立足课程建设与改革 探索“智·能·知”创新人才培养

齐乐华 连洪程 周计明

摘 要：在总结世界一流大学创新人才培养模式的基础上，提出“双一流”建设背景下面向“智·能·知”创新人才培养的课程改革途径。建立了数字化课程资源库、网络在线课程平台和开放共享教学环境，出版了新形态教材，并在创新课堂教学与考核模式、科教融合教学体系和建立学生主体、教师主导的“学习共同体”等方面进行了改革尝试。

关键词：创新人才;教学资源;教学模式;机械制造基础;“双一流”建设

培养拔尖创新人才，是时代发展和社会进步对高等教育提出的新要求，也是“双一流”建设的根本任务之一。《中国教育现代化2035》明确提出要加强创新人才特别是拔尖创新人才的培养。作为“双一流”建设高校，更应在教育教学改革和创新人才培养方面走在前列。长期以来，我国高等教育在学生知识传授方面享有盛誉，但在创新思维、实践能力、团队作战能力培养等方面却捉襟见肘，严重影响拔尖创新人才培养。

课程建设是人才培养的核心要素和基本单元[1]。“机械制造基础”课程涵盖工程材料、成形工艺基础和机械加工工艺基础三部分内容，是机械及近机类专业普遍开设的一门重要技术基础课，对于培养学生动手能力、工程意识和创新能力具有重要作用。本文以该课程建设为例，探索基于创新驱动“智能”人才培养的课程改革途径。

一、世界一流大学人才培养与课程改革

1.创新人才特质

关于创新人才的内涵众说纷纭：创新人才需具有坚实的理论基础和丰富的科学文化知识，并对未知领域勇于探索[2];或具有创新人格、创新思维、创新性的学习素质和提出并解决问题的能力[3];抑或具有充分发挥自身优势、解决问题并取得创新成果的能力。

笔者认为，创新人才应具有以下特质。

（1）深厚而扎实的基础知识（知）。此为从事科学研究、技术开发等科技创新活动的基础。创新是极富挑战性的工作，只有具备广博的知识和足够的积累，才能在信息爆炸时代快速学习新知识、不断提高专业能力。

（2）全面的综合能力（能）。创新并非已有经验知识的简单积累，而是在掌握本专业基础理论知识的基础上，通过敏锐的观察力发现并提出问题，利用科学思维能力和工程实践素养发掘问题本源并系统科学地解决问题。

（3）强烈的创新意识和创造性思维（智）。在学习理论知识、开展实践工作的过程中，保持强烈的探索欲望和兴趣，敢于打破常规和提出质疑，坚持不屈不挠的创新热情，并不断思考，在思考中跳出思维定式，提出解决问题的新方法。

对于创新人才而言，知、能、智三者缺一不可[4]。基础知识是创新的根基，综合能力是创新的路径，创新思维是创新的源泉。

2.国外名校创新人才培养与课程改革

哈佛大学、剑桥大学、麻省理工学院、斯坦福大学等世界一流高校在创新人才培养方面做出了许多改革举措，取得了良好成效，其人才培养模式和课程改革方法值得我国高等教育学习借鉴[5]。

（1）哈佛大学——通识教育，培养全人。哈佛大学推行通识教育（liberal education），实行“全人（Whole man）” 培养模式。学校主张除培养学生学科才能外，还应发掘其他才能，要培养“几乎所有学生都具有某种才能，而非仅局限于专业才能”。主张引导学生建立良好的自我意识，奠定自觉学习能力，通过汲取更多知识，为充分发挥其潜能提供养分。在“全人”培养模式下，哈佛大学全面推行“核心课程型”课程设置模式，包括核心课、专业课和选修课，其中8门核心课涉及文学艺术、历史、外国文化、伦理道德、社会分析、定量推理和科学7个领域，极大拓宽了学生视野，全面培养学生跨学科学习能力和综合能力，促进学生创新能力的发展。截至2018年10月，哈佛大学已有158人获诺贝尔奖，在全球高校位居第一。

