新工科背景下拔尖创新人才培养的工程融合式课程体系建设

2018-09-10孙晶崔岩王德伦曹旭阳吴振宇刘新

高教学刊 2018年19期

孙晶崔岩王德伦曹旭阳吴振宇刘新

摘要：为培养机械类拔尖创新人才，基于“新业态”下的产业需求，提出将系统性的创新训练和工程实践贯穿于四年教学全过程的课程体系建设思路。以创新能力的提升为主线，以工程能力的实现为内线，定位课程目标，改革授课模式，更新课程内容。重点建设了四类面向新工科的工程融合式典型课程与教学环节，包括行业前沿激发学生志趣类课程、工程实例贯穿知识体系类课程、科创竞赛牵引能力培养类课程、创新任务驱动能力达成类课程。

关键词：新工科；拔尖创新人才；课程体系；工程融合

中图分类号：G647 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）19-0033-04

Abstract： The paper presents curricula construction method that puts innovation training and engineering practical into four-year teaching process in order to cultivate mechanical leading talents based on industrial demand of new formats. The paper focuses on curricula objects， reforms teaching method， renews courses contents under promotion of innovation ability， and realization of engineering ability. Four kinds of engineering syncretic courses oriented to emerging engineering education are main constructed， including industrial topical issues motivating students interests course， engineering cases crossing knowledge system course， technological competitions pulling abilities cultivation course， innovation missions driving abilities realization course.

Keywords： Emerging engineering education； leading talents； curricula； engineering syncretic

一、概述

随着人工智能、大数据、云计算等前沿科技逐步取得技术性的突破，以智能产业牵引的新一轮科技革命和产业革命蓄势待发，工程的新业态已初露端倪[1-2]。

世界工程教育发展趋势显示：工科人才培养与业态转型方向以及工业未来的发展趋势保持高度一致，日趋复杂的工程实景将更紧密地嵌入工程教育过程。与世界工程教育发展趋势相吻合，我国也适时提出新工科方向和计划[3]。

现阶段，在尝试构建新工科学科体系时，基于“新业态”下的产业需求，以产业和技术发展的最新成果推动工程教育改革，基于此设计专业新结构与课程体系，完成从学科导向转向以产业需求为导向的新工科背景下的课程体系设置[4]。

为培养符合新工科要求的机械类拔尖创新人才[5-7]，如图1所示，对课程体系进行了更新与重构，将系统性的创新训练和工程实践贯穿于四年教学全过程，重点突出機械专业的实践教育环节，体现工程教育的工程主体性。该课程体系以创新能力的提升为主线，以工程能力的实现为内线，定位课程目标，改革授课模式，更新课程内容，引导和鼓励企业深度参与人才培养过程。

二、工程融合式典型课程建设

为将机械类专业课和实践环节的内容与工程技术发展更紧密结合，为了提升学生的工程实践和创新能力，以典型产品贯穿、校-企协同实践、工程实例引导、创新任务驱动为建设思路，重点建设了四类工程融合式典型课程与教学环节，即工程实例贯穿知识体系类课程、创新任务驱动能力达成类课程、科创竞赛牵引能力培养类课程、校企融合协同共建工业级实验。

（一）行业前沿激发学生志趣类课程

依托辽宁重大制造协同创新中心，以机械工程基本概念、知识体系讲授为基础，以实际工程问题为切入点，建设着眼行业前沿领域，激发学生学习志趣的专业课程，主要建设内容如下：

1. 制定应用型教学方法

重大装备企业高级工程技术人员以工程融合模式参与教学，实施分组交流与讨论的创新授课模式。

2. 搭建创新实践教学平台

紧跟重大装备领域前沿发展趋势，建设了以智能化制造实践教学平台为主的创新实践教学平台，拓展了学生工程实践创新能力培养途径。

3. 行业前沿问题牵引教学全过程

研究了工程前沿问题切入模式的具体实施方法，重点研究了如何将机械工程基础设计理论方法与重大装备创新工程应用相结合，并引导学生自主凝练创新设计项目，激发学生创造力，实现理论与实践紧密结合。

以《机械创新导论》为例，为提升学生的知识层次，启迪学生的创新意识，课程采用校内教师和企业专家共同授课。校内教师横跨设计、制造、机电等多学科，以丰富学生的知识层次。来自大连华锐重工集团股份有限公司的高级工程师具有10年的工程机械设计实践经验，以工程实例-翻车机的设计、工程建设、调试等为例，将整个工程机械的设计、工程应用全过程呈现在学生眼前，引导学生用创新理念思考问题，激发学生的创新意识。

