湘西，服務武陵，領跑邊區”為指導思想，整合民族地方高校機械類專業實踐教學資源

吉首大學機械類專業在建設過程中不斷建設實習實踐平臺，建成了覆蓋機械專業所有基礎課程實驗的機械設計與制造實驗室，建立了穩固的實踐基地，成立了省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心，依托吉首大學教務處科技實踐創新中心成立了以集專業學科競賽、學術交流、創新性項目研究等于一體的學生科技創新平臺——機械科技創新工作室，同時為了對接武陵山片區經濟發展需求成立了先進裝備輕量化與智能化研究中心。

以提升學生的工程應用能力和創新實踐能力為核心，緊密對接區域人才需求和行業標準，主動適應信息化、智能化的機械行業發展趨勢是衡量當前機械專業學生的主要標準。基于這一標準，結合武陵山片區經濟發展需求和工業基礎等方面的特點，構建了“五整合、四層次”以校內專業實驗室與校外實踐基地為主體的綜合實踐體系，既滿足了機械專業基礎課程實驗教學所需，又彰顯了“立足湘西、面向湖南、領跑邊區”人才培養效益。“五整合”即將建立的覆蓋機械專業所有基礎課程實驗的機械設計與制造實驗室、武陵山片區的實踐基地、省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心、機械科技創新工作室、先進裝備輕量化與智能化研究中心等五類校內外實踐平臺進行資源整合，統一安排學生實踐內容和時間，有效利用社會資源辦學，彌補了學校機械工程實踐平臺短缺的不足，將各實踐平臺資源利用最大化。“四層次”即將整合的實踐教學平臺按照基礎型、專業型、綜合型、創新型分為四個層次，其中綜合型和創新型實踐項目所占比例超過80%，著重培養學生工程應用能力。

3.3 以省級“力學與工程虛擬仿真實驗教學中心”為載體，構建虛實結合的機械類專業工程應用型人才培養體系

省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心集成了機械裝備虛擬仿真模塊、流體力學與液壓氣壓虛擬仿真模塊、機械原理虛擬仿真模塊、機械設計虛擬仿真模塊、機械制造技術基礎虛擬仿真模塊等。采用虛擬仿真技術開展的虛擬實驗，可以節約成本，切實解決民族地方高校機械工程學生人數多與實驗設備少的矛盾，尤其是解決了農礦機械裝備大型實驗設備資金投入大的難題。

為了充分利用省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心和傳統機械基礎實驗室的資源互補性，盡可能發揮兩大平臺的優點，將具有開設實驗條件的機械基礎實驗項目，采用先虛擬實驗后實體實驗的教學模式，以提高學生實踐教學效果。而對于實驗室不具備開設的實驗項目在省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心開設虛擬實驗教學，以減小實驗條件與人才培養相沖突的影響。依托省級力學與工程虛擬仿真實驗中心，實現了虛擬仿真實驗與實體實驗、實踐教學、工程案例等方面的有機結合，有效提高了民族地方高校機械專業大學生的工程實踐應用能力。同時，通過構建“虛實結合”的人才培養模式，解決了民族地方高校在“時間緊、任務重”的約束條件下如何選擇機械專業新工科建設路徑的難題，緩解了辦學所需師資、場地、經費有限的困境。

3.4 以工程應用型人才培養為目標，堅持“虛實混合動力”驅動的應用型人才培養機制

學生工程應用能力不足的原因主要是學校提供的實驗設備資金投入少、實踐教學平臺不足且沒有整合、學生參與科研和學科競賽的積極性不高等。學生作為工程應用能力培養的主體，具備一定的自主學習、動手實踐、創新設計、研究探索的能力，將學生的課程實驗、課程設計、畢業設計、課程見習、生產實習等固定培養環節中的實踐應用能力培養環節整合到校內外實踐資源進行合理安排，并通過教師個人科研項目、大學生創新創業訓練計劃項目、機械類學科競賽項目、大學生開放性實驗項目等自由實踐項目，引導學生進行大膽的創新設計。

在培養過程中融入虛擬實踐手段，結合技術科學化的課程體系、省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心，采用虛擬手段對機械專業基礎實驗原理細節進行展示、對實驗設備的操作方法和安全事項進行說明，使其成為機械專業理論教學和實踐教學的重要手段。同時，利用教師科研項目、學科競賽項目、大學生創新創業訓練計劃項目、開放實驗項目等創新研究平臺資源，以吸引學生積極進行機械產品開發應用，以培養學生的工程應用能力。開發的產品通過實體實驗室、實踐基地，并結合力學與工程虛擬實驗平臺，在虛擬環境下對作品或產品進行設計評估和改進，在獲得實體實驗驗證的基礎上，到實踐基地參與制造、裝配、調試等過程，實現機械產品開發的全程實踐。學生也通過虛實結合設計的作品可用來參加機械類學科競賽或者申報專利以完成知識產權的轉換。

4 結語

依托四方面改造，吉首大學機械類專業形成了虛實混合動力驅動、共同賦能機械工程新工科人才培養的新格局，學生培養質量明顯提高。學生的跨學科知識結構特色鮮明，工程實踐能力突出，近三年在大學生機械創新設計大賽、大學生電子設計大賽、大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、中國高校智能機器人創意大賽等單科性學科競賽中表現出彩，在“互聯網+”大學生創新創業大賽等綜合性學科競賽中亦表現出眾，獲得省級及以上獎勵百余項。在升學就業方面，一大批學生進入國防科技大學等雙一流大學深造或成長為龍頭企業的青年技術骨干。綜合利用實體與虛擬兩種教學資源，匯聚虛實混合動力，有效支持了民族地方高校機械類專業新工科建設與人才培養。

基金項目：湖南省新工科研究與實踐項目（20209027），吉首大學教學改革研究項目（2022JSUJGB15）。

參考文獻：

[1]蔡宗模，張海生，楊慷慨，吳朝平.西部揚帆——全面振興西部高等教育的戰略構想[J].重慶高教研究，2019，7（03）：25-38.

[2]吳金航，朱德全.少數民族高層次應用型人才需求的實證分析——基于150家企事業單位的需求證據[J].現代大學教育，2018（03）：86-93.

[3]陸國棟.“新工科”建設的五個突破與初步探索[J].中國大學教學，2017（05）：38-41.

[4]劉坤，劉鑫橋，李妍.教育數字化下的新工科新形態教學資源——邏輯內涵、要素特征與建設路徑[J].高等工程教育研究，2023（04）：22-26+99.