（2）剑桥大学——下午茶喝出的诺贝尔奖。以“现代科学的摇篮”著称的剑桥大学，其校训为“此地乃启蒙之所和智慧之源（From here，light and sacred draughts）”，该校教学模式多为探究交流的启发式教学。活跃的文化融合与思想交流是其显著特点之一，“下午茶”则是剑桥大学长期流传下来的传统。学生课间休息、师生间讨论问题，常在校园中的小咖啡店或办公走廊进行。许多重大科学发现的最初创意往往萌生于剑桥的下午茶。两度诺贝尔化学奖获得者桑格教授，正是在喝下午茶时与不同专业教授交流思路而获得灵感，成功完成噬菌体所有DNA核苷酸的测序，并因此获得1980年诺贝尔化学奖。亚历克·布罗尼斯校长曾戏言：“我们喝下午茶就喝出了60多位诺贝尔奖得主。”

（3）麻省理工学院——知行合一，理论与实践、教学与科研相结合。麻省理工学院（MIT）是培养科学家、工程师和工业家的摇篮，其校训为“知行合一（Mind and Hand）”。MIT一贯重视实践教学，并将其作为实现“知行合一”的重要手段。从课堂到实验室，要求学生在实践中学习与创新。针对不同年级的学生制订实习实践计划，将课内和课外活动有机结合，其实践课程占总学分的1/3。强调理论与实践相结合、科研与教学相结合、创新与创业相结合。MIT实行本科生研究计划已有多年，其目的是使本科生有机会作为教师的初级同事或助手参与教师的科研活动，这些科研计划有助于培养学生的研究兴趣和创新能力。

（4）斯坦福大学——富有启发性的教学方法。斯坦福大学的校训是“愿自由之风劲吹（The wind of freedom blows）”，体现了该校追求学术自由、追求学术创新的开拓进取精神。斯坦福大学非常重视教学方法的启发性。一是注重授课的激励性。教师讲课并非一开始便讲书本上的內容，而是介绍学科现状、尚有争议的问题以及该学科对人类未来的影响等，有效激发学生的学习热情和兴趣。二是讲究方法的启发性。教师普遍采用探究式教学法、发现教学法、启发教学法和个性教学法等教学方法，特别是研讨课运用最为普遍，教师课堂讲授时间只有学生自学时间的1/4，课堂讲授只起提示和引导作用，而将大量时间留给学生，通过学生课外阅读、调研、撰写专题报告和讨论等方式培养其独立思考、独立解决问题的能力。三是讲究方法的生动性。角色扮演法和模拟法也是其常用的教学方法，学生在情景模拟和角色扮演中体验学科知识原理和应用，在生动活泼的教学场景中掌握学科知识特点和领会学科知识意图。

高等教育是培养创新人才的基础，而高等本科教育则是重中之重。美国在1998年和2001年分别发布《重塑本科教育：美国研究型大学发展蓝图》《重塑本科教育：博耶报告三年回顾》;英国于2016年发布《英国高等教育白皮书》，从国家战略层面表明回归本科教育的决心。哈佛、MIT和斯坦福等世界一流大学也相继发布《失去灵魂的卓越》《高等教育改革的催化剂》《本科教育报告》等报告，声称没有一流本科的一流大学是失去了灵魂的卓越，没有一流本科的一流学科是忘记了根本的一流，为高校回归本科教育做出表率。近年来，我国高等教育也掀起本科教育改革和人才培养大讨论的热潮。我们借鉴世界一流高校人才培养理念和课程建设经验，逐步形成“机械制造基础”课程的改革思路。

二、“双一流”建设背景下“机械制造基础”课程改革与创新人才培养

创新人才培养是一个系统工程，是从教师到学生、观念到制度、软环境到硬条件的全方位、多角度的综合建设。而学科课程则是人才培养、科学研究、社会服务、文化传承和创新功能的载体和基本单元，课程建设与改革对创新人才培养具有重要意义。

1.“双一流”建设背景下“机械制造基础”课程改革思路

2015年10月，国务院颁发《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，明确提出要进行“双一流（世界一流大学和世界一流学科）建设”[6]。培养拔尖创新人才是“双一流”建设的根本目标，而扎实的基础知识和新工科、大工程意识对于创新能力培养不容忽视。“机械制造基础”课程具有综合性和实踐性强的特点，对培养具有工程素养的高层次创新人才发挥着重要作用。西北工业大学为国家“一流大学”建设（A类）高校，机械工程学科为“一流学科”，本课程组所在的机械设计制造及其自动化专业是国家级专业综合改革试点专业，已通过工程教育认证和复评，并入选国家“一流专业”建设。“机械制造基础”作为支撑该专业的核心基础课程，如何适应“双一流”建设和新工科建设，需要赋予新的改革内涵[7]。

