基于新工科的校内外协同育人模式探索与实践

刘莹 阎绍泽 殷皓

摘 要：为培养适应新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，清华大学设立了机械工程专业实验班，并基于“产品工程化设计实践”核心课程，开展了校内外协同育人模式的构建与实践。本文对这一模式的教学目标、教学设计、校外实践基地建设、校内外指导教师团队建设等进行总结，为机械工程专业新工科建设提供参考。

关键词：新工科建设;校内外协同育人;工程教育;卓越工程人才培养

当前，世界范围内正加速推进新一轮科技革命和产业变革，以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展，迫切需要培養一大批创新型卓越工程科技人才[1]。2017年，麻省理工学院（MIT）提出了“新工程教育”计划（NEET），旨在为21世纪中期培养建造新机器和系统的卓越科技人才[2]。我国于2017年先后推出“新工科”建设的“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，旨在建立中国工程教育的新范式，营造开放的教育生态，鼓励多学科交叉融合、产学/校企深度融合，发挥体制优势，打造全链条的个性化培养方案，支撑“面向未来工程人才培养”[3]。高校新工科建设理论研究与实践探索为我国工程教育改革和卓越工程人才培养提供了理论依据和实践指南。然而，新工科建设要取得真正的成效，仍需要高校每门课程的具体设计与实施。本文以清华大学机械工程系重点建设的“产品工程化设计实践”核心课程为例，系统阐述新工科背景下校内外协同育人教学模式的构建，为机械工程专业实践课程改革提供借鉴和参考。

一、“产品工程化设计实践”教学目标

为培养适应新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，清华大学开展了机械工程专业培养方案的改革，专门将一个班作为实验班进行教学改革试点。面向机械工程发展的未来，致力于培养具有扎实科学理论基础、创新精神、国际视野和系统性思维，具备综合应用机械领域及相关学科的理论与方法解决未来重大科学问题和工程挑战的引领人才。

过去，机械设计综合实践课程的主要教学内容是：学生按照教师给出的题目开展设计实践，绘制装配图和零部件图，撰写设计说明书。这一传统教学模式属于“纸上谈兵”，割裂了理论教学与实践教学的联系，忽视了对学生实践动手能力的训练，缺乏探究性实践学习环节，很难培养出面向新工科的、具有鲜明机械工程特色的高水平创新型工程技术人才。为了适应新工科建设的需要，我们开设了“产品工程化设计实践”课程。该课程是实验班培养方案中重点建设的综合设计实践类课程，安排在学生修完机械制图、机械设计与制造等技术基础课程后进行。

依据“创新教育模式、激发学术志趣、提高培养质量”，以及价值塑造、能力培养和知识传授的“三位一体”的培养理念，我们提出了“产品工程化设计实践”课程的教学目标：综合利用机械设计、机械制造和工程材料等多学科知识，通过团队协作，设计并制造一台真实的产品原型机;开展样机性能测试，进一步完善设计。以“真实产品原型”为对象，就是引导学生在专业学习的同时，关注人类社会生存与发展问题，结合工程实际需求，在设计与制造过程中解决遇到的各种挑战，掌握面向产品设计需求的多学科交叉融合知识，培养自主学习能力，以及产品设计和制造能力。

二、“产品工程化设计实践”校内外协同育人教学模式

目前，我国工程专业的多数教师缺乏工程实际经验和对现代企业高端装备的了解，难以满足指导学生在新工科背景下开展机械设计教学的需求。同时，现有实践课程体系中缺乏学生课外实践活动的场所，校内外协同育人的力度不够，导致学生工程化设计能力和创新设计训练水平不足。为了解决上述问题，我们探索实施了“产品工程化设计实践”校内外协同育人模式。

1.建设校外实践基地

通过对北京周边地区从事产品研发的企事业单位调研，并考虑协同育人的可能性，我们最终选定中国科学技术馆作为校内外协同育人实践基地。中国科学技术馆是我国唯一的国家级综合性科技馆，是实施科教兴国战略、人才强国战略和创新驱动发展战略，提高全民科学素质的大型科普基础设施，承担着从原始机械到现代复杂机械系统的“科普物理样机”研发工作，中国科学技术馆有多位实践经验丰富的高级工程师。

