“大工程观”视域下一流机械工程人才培养研究与实践

江桂云 罗远新 李聪波

摘 要：本文探索了机械工程人才培养的“大工程观”内涵，对机械工程人才培养“大工程观”形成过程、课程体系构建、非正式学习能力教学模式、新型工程实践教学体系构建等进行了研究与实践，构建了与一流机械工程专业人才培养相适应的课程体系和培养模式。

关键词：大工程观;机械工程;人才培养;课程体系;培养模式

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑。中国制造转型过程中工程人才结构性过剩与短缺并存，传统产业人才素质提高和转岗转业任务艰巨，而领军人才和大国工匠严重紧缺[1]。传统的机械工程师培养主要致力于某一专业（专业面很窄）领域的技术人才，这类人才对大而复杂的工程产品（如深海探测、大飞机、航天飞船、智能装备、自动化生产线、高端数控机床等）缺乏大工程观系统性认识，成为领军人才的潜力不足[2]。对传统机械工程专业人才培养模式进行升级改造，建设一流机械工程专业，培养具有国际竞争力的机械工程技术人才迫在眉睫。

一、一流机械工程专业人才培养的现实背景

MIT新工程教育推进中心在2018年“The global state of the art in engineering education”报告中指出，中国、印度、巴西等国在本科课程体系结构、内容和讲授方法等方面固化，给予学生实践与创新空间非常有限。同时，单一固化的专业知识架构在很大程度上制约了跨学科的工程创新能力[3]。李培根院士也指出，未来的优秀工程师应该具备大工程观，具备多学科知识和系统认识，工程通常包含多学科的问题，能够从多学科的视角审视某一工程问题[4]。

如何培养具有大工程观的未来卓越工程师，是一流机械工程专业建设面临的首要难题。目前，我国工程教育主要存在如下问题：①工程教育的培养层次、结构体系不适应我国经济发展对工程人才的需求;②传统专业对人才的培养受到学科壁垒限制，窄化了工程人才的知识体系;③专业藩篱，限制了工程人才的大工程观，工程教育缺乏对复合型工程人才的培养;④教学体系不适应工程特点，缺乏对课程的边界分析，仅考虑学科体系的完整性，缺乏适应现代工程特点的变化;⑤工程教育未能有效面向工程实际，工程教育与企业合作不够緊密，校企隔阂阻碍了工程人才的市场匹配[5-7]。

因此，以一流机械工程专业建设为目标，以培养具有大工程观的未来卓越工程师为根本任务，对传统的机械工程人才培养模式进行升级改造，培养具有大工程视野的未来优秀工程师和领军人才，以适应未来我国创新驱动需求和全球化科技工程竞争环境，具有重要的现实意义。

二、机械工程人才“大工程观”视域研究

1.“大工程观”内涵

“大工程观”是由1993年麻省理工学院时任院长乔尔·莫西斯提出来的。他指出，工程教育的改革方向是要使建立在学科基础上的工程教育回归其本来的含义，更加重视工程实际以及工程教育本身的系统性和完整性。“大工程观”的本质就是将科学、技术、非技术、工程实践融为一体，其主要特征是实践性、整合性和创新性。“大工程观”就是“以整合、系统、应变、再循环的视角看待大规模复杂系统的思想”[8]。大工程观包括宏大或复杂工程视野、工程的多学科视野及其所需要的科学基础素养，此外还应包含相应的人文情怀及工程组织素养。

2.机械工程人才的“大工程观”

对于机械工程来讲，大工程观不仅体现在大型复杂工程项目，如航天飞机、舰船、汽车、卫星火箭等，这些项目本身就是大系统、复杂工程，知识领域涉及材料、环境、机械、控制、计算机、社会、工程管理等众多学科。一个小的机械产品也可能成为一个“大”的工程。因为一个小的机械产品完全可能涉及多学科及相应的产业链。例如，齿轮、轴承涉及电子、物理、材料、制造、机械、化学等诸多领域，涉及材料、机械制造、电气、服务等多个行业。