结合世界一流大学课程改革经验和互联网时代背景，课程建设与改革的总体思路是：变革教育理念，建立师生间交流互动的学习共同体;创新教育方法，构建线上线下、课内课外全方位学习平台;推动科教融合，培养学生实践能力和创新能力。课程改革从教学资源和教学模式改革两方面展开。一是多元化教学资源的建设，包括数字化课程资源库建设、网络在线开放课程建设、多形态立体化教材建设，为学生提供丰富多元且开放交互的学习资源;二是教学模式改革，包括开放共享教学环境建设、课堂教学与考核模式改革、科教融合的教学体系建设，建立以自主探究为基础、科教融合为途径的创新型教学模式。以学生为中心，充分发挥学生的积极性和主观能动性，培养其综合素质和创新能力（如图1所示）。

2.“机械制造基础”课程多元化教学资源建设

教学资源是课程建设的首要环节。机械制造基础是一门理论与实际联系非常紧密的课程，涉及材料、冷/热加工各种工艺方法和制造过程等内容，一般在大二开设，学生往往感觉很难建立工程概念。我们从创新人才培养需求着手，持续多年改革实践，探究互联网时代的优质、多元化课程资源建设方法。

（1）全面、动态：数字化课程资源库建设。随着人才培养目标不断深化和信息技术快速发展，单一纸质教材和PPT幻灯片已无法满足复杂机械加工过程的教学需求，本课程资源库建设分为3个阶段：① 二维/三维动画素材库建设;② 数字化仿真与案例库建设;③ 数字化课程和共享资源建设。

第一阶段从21世纪初开始，当时多媒体教室尚未普及，建设重点放在静态图像的形象直观化展示方面。我们较早提出并践行二维/三维动画演示的辅助教学方法，建成基于Flash、3D-MAX的“机械制造基础”二维、三维动画素材库，使学生能够更直观地理解工艺内涵，改变单调死板的纸质教材辅助教学模式。

第二阶段，随着计算机和多媒体教室的普及，教学资源建设转向数字化与多层次方向发展，人才培养更注重综合能力和实践能力的提高。为了支撑创新人才培养理念下的教学模式改革，我们在原有动画素材库基础上，新增仿真实验，同时继续增加新技术、新工艺视频及其原理动画，特别是通过挖掘思政元素，设计制作多个反映航空工程领域特色及最新科研成果的教学案例。将思政元素与专业知识有机结合，使学生在掌握知识点的同时，增强民族自豪感和国家荣誉感。

第三阶段，在“双一流”“新工科”建设背景下，更加注重信息化和资源共享。我们在中国高等教育学会“十三五”高等教育重大攻关课题“‘互联网+课程——在线开放课程群建设的创新与实践”（16ZG004-23）资助下，与天津大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等多所高校开展机械专业在线开放课程群建设，共享优质资源;同时，按“双一流”“新工科”建设需求重构课程知识点与素材库内容，使之更加多元化、系统化。资源库覆盖课程重要知识点、典型例题、微视频、知识点讲解、动画、工程应用案例等，从多个侧面深化教学内容，助力教学模式改革，促进学习者在“互联网+创新教育”模式下综合能力的提高。

（2）开放、交互：网络在线课程平台建设。随着信息技术和教育教学的融合，以MOOC为代表的在线开放课程为高等教育教学模式改革提供了新途径。通过多年的课程建设与持续改革，我校“机械制造基础”课程相继被认定为陕西省精品课程（2005年）、国家精品课程（2010年）、国家精品资源共享课（2016年）和国家级精品在线开放课程（2018年），结合自建课程百科网站，构建了开放交互的网络在线课程平台，达到师生共建共享、全过程交互的目的，为开展翻转课堂和多模式教学、实现以学生为中心的转变奠定了基础。

