工程理论与工程实践相结合实现零距离教学

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）

工程教育核心特征是工程性、实践性。我国本科工程教育体系存在重理论知识学习，轻实践、轻能力培养，课程的顶层设计缺少以学生为中心[1]的理念，理论和实践脱节，不适应新经济和时代的变化。新经济以及国家推动、实施的一系列重大战略，都对工程人才提出了更高要求，因此，亟需工程教育的改革创新。教育部2017 年发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》。新工科建设[2-7]可以解决我国工程教育长期以来存在的问题，培养出适应时代、面向未来、面向世界的卓越工程人才。

本文以《工程训练》和《机械加工基础》两门课为研究对象，分析了两门课程存在的问题，探讨了改革思路，提出零距离教学理念。

1 《工程训练》与《机械加工基础》两门课程的现状

1.1 概况

《工程训练》课程内容包括：

1）工程训练概论：教学内容和安排、教学目的与基本要求、主要规章制度及安全教育；

2）基本制造技术训练：车削、钳工、铣削、刨削、磨削、焊接、锻造练、铸造、热处理、塑料成型；

3）先进制造技术训练：数控车削、数控铣削、数控线切割、电火花成型、加工中心、柔性制造系统等共计200 学时，5 学分，为必修课。实训按工种分7组等时同时循环轮换。

《机械加工基础》3 学分，48 学时，是工科机械类和近机械类专业必修的大类平台课程，是工科学生学习和掌握各种机械制造方法和技能的专业基础课。该课程在工程训练的基础上，讲解各种冷热加工和特种加工方法的特点、应用及工艺知识：1）金属材料的基本知识；2）铸造；3）金属塑性加工；4）焊接；5）金属切削加工基本知识；6）金属加工机床基本知识；7）常用切削加工方法；8）特种加工与精密加工技术；9）典型表面加工。

《工程训练》是《机械加工基础》的实践课，一般先进行《工程训练》，至少半年后再进行《机械加工基础》教学。

1.2 现有教学体系存在的问题

现有教学体系不太适合以学生为中心，尤其在顶层设计上，与我国工程教育改革方向——“新工科”的内涵差距较大。主要问题如下：

1.2.1 《工程训练》与《机械加工基础》配合不好

学生初次接触工程知识、工程实践，这与以往的学习方法、思维差异很大，所以学生对工程科学知识的学习、工程实践的实践感觉生硬，难理解，难掌握。《工程训练》与《机械加工基础》是两门独立课程，并且教学间隔至少半年，造成讲课与实践结合不好，重复讲解与脱节。往往实践后学生都忘记实习内容了才上理论课，理论与实践不能很好的印证。《机械加工基础》课程好多内容仅课堂讲解学生理解也极为困难，把理论与实践结合起来学习效果会更好。

1.2.2 《工程训练》与《机械加工基础》都易产生相似障碍[8]

两门课程包含的工程知识和工程实践内容广泛，好多内容结构相似，而课时又少，教学只能同时或接着进行，因此易产生相似障碍。

1.2.3 工程训练按工种分7 个组等时同时循环进行，忽略了工艺综合主线

工程训练按工种分7 个组等时同时循环进行，造成各工种教学量松散不一，灵活度差，忽略了学科的综合性、交叉性与实用性（这是新工科更强调的）。实习以单个工种甚至单个工序为主，多是专项工程训练[9]，忽略了工艺综合这条主线，即产品的完整生产过程。

比如小锤的生产，实际生产过程包括设计、工艺制定、锻造、锤头制作、锤柄制作、热处理、表面处理、质量检测等等，而实习一不是产品的完整生产过程，比如缺工艺制定、缺热处理、缺质量检查等。第二点实习分7 个组同时进行，必然不会按生产工序进行，造成学生没有锤头、锤柄就会进行热处理、表面处理实习。

1.2.4 教学学时少，工程训练不能新开教学项目

实际生产工程实践项目很多，但教学学时少，工程训练主要是认识性的[10]、专项性的，讲课比重大，动手少，缺少大工程性工程训练，缺少高新技术工程训练，缺少开放性工程训练，缺少大视野性工程训练。