在机械工程人才培养方面，需要研究机械工程师在大工程领域能够解决的工程问题和承担的角色，探讨机械工程科学知识系统范围的制约、多学科交叉与融合机制。例如，高性能齿轮设计分析与制造工程涉及动力学、疲劳设计、切削工艺、塑性成型与热处理、噪声、寿命、润滑理论、接触分析、材料、宏观几何设计、微观修形设计、传动误差等多学科交叉知识，体现了数学、自然科学知识（物理、化学）、工程基础知识（力学、热学、声学、光学、材料科学、噪声、振动、润滑）、机械专业知识（加工、制造、设计方法等）的系统性和综合性、实践性和创新性。齿轮从开发、设计到使用的整个生命周期还涉及到上下游产业链、环境可持续发展工程对卓越机械工程师应具备的资源优化配置、综合统筹能力的挑战。

在机械工程实践中，机械工程师要完成机械零件、产品（或机器）、系统、工艺设计、制造、使用、维护等工程项目。很多机械工程项目都将涉及机、电、液、控制、材料、计算机等多学科知识系统的交叉融合，涉及工程伦理、社会责任，涉及大工程多维度整体论思想，即考虑工程与全球、国家、社会、环境、经济、文化、道德等各个层面的影响机制。因此，机械工程人才培养大工程观是建立在机械工程学科基础上的工程教育，将科学、技术、非技术、机械工程实践融为一体，应具有宏大或复杂工程视野、机械工程的多学科视野及其所需要的科学基础素养、相应的人文情怀及工程组织素养。对于一位优秀的机械工程人员，无论从技术角度还是从产业角度，都需要有对多学科甚至多行业的认知与理解。对于一位机械工程专业学生（尤其是优秀学生），无论未来从事技术、学术、企业管理工作甚至创业，是否具备大工程观乃是其能否真正成才的重要因素。

三、机械工程“大工程观”人才培养路径研究

1.机械工程人才培养“大工程观”形成过程

机械工程人才“大工程观”的形成过程具有四重境界，即工程导论阶段（“迷茫”）、理论教学阶段（“追逐”）、工程实践阶段（“悟道”）和终生学习阶段（“得道”）。

因此，对于机械工程人才“大工程观”的培养，首先需要研究机械工程师应具备的科学基础和宏观知识架构体系，探索科学基础和宏觀知识架构培养的基本方法和实现路径。其次，研究学生大工程知识体系中的尝试实践、理论教学、综合实践等教育模式和方法，探索大工程教育主要环节评价方法与架构体系达成程度。再次，研究工程的人文情怀和工程组织能力达成的教学内容和教学环节，分析氛围环境对其影响机制，探索推动氛围环境改善的措施。此外，还需要研究基本知识架构对自学与自教育能力的影响机制。

2.构建机械工程专业课程体系

依据机械工程师应具备的科学基础和宏观知识架构体系（主要通过课程体系来达成）进行课程设置与教学改革是大工程观教育改革的核心。

（1）按工程过程的基本规律构建课程体系。一般情况下，机械工程过程可划分为产品构思—设计—制造—使用—回收再利用五个阶段，核心在产品构思—设计—制造，因此需夯实基础课程，如数学、自然科学基础、工程基础类课程，特别是工程基础类课程，如力学（工程热力学、热工学、流体力学、理论力学、材料力学、固体力学、应用力学等）、电学（电工电子、数字电路、电磁学等）、材料类科学（工程材料、材料成型技术基础等）、管理类课程（系统工程学、企业管理、市场营销等）。也要加强人文科学、社会科学基础，以实现工程与人文、工程与环境、工程与道德的有机结合，使学生具有较强的发展潜力，增强对不同工程项目的适应性及运用工程的社会属性去分析解决工程问题。

在夯实基础课程基础上，机械工程专业课程体系设置应遵循设计—制造的工程链顺序，按照设计类课程—制造类课程的体系进行布置。设计类课程包括机械制图、机械原理、机械设计、机械精度设计、流体传动与控制、机械工程测试技术基础、控制工程基础、机电系统设计等课程，制造类课程包括机械制造技术基础、数控编程与工艺、精密与特种加工、先进制造技术等。在充分研究基础上，确定合理的课程先后顺序及彼此间的关联。各课程组按工程视域实现螺旋式上升，使学生从认识简单工程、认识中等工程到认识复杂工程步步推进。