以国家精品资源共享课和MOOC建设为例，我们成立了由教师、研究生助教和本科生组成的建设团队。自建MOOC制作平台，设计以Premiere为基础的MOOC视频制作、剪辑、合成的技术路线，开展MOOC视频制作，为课程内容不断更新、加入新案例和后期维护提供方便，与聘请制作公司相比，成本低、灵活性大。目前已建成包括工程材料、热加工、冷加工及习题讲解在内的158集视频，以及与此相关的大量辅助学习素材库，2017年上线爱课程网，已开课6期，累计受益万余人，获普遍好评。

（3）多维、立体：多形态教材建设。除了数字化课程资源库和网络在线课程平台的建设，我们也同样注重传统教材的推陈出新。共出版“机械制造基础”课程主教材4部、实验指导书3部、配套辅助教材2部。为持续进行教学内容的更新与优化，参考世界名校教材及其经典教案，观摩名校开放课程视频资源，积累教学经验;将新的教学理念、国家重大科研成果以及国外优秀教材相关内容融入教材，并新增典型案例分析与应用新技术等，获陕西省高等学校优秀教材一等奖。

在教育部首批“新工科”教改项目资助下，依据信息化改革与共建共享指导思想，通过进一步优化课程资源和教材建设，于2018年在高等教育出版社出版《工程材料与机械制造基础》新形态教材和数字化课程。数字化课程包括工程材料与热处理、热成形技术基础、机械加工技术基础以及典型案例分析、实验实习等内容;资源类型包括教学演示视频（40个）、重点讲解微视频（40个）、知识点讲解视频（50个）、在线测评题库（500题）、工程应用案例（30个）、典型例题（50个）、常见问题与答案（300道）、动画等素材（300个）。上述工作对丰富课程教学内容和进行探究式、启发式等教学模式改革起到了重要作用。

3.“机械制造基础”课程教学模式创新

提高人才培养能力必须以学生的学习和发展为中心，营造以学生为中心的新型教育教学生态环境。针对传统灌输式教学模式存在的问题，我们在建立开放共享教学环境的基础上，进行教学模式改革实践。

（1）实践、协作：开放共享教学环境建设。基础理论学习是学生自我发展、实现创新的基础，实践环境则是学生完成知识理解和理论吸收的最佳场所。依托机械基础国家示范教学中心和陕西省创新人才培养模式实验区建设等契机，在前述教学资源建设的基础上，构建了集课程学习、自助式实验、创新实验、网络多媒体资源为一体的开放式学习环境，并将课堂教学、金工实习教学、课内实验及自主实验有机结合，有效保证了课程教学质量不断提高。

我们的具体做法是：① 设计制作动静结合、形式新颖的实物展板。展出20世纪60年代以来积累的各种工艺方法零件实物、数百种矿石标本，新增电动演示机床、成形设备等教学模型，按照教学大纲和课程特点赋予新内涵;设计制作按知识点排布的动静结合实物展板21个，学生可以随时参观和学习，加深理解，深受学生欢迎。② 设计开发基本实验验证装置，提高学生感性认识与动手能力。依据开发的小型验证性实验装置功能编写实验指导书，学生可根据需要观看演示或自主进行操作，有助于其独立思考和创新意识的培养。③ 将科研成果转化为创新实验，开拓学生创新能力。以国家奖、国家重大科研项目成果为基础，完成本科生创新实验转化，启发学生创新思维。④ 充分利用网上资源，创建良好的课外学习环境。学生可以方便地浏览教学大纲、课程内容、学习方法、在线题库等多种资源。开放式学习环境为学生充分利用各种网络资源、实物模型和工程实践资源提供了便利，促进培养学生工程实践能力。

（2）互动、探究：教学与考核模式改革。多元化教学资源和开放式学习环境为学生学习奠定了资源和平台基础，而实施“以学生为中心”教学理念的教学模式改革，则为培养学生创新能力提供了坚实保障。根据本课程实践性较强的特点，通过所建成的国家精品资源共享课、精品在线开放课程等教育资源，开展翻转课堂教学，探索问题导向和案例导向等教学模式，并对考核环节进行改革，实现了以学生为中心的转变。