1.2.5 学生自主性低，没有选择空间

教学内容都是必修的，没有选择空间，不利于自主选择能力的培养。

2 零距离教学体系

针对现有教学体系存在的问题提出零距离教学。教学以学生为中心，以新工科建设为导向，将《工程训练》与《机械加工基础》两门课按一门课设计进行。图1 为零距离教学体系。教学由课程导入、理论授课、基本工程实践和开放性工程实践四大模块构成。以高新技术、大工程、创新、实用性、开放性、大视野为出发点，讲课与实践同时交替进行，实现五个零距离：理论与实践紧密相结合；理论课与实践现场教学；学生与问题、与兴趣零距离；教师与实践教学零距离；学生组成学习小组互帮互学。基本工程实践为必修，开放性工程实践可以选修其中的项目也可自拟项目。

3 工程理论与工程实践不脱节

3.1 工程理论与工程实践紧密相结合

工程理论与工程实践不脱节，首先工程理论课要与工程生产实际紧密相结合，授课内容要与时代相衔接。工程教育要配合国家重大战略的实施和经济发展需要。我国正深入推动实施“创新驱动发展”、“互联网＋”、“网络强国”、“京津冀协同发展”、“一带一路”、“粤港澳大湾区建设”等重大战略，以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济正在蓬勃发展。而现在，高等工程教育中存在着课程内容、教材与日新月易的时代变化、快速发展的工程技术严重脱节的问题。授课内容要与目前工业相吻合，不讲授落后、无用的知识，以高新技术、大工程、创新、实用性、开放性、大视野为出发点，讲解各种实用冷热加工和特种加工方法的特点、应用及工艺知识，加强3D 打印，工业自动化，表面处理，质量检测与控制等方面的内容，注重信息技术、质量检测与控制、软件设计、表面处理等与综合性工程训练的有机结合。拓展云计算、大数据、移动互联网、新材料、新能源、生物工程等。

图1 零距离教学体系

工程理论与工程实践不脱节，还要保证理论课和实践课紧密相结合。这也是两门课按一门课设计的重要出发点。《机械加工基础》基础的、重要的、难懂的知识点都要设实践教学，包括工程训练和实验。学生通过工程科学知识的学习，工程实践的训练，使理论与实践能很好的印证，促进学生理论联系实际、学以致用，以便走上工作岗位后能尽快地适应工作的需要，能用所学的基本原理和方法分析实际生产技术问题，培养和挖掘创新能力。

3.2 讲课与实践同时交替进行

无论是工程理论课还是工程实践课对学生来说都很生疏，与以往的学习习惯和方法差异很大。文献［11］指出高校工科课程体系存在的最大问题是课程体系与实践教学体系的有机结合不够，不仅这两个体系的建构主体很多时候不一致，而且出现相互脱节的情况。

零距离教学是现场教学，理论教学与实践教学同场地，即在工程训练的现场或与现场近在咫尺的中心教室进行。两门课按一门课来设计讲课、实践，实践以工程训练为主，也包括实验。理论课与实践课紧密相结合，互相印证，互相促进。

讲课与实践同时交替进行：以教学效果为出发点，理论授课与实践课可随时无间隙互换，或同时进行，或相隔一定时间。学生即可可以印证和理解教学相关内容。理论课难懂的、重要的、常见的知识点尽可能开设实验、工程训练。比如以往讲解铸件薄壁处先冷却受压应力，厚大部位后冷却受拉应力，学生很难理解，零距离教学时讲到此处即可浇注铸件测试铸件冷却过程应力变化情况。再比如对砂型铸造造型有关内容，主讲教师可现场操作并讲解相关知识。主讲教师实操使讲课变得生动直观，教师的高水平操作或失败的操作都可能会令学生终身难忘。

零距离教学从宏观上容易控制教学内容、教学时间，避免重复讲解，解决教学时间安排不协调，理论与实践结合的不好，相似障碍等。真正实现“教中做，做中学，做中教”。

3.3 主讲教师参加实践教学

传统上理论课和实践课教学任务是有不同的教师担任。我国课程主讲教师一般不参加实践教学，原因包括：1）不重视实践教学，认为上实践课与身份不符；2）没时间；3）对实践不熟悉。这带来很多问题，尤其年轻教师没有工程实践经验，问题更严重。而《机械加工基础》涉及的工程领域广泛，没有实践经验讲课没有底气，讲得对错都无法确认；还有主讲教师参加实践教学能发现实践教学存在的问题，改进课程进程，优化教学过程；另外，主讲教师参加实践教学可增加实践课的理论水平。而卓越工程师必须由工程经验丰富的教师来培养，这些教师有教学理念，有工程理论水平，尤其能胜任“工程范式”[12]的教学。零距离教学要求授课教师能指导所授课的实践教学，并且要高水平。要有理论课主讲教师、教授、副教授、高级工程师、博士不能带工程实践就不是一个合格的教师的理念。

