机械专业实验能力培养与创新的教学研究

赵茂俞　蒙争争　张红　田春　王葵

[摘 要] 机械工程专业实验能力训练与创新是高校培养应用型人才的重点和难点。基于德国模块化教学模式的专业实验能力培养与创新的教学模式，结合机械工程专业的实践教学，探索培养学生专业实验能力和职业素质的实践教学环节，注重实验教学内容的专业能力培养与创新导向，培养学生选用解决问题的方法、交流与沟通和自主学习的理念，提高学生的专业实验能力与创新思维，使学生获得适应现代企业岗位的专业素质。最终的结果表明该教学模式达到了教学目标。

[关键词] 模块化教学;专业实验;应用型;自主学习能力;创新

[基金项目] 2018年度合肥学院重点教研项目资助项目“基于科学思维和创新能力培养的机械工程专业实验教学研究与实践”（2018hfjyxm18）

[作者简介] 赵茂俞（1969—），男，安徽巢湖人，博士，合肥学院先进制造工程学院教授，主要从事机械工程专业实践教学模块化研究。

[中图分类号] G642.4   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）43-0058-04    [收稿日期] 2021-01-16

一、前言

学生的实验能力与创新思维是应用型人才培养的重点和难点。传统的教学体系是以课程为基本的教学单位，实验教学内容设置强调应用理论知识。应用型人才的培养强调对学生实验能力和职业素质的培养，注重理论教学内容的实践性、应用性，培养学生的创新思维，要求改变传统的以知识输入为导向的课程体系构建思路，转为以知识输出为导向的教学体系[1-4]。机械专业是非常典型的应用实践类专业，需要从业者具有较强的动手能力和创新思维，而实验是培养学生动手能力的最好途径之一。通过实验，学生能熟悉机械的结构性能和仪器的测试技术方法，可激发出学生的创新意识[5]。美国大学课程中实验设置的一贯原则是以能力培养为主，大部分实验为设计型实验[6]，同时，还有部分验证型实验与探索性实验。要求教师掌握一些探索性实验设计和操作的原则，既要让学生在以他们为中心的探索性学习中有所收获，又要充分发挥教师在此过程中的组织引导作用[7]。在英国高校的工科专业教学中，通过实验教学，回顾并串联所学知识点，让学生以工程师的视角面对实际问题，寻找解决问题的方法和方案，为学生创造了更多的实践机会，激发了学生的主观能动性[8]。

结合发达国家现代大学的实验教学理念，借鉴德国应用型大学的模块化教学模式。鉴于国内高校的实验教学多为验证型实验和部分设计型实验，实验之间的关联度不大，理论与实践之间脱节的问题，以合肥学院为例，探索材料成型及控制工程专业的实验教学实践与创新。

二、我国高校机械工程专业实验教学存在的问题

（一）重理论轻实验，缺乏培养学生的科学思维和创新能力的实验

现在实验课的开设与理论课同步，学完理论后进行实验教学，实验类型单一，缺少设计型、创新型、探索型实验，没有机会对学生进行科学思维和创新能力的培养。通常要求学生在编好的实验报告上撰写实验报告内容，复述实验原理，描述实验过程和记录测试的实验数据。学生以写完报告交差为目的，没有对实验进行归纳、陈述汇报、总结、延伸、反馈。

（二）学生在实验中处于被动地位

传统高校机械专业的实验课通常由任课教师选定实验教学的内容，学生按照指导书中的实验步骤进行实验，所有学生分组完成相同的实验。这样的实验虽然使学生熟悉操作技能和巩固理论知识，但是不能培养学生的科学思维和创新能力。同时，由于学生只能在实验课的时间内进行实验，没有更多的时间对实验内容进行深入的理解，更没有机会对实验中用到的仪器做深入的分析。

（三）实验教学模式不能满足现代大学改革和社会的需要

实验课程考核方式没有针对性。实验考核由预习、考勤、实验表现、实验报告形式组成，对学生的表达能力、实验要解决的理论问题、学生验证自己工程设计的合理性、可行性等考查不足。

实验教学内容陈旧，没有及时更新。有些实验课程内容没有及时反映现代分析测试技术的发展，不能体现科学技术的发展成果。实验教学内容陈旧，不能满足企业项目实验的需求，没有将当前最新的科研成果、最新的工程技术发展引入实验教学中。同时，专业基础理论课程实验和工程技术专业实验课程脱节，没有一条主线贯穿整个课程的实验教学，对学生所学知识点缺少串联，当学生面对实际的实验问题时，不能合理地寻找解决实验问题的方法和方案。同时，对企业项目实验缺少了解，课程实验与企业项目实验要求脱节。

三、模块化的实验教学理念

应用德国应用科学技术大学的模块化教学理念，能解决我国高校机械工程专业实验教学存在的部分问题。基于应用能力培养为出发点进行设计，将选用解决问题的方法、交流与沟通和自主学习能力培养贯穿整个模块的教学过程中，把知识输入为导向的教学模式转变成知识输出为导向，强调以能力培养为目标。当学生修完某模块后，能够获得相应的能力，而这种能力又能促进学生的知识学习、知识应用、方法选用、交流与沟通和自主学习能力。合肥学院先进制造工程学院材料成型及控制工程专业的实验教学理念如图1所示。

