新疆高校机械专业学生创新实践能力培养研究

万晓静， 孙文磊

(新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐 830047)

0 引 言

新时代背景下，增强学生的创新实践能力，培养创新型人才，实现高校人才培养与企业需求的无缝对接，是我国建设创新型高校、培养创新型人才的迫切需要[1]。机械类课程内容覆盖面广、相互关联性强、学习难度大，尤其是实践性和应用型较强。然而，需要依靠成本高、消耗高的实体设备，有时甚至涉及高危或极端环境的机械专业实验教学模式，极大地制约了学生创新意识、创新能力的培养。随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仿真技术在实验教学领域的使用也越加广泛[2]，这使得传统的机械专业课程教学模式也出现了新的变化。

近年来,国家加紧推进实施“一带一路”发展战略，新疆是该战略的优先推动区域和桥头堡[3]，这为新疆高等教育的发展提供了重要机遇。新疆地区作为新丝绸之路经济带建设的核心区，对机械类专业人才的需求也日益增大。本文根据社会对机械专业人才的需求，结合新疆民汉一体化教学改革形势下人才培养特点[4]，阐述了基于虚拟仿真教学平台的机械专业大学生创新实践能力培养，这对学生的个人就业甚至未来发展有着非常重要的现实意义。

1 新疆高校机械专业人才培养的现状

机械专业是各工科院校普遍存在的传统专业，实践性较强是机械类专业课程最显著的特征。在教学过程中不仅涉及到一些基础理论性知识，还需要进行实践性教学，将理论与实践整合起来，整体提升学生的综合素质和能力。传统教学模式重理论讲解，轻实际操作，理论脱离实际，产学脱节，学生难于理解，很多机械专业学生遇到困难后容易产生畏难情绪，学生的学习积极性、主动性低，培养质量难以满足用人企业的要求。

当前，新疆高校机械专业人才培养面临的主要问题：

(1) 新疆高校生源基础薄弱,差异较大。由于新疆各个高校的大学生民族成分复杂，特别是少数民族大学生大多生活在边远地区,信息不畅,交流不便,接受新事物不及时,他们是一个比较特殊的群体，由于基础薄弱，在缺乏相关教学硬件的条件下，学生的认知能力存在一定的难度[11]。为了缩小民汉之间的教育差距,催生了新型编班形式,即“民汉合班”[10]的一体化教学形式。汉族大学生和少数民族大学生在课堂表现、自主学习能力、授课方式适应能力方面均存在差异[12]。因此，及时了解和掌握母语非汉语的少数民族大学生的学习状况，积极探索问题的有效解决途径，对提升新疆高校教学质量、缩小民汉间的教育差距具有重要的现实意义。

(2) 课程改革，学时压缩。随着高校教学改革的逐渐深入，新疆高校培养方案所要求的总学时数也不得不大幅度削减，在学时如此压缩情形下，需要迫切解决的问题是，如何构建新的培养大纲才能培养出较强的创新应用能力而且具备创新实践精神的机械类专业人才？

(3) 实践教学条件受限，教学效果难以达成。①在新疆高校机械专业实践教学中，实验设备短缺和实验场地不足的问题已成为制约机械专业实践教学的重要因素。学生实践的时间和次数都非常有限，这将无法保证学生将理论课中学到的知识及时有效地运用到实践中去，对学生动手能力的提高影响比较大，学生掌握的理论知识无法在实践中得到验证。②机械相关实验设备因其价格高、损耗大、操作要求高等因素，使得常规实验教学容易受实验内容、实验设备、实验时间、实验空间的限制。尤其对于少数民族学生，受语言和前期学习基础的影响，在正常的实验教学过程中，需要大量的时间来重复实验过程才能较好地掌握实验内容。③部分相关实验操作有一定的危险性，为了避免造成人员受伤或设备损坏，这对实验操作人员有更高的要求，学生只是进行观摩及记录实验数据， 无法使学生通过亲手操作来提高学生的实际动手能力，实验局限性大，综合性、创新性实验效果较差，使得学生的实验兴趣和创新思维受到影响。④大型复杂机械装备内部运行规律，无法进行实验或深入理解，而传统真实实验设备很难实现学生自主设计实验，学生迫切需要一个能够实现自主设计创新的平台。

2 构建新型教学资源与学习条件

着力培养大学生的创新实践能力是机械专业实践教学环节的基本要求，学生只有进行真正的实践操作，他们的实践水平才能逐步提高。但是如果在真正的机械设备上进行实践操作，这会大大增加学校的经费开支，而虚拟仿真技术的出现恰好解决了这方面的问题，具有投入少、操作简便的特点，为学生的实践提供了优质平台。

2.1 以虚拟仿真教学平台为核心的实践教学体系

随着高等学校实验教学的改革不断深入，新疆大学作为区域的科教中心，在民汉一体化教学改革形势下，借助学科建设、师资力量、科学研究和人才培养等方面的综合优势，通过借鉴国内高校在实践教学改革方面的成功经验，成立了机械工程虚拟仿真实验教学中心，以培养新时代机械专业具有创新思维、创新意识和创新能力的创新型工程应用人才为目标，构建了以机械专业虚拟仿真实验教学平台为核心的实践教学体系，以中心所具有的丰富的教学软硬件资源和实践训练环节成为开展创新能力培养的理想平台。

采用虚拟现实及多媒体技术在计算机上建立虚拟实验环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。如：大型风能发电机、机械式采棉机、节能抽油机等大型复杂产品的设计制造，已构建了具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟现实平台。