在使用—回收再利用工程环节，还可以增设产品生命周期管理、绿色制造、企业管理、现代质量工程等课程，培养学生对产品全生命周期、环境及可持续发展的深入理解，在工程实践过程中追求人与人、人与社会、人与自然和谐相处。这也是高等工程教育的最高境界。

课程设置还应注重多学科交叉，培养学生从全局、系统工程的角度审视工程问题的能力，开设全校性的跨学院、跨学科选课，并规定每个学生必须选择的最低学分。此外，通过设置新兴前沿课程和传统优势专业模块，如智能制造、机器人、机械传动、重型机械、现代制造方向、制造信息化、机电控制等专业模块课程，实现个性化专业方向培养，达到“大工程观”视域下通才培养与专才培养的平衡。

（2）以“意义建构”组织课程，使课程体系从“层状”转向“网状与层状融合”。传统的课程体系设置一般按照公共基础课程、自然科学基础课程、工程基础课程、专业基础课程、专业课程的顺序展开。这比较符合学科体系，但过于注重各门课程自身知识的完备性、系统性和科学性，使工程教育过于科学化。各门课程间的联系较少，缺少工程的系统性和综合性。应在层状课程体系基础上，按工程的系统性和综合性加强课程间的纵向联系及横向联系，形成课程体系的网状结构。

（3）机械类核心课程边界再设计。①按照现代产品全生命周期设计理念，从概念提出—市场调研—方案设计—详细设计—优化分析—可靠性评估—服役性能评估—循环再利用等环节，重新界定机械设计学、机械零件、机械有限元方法、机械精度设计等课程的课程边界，理论教学环节应更加注重力学理论（与材料力学、理论力学的边界）以及优化设计、抗疲劳设计等现代设计方法的融合，实践环节则强调产品全生命周期设计理念。②教学环节应注重制造过程的基础理论，实践环节则注重从大工程观视域提出制造工艺方案，注重工程职业素养、环境可持续发展等在机械制造中的应用。③以统一的机电控制“大工程观”视域分析控制工程基础、机械电气与自动化、传感与测试、机电系统设计、流体传动与控制等课程的核心内容和主要方法，注重各课程间的外在联系，厘清各课程与机电系统工程间的联系。

重庆大学机械工程专业将原有的三大类7～8门课程整合为“机械设计”“制造技术”“机电测控技术”3门核心课程，实现了多门课程的整合。课程边界更加明晰，有利于培养学生的整体性、系统性思维。

（4）加强课程内容“关联”研究。工程专业教育需要培养学生对一些宏观问题、重大问题、事物进行整体联系的观察、感觉和思辨能力。因此，教师需要在教材、教案知识点、问题设计等环节，通过课程集中研讨、跨课程集中研讨等途径，引导学生建立问题空间及知识点间的关联。

3.探索非正式学习能力教学模式

大工程观十分强调终身学习能力和自学习能力，自学习能力是能否具有大工程观的关键。工程教育除了传授给学生必要的专业知识外，还需要在教学的多个环节注重学生自学习能力的培养。

现代教育技术和教学模式为学生提供了培养自学习能力的机会。探索学生自学习能力培养的途径包括：通过MOOC/SPOC等网络资源、仿真系统、VR/AR虚拟教学等环境下的非正式学习模式（如图1），研究碎片化知识体系形成的新模式;通过可汗学院等学习模式，引导学生学习课外知识点，使学生快速掌握基础理论知识，培养其终身学习能力;在实践环节或实际问题中培养学生对未知问题的学习和解决能力;通过小组协作和同伴学习模式，借助学生成绩等大数据，建立分组学习模式。

4.构建新型工程实践教学体系

回归工程教育的核心在实践，本质是回归工程实践。传统实践课程体系重心在实践，但缺乏按照工程项目思路规划学生的实践过程，解决工程项目问题的环节单一。工程实践应该从“工程链”的各个环节出发，工程实践教学体系应包括核心系列课程工程实践项目设计，以及对传统的电子实习、生产实习、毕业设计进行升级改造，构建创新实践平台。