四、发达国家大学实验教学经验的借鉴与启示

（一）實验课教学借鉴的教学改革

1.改进和创新实验课教学方案设计。机械专业的应用型人才培养要定位于机械、电子、计算机一体化的应用型工程教育，培养具有扎实的理论基础与基本技能、具有较强的工程实践与技术开发能力的人才，而通过实验教学环节能有效地培养学生的综合能力。因此，从培养机械专业创新型人才的角度出发，在进行实验课教学方案设计时，须考虑从各个方面锻炼学生，使学生真正体会到机械、电子、计算机知识一体化之间的联系。实验内容的选择要尽可能联系实际，既可完成教学大纲的要求，也能培养学生的科学思维和创新能力。

2.建立以学生为中心的实验教学思想。在实验实施过程中，重视发挥学生的主观能动性;在实验项目选择、实验方案设计上，要有利于启迪学生的科学思维和创新能力。改进实验教学方法，建立以学生为中心的实验教学模式，形成以主动式、研究式为主的学习方式，学生实验内容和要求要具有多样性、层次性。将实验课程中形式单一、种类固定的实验项目转变为内容丰富多样的实验方式，以增强实践环节的自主性和灵活性。要求学生在实验报告完成后，对实验的整个过程进行陈述、总结，真正理解所做的实验。

3.理论联系实际，培养学生的工程意识和创新能力。首先，需要任课教师或实验室工作人员具有扎实的理论知识和丰富的实践经验，这对教师自身素质提出了更高的要求。其次，教师对每一个实验都要进行充分的准备，对实验的全过程、使用的仪器设备、测量的数据处理、误差的分析要非常了解。最后，教师本身也要具有创新意识，才能对学生进行科学的引导。要求教师在实验准备中收集大量有关的资料，理论联系实际，使学生深入理解实验过程。自己预先进行分析和实验，尽可能找出不同的方案。要求学生深入理解实验过程，培养学生的科学思维和创新能力，使实验教学环节成为工科类院校培养应用型人才的有效手段。

4.实验教学模式的改革。（1）实验课程考核模式的改革。改革实验考核方案，增加陈述、答辩、小组汇报、设计实验等考核方式。在实验教学考核中，需撰写实验报告，结合口试陈述，根据每个人的水平对同组学生打不同的分数。尝试让学生自己设计一个实验题目，以演讲的形式介绍该实验，作为考核的依据。（2）实验教学内容的更新。以企业需求为目标，满足学生今后的就业需要，从社会对工程技术人才需求的角度来规划工程技术课程体系，重视某一行业或某一工作领域的职业训练，培养应用型人才。

（二）实验教学培养的创新与实践

1.实验教学分析。借鉴德国应用型大学重视学生实验能力与创新思维培养的教学理念。合肥学院材料成型及控制工程专业的压铸工艺、设备与模具设计及模具制造工艺实验课各为6学时的综合型、创新型实验。例如，针对压铸工艺、设备与模具设计实验课程，要求学生设计仿真正交实验，然后确定压铸速度、压力和温度工艺参数，仿真压铸过程，分析凝固过程，获得压铸成型质量数据，并进一步计算获得优化的压铸工艺参数组合，分析其原理，使学生掌握压铸工艺参数值影响压铸质量原因，培养他们的过程意识，启迪他们的创新思维。最终每届学生的毕业设计都能获得校级毕业设计优秀奖，同时毕业后的学生在工作中能很快适应岗位，他们扎实的压铸课程知识及实验技能，能适应现代压铸企业的实际岗位需要。