4 以学生为中心

零距离教学从顶层设计到每个教学项目都以学生为中心，提高学生对教学内容的兴趣。当然，保证工程理论与工程实践不脱节是最大的以学生为中心。《工程训练》与《机械加工基础》按一门课设计进行，主讲教师4 名，冷热加工各2 名。首先，四个班学生同时一起上课程导入。

4.1 教学导入

教学导入可分为课程导入，课堂导入，即时导入。课程导入是一门新课的序幕，课堂导入是一节课的进入引导，即时导入是授课中对一重要内容所设计的引入。

课程导入包括如下内容：

1）《工程训练》与《机械加工基础》教学内容、教学目的；

2）教学理念和教学进程；

3）教学安排、主要规章制度及安全教育；

4）唤起学生对工程实践和工程理论原有认识的安排。

教师言简意赅告诉学生：

1）两门课程主题是什么，如果他们完成任务会有什么收获——教学内容、教学目的；

2）教学路线图，怎么能做好、学好——教学理念和教学进程；

3）教学安排、主要规章制度及安全教育。这一条很重要。培养学生遵章守纪的学习态度，工程实践务必安全第一；

4）唤起学生原有认识——对铸造、焊接、工程材料、车削、铣削、刨削等实践和理论的原有认识和原有经历。

课程导入前3 项结束后，学生分别进入各工种了解情况，学生观察各种典型的工件、材料（不同工艺、不同材质）共计10 余种，自己判断材料、工艺（用自己语言填表）；观察铸件生产过程，包括教师造型过程示范，整个过程教师一言不发，学生用自己语言完成框图（描述铸造生产过程）见图2；观察车床加工、铣床加工、刨床加工，学生用自己语言完成框图，标注工件、刀具的运动方向，分析工件的加工。

图2 根据观察填空

主讲教师在讲课时，应引用并提及学生的原有认识、他们的语言。加布里埃莱.莱曼说“要去学生站的位置迎接他们”。希尔伯特.迈尔建议把原有认识理解为学生的原有知识、态度、兴趣范围和立场的总和[8]，我认为还要包括原有的观察总结力。理论课讲授铸造生产时，先从图2 开始讲起，肯定同学的工作，指出错误，填入正确的名称，讲解标准定义，然后再从简易生产框图扩展到完整的生产过程。讲授车床加工过程、铣床加工过程、刨床加工过程时，先纠正框图的错误，然后大家分析讨论机床所能进行的相应加工。

除了课程导入，在教学进程中重要节点都要有导入。比如学生铸造造型实操后，让学生测试、并计算机绘图画出浇注系统包括铸件图，学生刚结束《工程制图》课，这可以温故、练习、巩固所学并深化确认课堂成果，而下堂课教师新的讲课内容浇注系统从此开始，引导学生转向计划好的教学进程。

4.2 培养学生自主选择能力

生产上工程实践项目很多，但教学学时少，原教学体系只能开出少量、固定的实践项目。零距离教学实践教学包括基本工程实践和开放性工程实践，基本工程实践是必做的教学内容，而开放性工程实践包含的教学内容、数量从理论上可以无限多，因为开放性包括部分开放和全开放，全开放学生可自拟题目。

部分开放性工程实践学生自主选择课程、上课时间、指导教师，解决了‘课时少，内容多’，“不感兴趣”的矛盾，培养了自主选择能力。自主选择能力包括主动性和选择能力两方面。主动性是富于创造性人们的主要特征[13]。选择能力也极其重要，学生不安于习俗，要有选择与决断力。学校应提供给学生更多有意义的选择机会，教学内容为必修，不能为学生展示各种可能性，以利于自主选择。要引导学生按着自己的学习目标和兴趣根据所掌握的信息去理性的、承担责任的进行选择。

4.3 学生与问题、与兴趣零距离

从宏观上及微观上注意提高学生对教学内容的兴趣。课程体系的设计保证了学生与问题零距离，与兴趣零距离。

首先两门课按一门课设计进行，教学内容以高新技术、大工程、创新、实用性、开放性、大视野为出发点，学生更感兴趣。第二构建了基本性和开放性两大实践教学模块，建设以产品、实际生产、校园文化和兴趣为主的工程实践平台，学生可以根据自己兴趣增加选择空间，有许多教学项目需要学生独立（或小组）完成。第三课程导入精心设计，增加学生好奇心，学生在认真观察中会发现问题、提出问题。第四教学过程中注意让学生张口、动手、用脑，主动探索，大胆提出问题，大胆质疑，成为学习的真正主人。