学生通过在中国科学技术馆参观学习科普展品以及与科技馆工作人员交流，了解科普展品物理样机创新设计的挑战度，了解机械工程发展历史，并受到科学精神、科学思想和方法的熏陶。因此，“产品工程化设计实践”课程具有更加开放的学习模式。开放的学习模式，促进了学生多维互动，培养了学生与各种角色人员的交流沟通能力，以及创新设计能力。

2.组建校内外指导教师团队

“产品工程化设计实践”课程是清华大学与中国科学技术馆的“共建”课程。指导教师团队由清华大学教师和中国科学技术馆内专业技术人员组成，校内支撑平台是清华大学机械工程国家级实验教学示范中心、工程训练国家级实验教学示范中心及清华大学与中国科学技术馆展品创新设计实践基地，校内指导教师团队由讲授机械设计、机械制造和工艺课程的机械工程系、工程训练中心的教师组成。通过“共建”，中国科学技术馆为学生提供了产品设计需求调研的场所和对象;馆内专业技术人员全程参与指导，使学生了解工程实际需求，真实融入产业设计的情景中，使学生实践成果真正受到“用户需求”的最终检验，获得竞争意识的真实体验。

在课程教学中，校内外指导教师分工明确。校内教师指导学生在设计实践过程中的设计进度，传授设计方法，对技术路线和关键技术中的难点“答疑解惑”，指导学生加工制造零部件和装配调试整机。中国科学技术馆指导教师对科技馆原型机展品设计非常熟悉，十分了解机械科技发展史，尤其是不同历史时期及当今机械科技的核心创新之处，可以启发学生创新思维，引导学生创新设计实践。

三、“产品工程化设计实践”教学设计

“产品工程化设计实践”课程4学分，在学生修完机械制图、工程材料、机械设计与制造等技术基础课后安排进行。根据学生的兴趣成立若干小组，每个小组有4～5人。

“产品工程化设计实践”课程的设计载体是科普展品物理样机的创新设计。因此，在课程内容设置上，我们建立了机械学科内的知识“纵向融合”以及与其他学科知识“横向融合”相结合的课程内容体系（见图1）。学科内知识主要涉及学生前修课程，如机械制图、工程材料、机械设计与制造、测控技术等。由于是具体展品物理样机的设计，相关工作必然涉及其他学科知识，如管理学（设计过程管理、成本预测等）、设计方法学（人因工程、可持续发展、环境友好设计理念）及社会科学（美学、心理学等），这就要求学生在设计实践过程中开展自主学习，并灵活应用相关知识。

下面介绍“产品工程化设计实践”教学设计中的具体改革举措。

（1）选题。根据中国科学技术馆展品设计研发主题，由学生通过对馆内观众及科技馆展品设计中心专业技术人员广泛调研后自主选择，通过中国科学技术馆专家委员会的答辩审核后立项，并确定设计小组的选题。最终“展品物理样机”还要经过中国科学技术馆的专家验收评审。

（2）专题讲座。为使学生在科学方法指导下，顺利完成调研、立项、结题等各环节工作，我们在课程中为学生安排了相应的专题讲座。例如，在用户调查环节，请中国科学技术馆专家开设讲座，以丰富的实例，讲解调查问卷设计的目的、方法及技巧、调研过程中对不同受访对象的交流技巧、调研结果的科学分析与归纳方法等。

（3）设计小组同学间的团队协作。本课程要求学生以团队合作形式，完成展品设计中的现场调研、小组研讨、阶段成果汇报及最终的作品展示。因此，我们在教学中引入管理学中有关团队建设的科学方法，引导学生明确团队成员角色及任务，制订团队工作计划，建立团队学习日志，增强团员之间的沟通与交流技巧等。通过学生探究性学习和实践，有序推进设计工作。例如，学生在设计直流发电装置时，根据理论分析和计算完成了发电装置的设计制作。但是，发电装置进行实际测试时并没有达到预期输出电压，学生小组反复核算，均未发现设计问题。针对这一情况，指导教师与同学们共同研究分析，并逐项对主要结构参数、材料等进行检查，最终发现，由于换向器使用了铝合金材料，其表面氧化形成的三氧化二铝影响了其导电性能。于是，通过更换导电性更好的材料后，装置性能得到了改善。通过亲身实践、自主学习和探究，学生们不仅掌握了科学解决问题的一般思路，重要的是形成了在团队学习中独立发现和解决问题的能力。