该课程构建的“校内校外协同”、“理论实践协同”的新型教学模式在激发学生对于机械工程知识的学习热情和兴趣方面具有突出作用，对于实现教学内容学以致用，提升学生工程实践能力具有重要意义。

同时，《机械创新导论》课程作为大一学生的机械工程启蒙课，强调课程思政和家国情怀教育，邀请企业专家、青年千人参与授课，从个人求学经历、企业的发展历程和产品的研发应用，向学生展示了当今中国的发展，对人才培养的重视以及对社会和世界的贡献，以及青年学生的社会责任。

（二）工程实例贯穿知识体系类课程

新工业环境下要求机械类本科专业基础课程能系统的、创新的、实践的引导学生进行完整的机械产品设计。为了让学生从产品演变与发展历程、市场需求与定位、功能原理与性能层次等全视角审视产品设计，以典型机械产品为例，综合应用人文、数学、物理及机械类基础知识，从介绍产品整机设计与零部件及各个环节的关系开始，遍历整机运动、控制、结构、试验等典型零件的正向设计过程，最终达到让学生掌握并实践机械产品整机设计方法的教学目的，为学生毕业后承担机械产品整机设计打下扎实基础，主要建设内容如下：

1. 工程实例引导

通过对课程内容体系和案例的深入研究与改进，确定具有典型代表意义的产品设计案例，并做好与前序课程内容的分工与衔接。

2. 目标要素驱动

基于工程案例贯穿知识体系这一核心思想，确定了实现系列课程教学目标的三要素：循序渐进的内容体系，恰到好处的具体案例，按部就班的实践过程。

3. 教学案例分解

将工程案例教学内容分解为市场调研、发展史、功能原理方案、运动方案、电气控制、整机结构方案、典型零件、整机性能分析与试验测试等内容，逐项落实到系列课程的相关课程中。

4. 动态素材扩充

建设了教学素材库，包括产品数据、图片、视频/音频和图表/图片/动画素材等，难易适当，且涵盖了系列课程的全部内容。

以机械设计系列课程为例，为使学生让学生从产品演变与发展历程、市场需求与定位、功能原理与性能层次等全视角审视产品设计，甄选集机构、结构、性能于一身的“散热翅片冲压机”作为案例，将其贯穿于机械产品设计系列课程，包括《机械设计I》、《机械设计II》、《机械设计I课程设计/机械设计II课程设计》、《机械设计I实验/机械设计II实验》、《机械产品设计》、《机械产品设计实践》等相关课程，最终达到让学生掌握并践行机械产品整机设计方法的教学目的，如图2所示。

同时，在课程内容建设方面，涵盖了企业现场实践、工业产品的设计概论、规划与市场分析、功能原理设计、运动方案设计、典型零件设计、总体结构与方案设计、性能与试验设计等方面，实现了完整的工业产品设计过程。

（三）科创竞赛牵引能力训练类课程

以实物为载体设计课程目标，以竞赛为牵引达成课程目标，为进一步提升本科生的创新实践能力，进行了一系列的探索与实践，主要建设内容如下：

1. 实物目标引导理论课程

在理论课教学中，将实物带入课堂，边演示边讲解课程目标任务的各部分内容，并引申出本节课程的知识点，再对知识点进行详细分析和推导讲解，使理论内容和工程实践问题紧密衔接。这种实物走入理论课堂的方式，有效提升了学生的理论课学习效果，激发了学生的创新和实践能力。

2. 实践环节促进知识应用

理论教学内容抽象难以理解，除将实物引入理论教学，设计了与理论课程配套的实践课作为其后续环节。实践课内容涵盖了机械设计、机械制造、机械电子等关键技术。通过多学科的知识融合，旨在前序理论课学习基础之上，锻炼学生的动手实践能力与系统设计开发能力。

3. 科创竞赛牵引目标达成

基于上述理论课和实践课环节，夯实了学生的理论基础，强化了学生的实践能力，更激发了学生参与创新项目的兴趣，提升了他们的工程实践能力。为检验课程目标的达成，以省、国家级科技竞赛为牵引，积极组织学生参加大赛。在参赛过程中，实现了课程目标的达成。

在新经济环境下，产业正在快速融合，需要构建课内学习和课外实践相结合的体系。以《机电实践基础》课程为例，为进一步提升本科生的创新实践能力，对相关的创新课程进行了一系列的探索与实践。在理论教学的基础上，强化实践过程，以实物作品设计-智能车为课程任务，模块化分解设计为目标，在课程中增加了对学生动手参与的机械设计部分，将机电一体化贯穿到对学生的创新和实践能力培养中。依托这门课程，学生们获得了一系列的国家级科技竞赛大奖。