2.实验教学实践。（1）实验教学理念。为了在人才培养中充分提高学生的实验能力与创新思维，需对相应的实验类型进行合理调整。借鉴选用解决问题的方法、交流与沟通和自主学习的现代国际先进教学理念，贯穿于专业的实践模块教学过程中。结合企业的项目实验要求，学习实验设计的方法和步骤，及时、有效地更新目前的实验指导书，将最新的工程技术发展成果引入实验教学中。将专业基础理论课程和工程技术专业的实验相结合，更新实验教学内容，分阶段、多层次培养学生的实践能力和创新意识。（2）实验教学过程。实验小组会被分配到不同的实验题目，激发了学生创新学习的动力。通过应用已学的专业知识，学生进行实验内容预习学习。同时，要求学生根据布置的任务，通过交流与沟通和自主学习、自主设计实验方案。编写各个项目的实验指导书和实验任务书，按照课程的教学目的，遵循打好基础、循序渐进的原则，制定实验需完成的实验任务。例如，压铸设备、工艺与模具设计模块的实验教学安排内容如下：一是将学生分为2人一组，要求学生独立完成设计实验内容，掌握实验设计方法，培养团队协作精神等实践综合能力。学生需要与前期预备模具CAD课程衔接，掌握现代模具CAD设计的步骤，具备解决模具CAD设计过程中的问题及压铸CAE数值模拟的能力，与其他同学2人一组，科学、合理地设计压铸CAE充填的工艺参数值，确定优化的压铸质量目标。二是要求学生建立压铸成型的三维几何模型，运用正交实验设计工艺参数组合方案，数值模拟压铸成型。要求学生设计计算浇注系统、溢流系统的方案，通过设定压铸件成型的工艺参数，运用正交实验法设计工艺参数组合方案，数值模拟压铸充填、凝固成型，获得多目标成形质量的数据。三是对获得的多目标成形质量数据进行分析，优化压铸模具结构的设计。要求学生对获得的多目标成形质量的数据进行分析，运用正交实验优化设計工艺参数，理解压铸充填、凝固原理，进一步加深认知成型温度、速度、压力等工艺参数对成型质量的影响，掌握优化压铸模具结构设计的方法。四是撰写实验报告。实验报告要具体叙述应用的压铸成型基本原理知识，通过仿真压铸充填、凝固过程，分析压铸工艺参数值对质量的影响度，获得优化分析、计算压铸质量的合理方法。五是汇报与提问。在实验课结束后，及时完成撰写实验报告，学生还需通过幻灯的形式讨论结果，陈述的同学对整个实验要进行详细的讲解。陈述完毕后，教师与同学对相关结果进行提问。通过这一过程，所有学生学会了更严谨地分析数据，保证其真实与可靠性，同时能更好地了解得出的数据，培养学生的创新思维和探索精神。

总之，通过应用知识与理解、知识应用、选用解决问题的方法、交流与沟通和自主学习，达到培养专业人才的实践教学目标。同时，跟踪现代企业对专业人才的岗位需求，调整相应的实验课程设置，修改实验教学内容，改进教学方法与手段、考核方式等。通过一系列的实验实践模块学习，学生在校期间就能融入企业工程技术中，参加企业产品设计与制造。另外，为了进一步改进与验证教学效果，持续提高教学质量，向学生发放问卷进行调研，不断地完善模块教学内容。通过学生评价，验证该模块化课程教学效果和学生的满意度，揭示教育教学的规律。

五、结语

借鉴应用选用解决问题的方法、交流与沟通和自主学习的教学理念，合肥学院材料成型及控制工程专业对实验实践模块教学进行设计，系统训练学生的动手实践能力与创新思维，实现了实验教学内容的重组、教学过程的改革和教学评价方法的革新，促进学生将知识转化为能力和综合素质，提高学生的实际动手能力与创新思维。通过跟踪企业工作岗位内容的实验实践模块学习，使学生在校期间能融入企业工程背景中，熟悉企业工程项目设计的实验要求。因此，应用模块化实验教学模式，重视实践教学环节，能有力地推进实验教育模式的创新。

參考文献

[1]赵茂俞，许泽银，王学军.材料成型专业模块化人才培养方案构建与探索[J].合肥学院学报，2012，22（1）：75-79.

[2]岑盈盈，朱建华.电工电子实习模块化教学模式的构建与探索[J].浙江科技学院学报，2010，22（3）：237-240.

[3]徐理勤，赵东福，顾建民.从德国汉诺威应用科学大学模块化教学改革看学生能力的培养[J].高教探索，2008（3）：70-72.

[4]王娟娟，阙天洋，钱晓晴.浅谈研究生实验课程重要性及有效设置[J].教育教学论坛，2018（49）：219-220.

[5]王锡明.德国应用科技大学实验教学特色分析及借鉴

[J].皖西学院学报，2010，26（5）：42-44.

[6]潘岚.从美国大学课程的实验教学模式谈实验环节的教学改革[J].中国计量学院学报，2001（12）：53-55.

[7]宋怡，周志.由美国“国家科学教育标准”想到的——浅议化学实验教学中的探索性学习[J].化学教育，2003（5）：46-47.

[8]张栗粽，方峻.英国实验教学对培养应用型人才的启示[J].实验科学与技术，2015，13（6）：58-60+78.

Teaching Research on Experimental Ability Training and Innovation in Mechanical Engineering

ZHAO Mao-yu， MENG Zheng-zheng， ZHANG Hong， TIAN Chun， WANG Kui

（School of Advanced Manufacturing Engineering， Hefei University， Hefei， Anhui 230601， China）

Abstract： The experimental ability training and innovation in mechanical engineering are the key and difficult links in cultivating applied talents in colleges and universities. The teaching model of experimental ability training and innovation based on the German modular teaching model is studied in combination with the practical teaching of mechanical engineering. The practical teaching links are explored to cultivate students special experimental ability and professional quality， focusing on the special ability training and innovation orientation of experimental teaching content. The purpose is to cultivate students concepts of problem-solving methods， communication and independent learning， to improve students special experimental ability and innovative thinking， and to enable students to obtain professional qualities suitable for modern corporate positions. The final result shows that the teaching model has reached the teaching goal.

Key words： modular teaching; professional experiment; application-orientation; independent learning ability; innovation