（1）核心系列课程工程实践项目设计。根据核心课程体系与学生知识掌控能力，借助工程项目驱动，促进学生知识运用能力和关联力的构建。我们采用系列课程工程实践项目设计，建立了“工程学导论”“机械制图”“机械原理及设计”“机械制造”“机电测控”五个大的课程实践项目设计。除工程学导论外，其余四个课程工程实践项目力求与企业深度融合，课题尽量来源于企业需求，将企业课题与学生创新思想探索课题相结合。这五个课程实践项目从工程链视角出发，依据产品构思—设计—制造，并考虑运行、维护、再利用及回收处理等环节，从元器件购置及制作，到产品装配、调试及运行，实现真正生产意义上的工程项目设计。

上述每个课程实践项目设计都是以学期或学年为单位，从选题、分组到开题、中期报告、结题验收、产品运行、展览等环節，学生全部按照工程项目的实施进度、实施办法、项目管理及结题验收流程进行运作，将科学、技术、非技术、工程实践融为一体。通过这种工程设计，整合理论教学与实践教学，从而真正形成大工程观视域下的工程实践教学体系。

（2）升级改造电子实习、金工实习、生产实习和毕业设计等工程实践。如果把传统的电子实习、生产实习和毕业设计称为“工程实践1.0”的话，那么可以将新型的电子实习、金工实习、生产实习和毕业设计称为“工程实践2.0”。例如，由于学生人数众多，传统的生产实习更多的是生产工艺的参观实习，学生的工程实践获得感不够深刻。新型的生产实习将原来的大规模参观划分为多个小组甚至到个人，按工程链流程规划学生的生产实习任务，由学生带着任务，在企业中顶岗实习（具体岗位+产品开发设计制造，学生在实习期间还能获得一定的补贴）。

（3）构建创新实践平台。重庆大学机械工程专业以“机械基础及装备制造国家级虚拟仿真实验中心”“机械基础国家级实验教学示范中心”“机械工程一级重点学科和机械传动国家重点实验室”为基础，联合长安汽车股份有限公司、重庆固高科技长江研究院等企业进行产学研深度合作，开展3D打印机设计制作、机器人科研训练、测控科研训练、智能制造科研训练、无人机科研训练、无碳小车科研训练，举办先进制图大赛、机械创新设计大赛、机器人大赛等多层次的学科竞赛，搭建跨学科创新实践产学研实训实习平台，为人才培养提供科研与教学实践开放基地。同时，结合前沿科学研究和重大工程实践，动态设置跨学科实践教学团队，增设跨学科专题训练、科研项目训练环节，注重培养学生机械创新设计能力和解决复杂工程问题能力，促进学生创新实践能力持续、递进提升。

参考文献：

[1] 王沛民，孔寒冰.我国高等工程教育需要整体反思[J].中国高等教育，2001（5）：28-30.

[2] 李培根.工程教育需要大工程观[J].高等工程教育研究，2011（3）：1-3.

[3] Duderstadt J J， Michigan U O， Project M. Engineering for a Changing World： A Roadmap to the Future of Engineering Practice， Research， and Education[J]. Journal of Engineering Education， 2008， 97（3）：389-392.

[4] 李培根.工科何以而新[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：1-4.

[5] 朱高峰.中国工程教育的现状和展望[J].清华大学教育研究，2015（1）：13-20.

[6] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[7] 李拓宇，李飞，陆国栋.面向“中国制造2025”的工程科技人才培养质量提升路径探析[J].高等工程教育研究，2015（6）：17-23.

[8] 谢笑珍.“大工程观”的涵义、本质特征探析[J].高等工程教育研究，2008（3）：35-38.

[基金项目：（1）重庆市高等教育教学改革研究重大项目“一流机械工程专业人才培养供给侧改革研究与实践”（181016）;（2）重庆市高等教育教学改革研究重大项目“教育教学环节与能力培养的映射关系研究与教学实践”（1201034）]

[责任编辑：夏鲁惠]