以起重模块课程为例，重点建设了该起重机械方向的专业实验，提出了面向典型重大装备结构载荷及受力特点的实验教学模式。该模式以典型的重大装备-龙门起重机的结构应力测试为载体，用实验方法研究起重机械结构的载荷及受力特点，培养学生解决起重机械工程实际问题的能力，引导学生从结构、传动和控制多方面系统地掌握起重机械性能、操纵方法、作业安全等因素相互作用原理。

学生在该专业方向课程及其实验模块的学习过程中，以课程学习为基础，以专业方向实验为实践平台，从大二开始参加起重机创意设计领域的校赛、国赛，从参赛准备到正式参赛，持续三个学期，贯穿专业基础课、专业课及专业方向实验的学习过程。

（四）创新任务驱动目标达成类课程

针对传统的理论教学与实践相脱节、两层皮问题，以教师为主导的被动式知识灌输教学模式改变为以发挥学生主观能动性为主导的引导式教学模式，实现了实践应用驱动的教学效果。同时，紧密结合辽宁区域装备制造业的特点，紧跟装备制造业前沿技术，在借鉴了国内外创新设计人才的成功培养模式的基础上，建设了创新任务驱动目标达成类专业课程，主要建设内容如下：

1. 主动引导式教学模式

以重大装备实际工程问题为切入点，将被动式知识灌输模式改变为重大裝备创新任务主动引导模式，将以教师授课为主的方式改变为以学生任务小组探索交流协同学习为主的授课模式。

2. 建设多元化教学团队

针对多学科创新人才的培养目标，建立以多名跨学科高校教师和企业实践导师协同教学的多元化教学团队。

3. 拓展多元化教学场地

将以理论知识学习为主的课堂教学改变为以实践应用为目的课堂-实验室-企业相结合的多场地教学方式。

4. 构建创新设计任务库

紧跟重大装备领域的最新发展趋势，由跨学科教师和企业导师共同建立可扩展的重大装备创新设计子任务库，实现与重大装备前沿技术的实时紧密结合。

以《重大装备关键系统创新设计理论与实践》为例，如图3所示，该课程以重大装备实际工程问题为切入点，将被动式知识灌输模式改变为重大装备创新任务主动引导模式，以教师授课为主的方式改变为以学生任务小组探索交流协同学习为主的授课模式。同时，紧跟重大装备领域发展趋势，建立可扩展的重大装备创新设计子任务库，实现以最前沿创新设计任务为引导的教学模式。

该课程针对学生参与创新设计任务的所有阶段进行全过程考核和评价，教学团队由5名校内教师和2名企业工程师组成，由创新任务驱动整个教学过程，采用了以实践应用为目的“课堂理论讲授+任务分组讨论+多学科交叉实验平台+企业现场实践创新”的多元教学方式，主要教学环节包括任务分组讨论、物理与仿真实验、研究报告撰写、企业创新实践、校企联合答辩等环节。

（1）任务分组讨论环节

根据各子任务目标和内容，以创新小组为单位，通过头脑风暴、教师引导学生主导的方式进行分组交流讨论，同时聘请企业专家参与创新方案的制定和交流，掌握利用创新思维、创新理论进行创新方案设计的过程。

（2）物理与仿真实验环节

依托辽宁重装备制造协同创新中心、国家级实验教学示范中心“工程训练中心”和“机械工程实验中心”，搭建了以重大装备创新设计为目标的多学科交叉实验平台，包括以航空发动机低压涡轮试验件为研究对象的螺栓紧固实验、白车身杆件结构缩尺模型3D打印实验、四旋翼无人机叶片提升力实验等。

（3）企业创新实践

为了让学生更好的将理论层面的创新任务与重大装备工程实际紧密结合，改变传统的理论教学与实践相脱节的现象，该授课小组依托辽宁重大装备制造协同创新中心，在北重集团进行了课内实践环节，将课堂转移到企业现场。

（4）校企联合答辩环节

答辩过程中邀请重大装备协同企业专家与高校教师组成多学科、多领域答辩专家组，对学生组成的各支创新任务小组进行全面考核。

三、结束语

不论是世界工程教育发展还是中国“新工科”建设，从理念到行动，都在酝酿着新一轮的变革，由于工程教育环境的巨大变化，培养模式及模式下的课程体系转型迫在眉睫[3]。

为提高学生的创新能力和工程实践能力，充分利用和发挥企业资源与优势，将校企合作实质化，以创新能力和工程实践能力为人才培养需求，探索并实践了以贯穿四年的工程能力和创新能力提升为目标的、创新型工程拔尖人才培养模式下的课程体系构建，并有针对性的建设了系列典型课程，取得了一定的人才培养成效。

参考文献：