实习前先让学生自由参观工程训练中心现场，并要求每个学生提一两个问题，否则教师提问学生问题。

消失模铸造集塑料、机械、计算机电子、铸造、化工为一体，是铸造中为数几个可以实现自动化生产的工艺，也是发展中的技术，学生可直接面对科研难题和创新问题。实践教学可经历完整的消失模铸造生产过程（现有实习工艺不完整），含设计（包括计算机设计，图3 为学生计算机设计的作品）、模样制备（包括机械加工、发泡成型、手工加工等，图4为学生加工的可乐瓶底模样），熔炼浇注，质量检测，表面处理等，是大工程训练项目。实习时先给学生展示消失模铸件花生，见图5，该铸件中空且有可动的仁，学生会很感兴趣地去探讨、去争论，从而发现所提出的制备方法存在的问题。能发现问题，提出问题是学习能力的核心。美国教育家布鲁诺说：“最精湛的教学艺术，遵循的最高准则，就是学生自己提出问题。”爱因斯坦说：“提出一个问题，比解决一个问题更重要。”学生能提出问题才能更愿意去思考去解决问题，随着技能和知识的不断增加、融合，用脑的不断训练，学生的能力才会逐渐提高。

图3 最后一滴水（消失模铸造实习学生计算机设计作品）

图4 数控加工的可乐瓶底泡沫模样

4.4 同学组成学习小组互帮互学

学生组成学习小组可获得好的教学效果这是实践已经证明的[8、14]。当然，在工程教学中尤其工程实践教学中实施小组教学是有其特点的。

1）学生初次接触与以往的学习方法、思维差异很大的学习，多互动可以使学生更快的进入学习。

图5 消失模铸件——花生

2）现在教学本质上还是教师教学生学。比如铸造实习，教师讲一遍造型过程，学生模仿一遍，即使学生造型操作很好，这样也很难让学生变得独立自主，有创造性。当然，工程实践的特点决定了教师“示范”的重要性。新教学体系的工程实践模块中，设计了一些教学项目由学习小组完成，如活块造型、绳轮造型及手轮造型等，学生相对独立自主地学习、思考、相互讨论、共同研究解决问题的方法。教学中教师不讲解不示范，只引导，最后教师再做总结。

3）小组教学可增加团队归属感。学生在互相合作、交流互动中会逐渐培养起团结精神，增加团队意识。

4）在工程实践教学中学生组成学习小组更为必要。因为，产品的生产需要多人合作才能更好地完成。

5）学生质疑、批判性思维得到培养。教学中学生各自阐述自己的思路、观点，倾听他人陈述和批评，总结各种观点得出新的结论。

6）小组教学尤其要注意安全问题。工程实践教学和机床、其它设备，及生产过程紧密相联系，要建设以学生为中心的安全和文化[15]，不适合小组教学的项目一定不开设。

图6 消失模铸件——凤舞九天

消失模铸造实习，学生3 人一组，根据兴趣设计、制造模样，并浇注作品。学生积极与教师、同伴进行交流与互动，学生互帮、互学、互争论、互促进。教师主要起引导作用，经常鼓励和肯定学生，同时引导学生之间相互尊重与肯定。在小组团队中，同学都显得如此积极、热情、富有责任感，他们共同完成小组任务，收获很大。图6 为学生消失模铸造作品凤舞九天，曾获全国铸艺展赛银奖。

5 结束语

新工科建设可以解决我国工程教育长期以来存在的问题：理论和实践脱节，重知识学习，轻实践、轻能力培养，课程的顶层设计缺少以学生为中心的理念等。培养出能够适应时代并且面向未来、面向世界的卓越工程人才。本文以《工程训练》和《机械加工基础】两门课为研究对象，分析了两门课程存在的问题，提出零距离教学理念。零距离教学体系要点包含如下：

1）两门课按一门课设计进行。

2）教学内容包含四大模块：课程导入、理论授课、基本工程实践、开放性工程实践。

3）以高新技术、大工程、创新、实用性、开放性、大视野为出发点，讲课与实践同时交替进行。

4）课程实现五个零距离：理论与实践紧密相结合，现场教学，理论教师参加实践教学，同学组成学习小组互帮互学，学生与兴趣、与问题零距离。

零距离教学理念要在教学中深入应用，在实践中总结、发展。该理念的主要思想应也适合其它课程。当然，完整支持体系的建立很重要，要加强实验室的建设、管理、开放机制研究[16-19]。