2.2 深化产教融合，共享教学资源

依托科研项目，利用校企双方资源和优势，共同开展实验实践教学。通过多种合作方式，与新疆磐基实业、新疆第三机床厂、新疆金风科技股份有限公司、新疆科力先进制造技术有限公司、新疆新特顺电气制造有限公司、新疆天山汽车制造有限公司多家企业展开了不同程度的合作，联合开发出模具三维设计图库系统、生产车间虚拟布局设计与优化虚拟仿真实验教学系统、抽油机图库信息管理系统、风能发电机组虚拟装配仿真实验教学系统、虚拟风电场可视化实验教学系统、采棉机关键部件虚拟仿真实验教学系统、高低压电器开关柜三维设计与虚拟装配实验系统等，实现了设计三维数字化、加工工艺和模具制造的柔性化。例如，可以利用虚拟现实系统讲授人机工程学，使学生身临其境的观察人机操作规范；利用虚拟现实系统的三维可视化效果，进行产品展示教学；机械专业学生还能够进行机械产品虚拟设计与系统仿真，进行虚拟仿真和虚拟测试评估，通过虚实相结合的实践教学方式，不仅能有效激发学生的学习热情以及学生学习的积极性，还能培养学生的创新意识和创造性。

3 大学生创新实践能力培养模式

3.1 立足本土，建立民汉混合学习小组

由于新疆高校在高考录取中的照顾政策[13]，汉族新生和少数民族新生生源质量存在较大差距，这使得民汉学生间的水平差异和类型差异显著。新疆高校民汉合班这种新型编班形式，为各民族学生朝夕相处、共同成长提供了积极的环境，同时，也带来了极大的挑战。因为民汉学生文化和专业基础知识水平存在差距，任课教师为了保证正常的教学进度，部分少数民族学生会落后于整体教学进度，久而久之，就会有厌学情绪，甚至出现逃学、逃课、持续挂科的现象[14]。此种背景下，如何更高效地促进汉族大学生和少数民族大学生学习融合提出了新的要求和挑战。

因此，建立民汉混合学习小组，不仅符合新疆本土特色，让不同民族的学生间加强了解、沟通和理解，最终实现不同民族和谐共处即民族团结的价值。而且，在学习过程中，汉族学生帮助少数民族学生，少数民族学生帮助汉族学生，互帮互助，共同进步，以达到最好的学习效果。

3.2 利用虚拟仿真实验教学平台，培养自主学习能力

计算机多媒体技术的快速发展，预示着越来越多的年轻人，其学习生活方式因信息化时代的到来而潜移默化地被改变，而传统课堂与数字化信息手段相结合，甚至于信息手段占据越来越多比例的教学方式必将是未来教育发展的趋势。数字化技术手段引入传统课堂，不仅能够有效发挥教师的主导作用，更为重要的是能够大大提高学生的积极性、主动性和学习的兴趣[15]。例如，利用虚拟现实技术开发的虚拟仿真实验教学平台中相关的教学资源，不用去风场、油田、农田现场，让参与的学生足不出户就可以了解风能发电机、机械采棉机、节能抽油机等装备的工作状况、运动方式，而且对如何设计制造大型机械的全过程有了全面的了解，既解决了真实实验平台无法开展的实验教学的难题，减少了真实实验教学中的高成本，资源的浪费等情况，又可以提高学生的理解力和注意力，有利于调动学生的积极性和主动性，以及学生对知识的把握。

3.3 学研结合,培养学生创新能力

对于实践性较强的机械专业学生来说，课外实践和科技创新模块驱动了大学生的创新能力培养，利用虚拟仿真实验平台以及虚拟实验室的相关实验教学软硬件教学资源，为学生提供一个自由组队、自主设计的完全独立自主的实践环境。学生还可以依据个人感兴趣的方向，自主立项创新项目，学院并为其配备相关指导教师，从课内到课外为学生提供完全开放的实验和实践学习环境。

以某民汉混合小组自主完成的达坂城虚拟风电场为例,依托合作企业，由其提供风能发电机的型号、各零部件的尺寸参数、风场风机布局等，该小组自主分工，完成了从风能发电机几百个零件的三维模型的创建，到各部件的虚拟装配直至整机的装配(这部分在虚拟装配平台中完成)，再到各机构运动仿真的完成。另外，后期的虚拟场景建模及渲染部分由工业设计专业的学生完成。整个虚拟风电场从建模到完成，全部由学生自主完成，只要感兴趣并能坚持的汉族学生、少数民族学生都可以成为小组的成员，学院提供教师指导及实验室、计算机、虚拟装配平台等硬件资源。通过专家审核，整体不错的项目可以作为教学案例，进一步激发了大家的学习热情。通过不同民族、不同专业的学生共同参与并完成项目，不仅为学生提供了一个开放的可自己动手设计、仿真、机构运动模拟的实践性教学环境，使学生在创造性思维基础上使用先进设计手段和方法，大大增加了学生创新能力的培养。而且，对缩小民汉差距实现新疆民汉一体化教学改革具有重要的现实意义。

4 结 语

随着“一带一路”建设的推进，对新疆高校来讲既是机遇又是挑战。在高校的实践教学中，充分发挥创新智力资源，利用虚拟仿真教学软硬件资源，激发学生创新活力，培养学生的学习兴趣、激发学生的创造热情、锻炼学生的创新思维、提高学生的自主创新能力，已成为一种趋势。本文立足本土，结合新疆“民汉合班”人才培养特点，通过民汉混合、学研结合等方式，增加学生创新实践应用能力的培养，使虚拟仿真教学平台在机械专业实践教学和创新人才培养上发挥出更大的作用。这对缩小民汉差距实现民汉学习共融目标的新疆民汉一体化教学改革具有重要的意义。