基于问题导向的教学模式，要求学生课前通过网络课程资源自学知识点内容，掌握基础知识并总结疑问，然后带着问题走进课堂进行探究式学习;教师依据课程内容设计体现科学性、趣味性及知识性的讨论主题，并就课程的疑点、难点和学生的新问题展开讲解和互动，引导学生掌握旧知识与新知识之间的关系和解决问题的方法。通过引导学生辨析、发现、求证和创新，实现学生主体与教师主导的转变。同时，还鼓励学生充分利用互联网资源探索未知、寻求解决方案，博众家之长，多视角、多途径学习知识点内容，为工程案例探求可能的选材方案及工艺路线，达到教师引导下的自我学习，培养学生的创新能力。此外，还通过引导学生在课堂上进行PPT专题汇报，培养学生协作交流与口头表达能力。

基于案例导向的教学模式，首先要选择与课程相关的实际案例，通过提炼问题和挖掘其科学内涵和思政元素，设计制作便于学生学习和课堂讨论的教学案例库。我们剪辑制作涉及工程材料、机械制造、自动控制、液压传动等领域的工程案例视频资源100余个;通过挖掘课程思政元素，设计制作“飞机起落架加工”“飞机轴承套成形与加工”“金属微滴3D打印”等数十个反映航空工程领域特色及最新科研成果的教学案例。采用主案例贯通始末、小案例适时引入的教学模式，帮助学生架起理论与实际结合的桥梁，锻炼学生在复杂工程情景中综合运用学科知识分析和解决问题的能力，同时将思政元素与知识点有机结合，培养学生的家国情怀和民族荣誉感。

课程考核打破一考定成绩的传统考核模式，从期末考试、线上测评、线下讨论与展示、平时作業和大作业等多个方面综合评价学生的学习情况。期末考试全面考核学生对所学知识的掌握程度;线下讨论与展示环节主要考查学生平时知识积累和拓展能力;线上测评则考核学生对所学知识的理解程度。课程最终成绩由两部分构成：平时成绩占40%，通过随堂测试、线上学习、大作业研究报告、口头表述效果等环节综合考查学生表现和各方面能力;期末成绩占60%，主要考查学生对本门课程基础知识的掌握情况，由此保证了对学生知识掌握程度和应用能力等的综合评定。

通过近两年的线上线下混合式教学改革，收效显著，受到学校教学督导组好评：“通过案例引入课程内容并巧妙融入思政元素，能够启发、调动学生学习积极性，有利于学生价值观塑造。”学生在评教中认为：“老师的讲课方式很独特，注重与学生的沟通和交流，关心学生成长。”

（3）求实、创新：科教融合教学体系建设。

“双一流”大学的科研优势突出，如何将学科优势、科研优势和资源优势转化为教学优势，提高人才培养质量，始终是教育界高度关注的话题。拔尖创新人才培养，与学生实践能力、创新思维、科研素养、大工程意识等的培养息息相关。课程组教师主持多个国家重大攻关项目，获国家及省部科技奖多项。我们将相关科研成果转化为创新性、常设性实验，以科研促教学、实践促创新，促进创新人才培养;而这些学生又加入科研团队中继续进行科研攻关，取得新的科研成果，由此形成良性循环。

以本团队均匀金属微滴喷射3D打印项目科研成果转化为教学实验为例。该技术是一种有别于常规3D打印的新技术，在具有特殊要求零部件、微小智能结构快速制备和太空制造等领域具有广泛应用前景，得到国家基金、“863计划”重点项目、总装预研等多项资助。一方面，由博士生、硕士生以及本科生组成项目组，在老师指导下持续攻关，攻克多项关键技术;另一方面，将阶段性创新成果及时转化为本科生创新实验——超声震动定量给粉实验，学生可通过灵活编程，实现自己的设计方案。将科技成果引入课堂，大大激发了学生的创新思维和学习兴趣。

参考文献：

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[2] 任飏，陈安. 论创新型人才及其行为特征[J]. 教育研究，2017，38（1）：149-153.

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[6] 别敦荣. 论"双一流"建设[J]. 中国高教研究，2017（11）：7-17.

[7] 孙康宁，于化东，梁延德. 基于新工科的知识、能力、实践、创新一体化培养教学模式探讨[J]. 中国大学教学，2019（3）：93-96.

[责任编辑：余大品]