（4）校园外的开放式学习。本课程教学要求学生走出校门，接触真实的社会，学会与各类不同角色人员进行互动及沟通。以设计人体耳蜗模型为例。该展品旨在通过使观众了解耳蜗构造与声音获取的工作原理，提醒观众关注噪声污染，保护听力。作为机械工程专业的学生，他们对耳蜗构造及传声原理缺乏系统的认识。另外，针对科普展品趣味性、互动性的需求，如何形象生动地表现耳蜗构造中对不同频段声音的处理原理，也是展品设计过程中的难题。于是，学生通过走访耳科医生、查阅相关书籍等，获取了耳蜗相关知识，经过师生间反复研究和论证，最终提出了用看得见的“光”的强弱反映看不见的“声音”的频率，取得了良好的效果。

在展品物理樣机制作过程中，学生还需要针对展品零部件的可获得性、可制造性等，与供货商、制造商进行沟通和交流。在制造、安装和调试阶段，教师带领学生深入到制造车间，与工人师傅与技术人员近距离接触，更真切地体会设计与制造之间的关系、理论与实践之间的差距。

这些训练环节改变了传统的灌输式教学模式和封闭式训练模式。学生通过与客户、供货商、制造商和专家学者的多维互动，自觉发挥了他们的主动性和创造性，提升了自身的沟通与交流能力，学会了从事设计工作的科学方法，锻炼了独立发现问题和解决问题的能力。校内外协同育人模式不仅有助于学生树立正确的设计理念，也使学生受到工程文化素质教育，培养了学生的职业道德和社会责任感。

（5）考核评价。本课程考核以学生在产品设计制造全过程中综合能力的养成为主要依据，建立了多元考核的过程评价方法，学生成绩由5个部分组成：开题报告占总成绩的15%，按小组开题报告水平评定成绩;设计资料，包括产品设计说明书、施工图纸、源程序等成绩，占总成绩的40%，分别评定小组成员的成绩;制作环节及性能调试工作，占总成绩的20%，分别评定小组成员的成绩;成果提交答辩、演示、专利撰写，占总成绩的15%，按小组给成绩;课外出勤及讨论情况，占总成绩的10%，成员分别给成绩（包括学生之间的互评）。

过程性评价关注学习过程和非预期结果，是对学生学习动机态度、过程和效果进行的三位一体评价方法[4]。教学实践表明，这种评价方法注重学生的成长过程，增强了学生勇于尝试、敢于创新的意识，比较适合“产品工程化设计实践”课程的开放式教学模式。

四、“产品工程化设计实践”教学效果

本课程基于科普展品物理样机创新设计与制造，历经四年教学实践，以培养未来引领式产业人才为目标，提升了学生自主学习的能力，使学生受到系统的工程思维与实践的训练，培养了学生工程专业能力和工程文化素养，拓展了学生工程视野。

本课程构建了多学科交叉与融合、多维互动开放式实践教学模式，架起了学校与产业之间的桥梁，建立了基于新工科的产品工程化设计实践课程校内外协同育人模式。不仅取得了良好的教学效果和学习成效，获得清华大学本科生精品课程荣誉称号，而且也为中国科学技术馆科普展品创新设计提供了新途径，实现了协同育人的互赢。

“产品工程化设计实践”课程校内外协同育人模式对任课教师的教学与科研综合能力提出了挑战。指导教师不但需要投入较大的精力引导学生掌握正确的科研方法与工程实践过程，还需要不断学习新知识、新技术，拓展和更新自身的知识体系以适应多学科交叉融合的科普展品创新设计需求。因此，需通过组织高水平的教师团队，并制定专门的教师业绩考核机制，以保证此类实践课程新教学模式的实施与可持续发展。

参考文献：

[1] 陆国栋 . “新工科”建设的五个突破与初步探索 [J]. 中国大学教学，2017（5）：38-41.

[2]刘坤，陈通.新工科教育治理刍议[J].中国大学教学，2020（1）：37-41（转64）.

[3]顾佩华.新工科建设发展与深化的思考[J].中国大学教学，2019（9）：10-14.

[4]吴维宁.过程性评价的理念与方法[J].课程 教材 教法，2006（6）：18-22.

[基金项目：教育部新工科研究与实践项目（第二批）：新工科背景下机械基础课程体系重构及综合实践示范课程建设]

[责任编辑：夏鲁惠]