基于工程问题导向的机电类专业课程项目库的建设和应用**

亚森江·白克力 ，吐尔逊·买买提 ，张佳喜 ，谢建华 ，史 勇

（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引言

研究生群体是国家科技发展的重要储备力量，这要求我们把握时代潮流和国家需要，勇于在关键技术领域开拓创新[1]。新工科建设在“四新”建设中发挥着“智能基座”和率先领跑作用[2]。为贯彻落实习近平总书记关于教育的重要讲话精神，加快新工科建设背景下的内外结合、产教融合是必由之路，新工科需要交叉融合再创新。

基于工程问题导向的教学策略强调以学生为中心，学生以小组为单位解决具有挑战性、开放性的问题[2]。具有企业背景的授课教师或工程师负责适时引导学生，引导学生分析复杂问题的多面性解决思路，学生识别、发现并分组分析解决问题的思路，最终由教师评判解决问题的方案可行性。

新疆农业大学机电工程学院在2021—2022学年针对大三学生“机械制造实习”的课程实践环节采用基于工程问题导向的教学策略，依托新疆农业大学教研教改项目“基于工程问题导向的机电类专业课程群实训项目案例库建设”的支持，对数家新疆本地制造型企业进行调研与座谈，收集并建立工程问题导向案例库，采用线上+线下的授课方式，让机电类学生将他们在大学课堂上所学专业课程与制造业领域的实践联系起来，作为正式实践学习前的一部分引导，项目小组介绍了如何教授学生以及与设计和制造相关的实际工程技能的一个案例研究。目的是帮助机电类专业学生毕业后进入工作岗位前，能够更有准备地迎接专业工程实践的挑战。

1 地方本科院校机电类学生专业能力调研

无论是社会还是企业，都希望毕业生刚入职后就能立即为企业作出贡献[3-5]。毕业生不仅需要掌握专业课中教授的工程问题的解决方法，还要在工作岗位中学习解决问题的思路和技能。要想在毕业后成为一名优秀的工程师，学生们需要将大学课堂上的理论与该领域的实践联系起来。笔者对352名新疆农业大学机电工程学院大三学生和20家新疆地方制造型企业的技术主管进行调研和巡访，其中学生对自我专业知识以及企业对新入职毕业生在机械制图、电路识图、液/气压传动、控制系统等方面的专业知识进行评判。结果显示，学生对自己所掌握的专业知识及解决指定问题的能力过于自信，对所设计的零件如何实际制造和组装成完整的系统缺乏整体综合认识。

1.1 地方本科院校机电类专业人才培养存在不足之处

调研发现，地方本科机电类教育仍存在些许欠缺，主要表现在以下几个方面。

1）机电类专业实践课程的多样性和适用性不足。地方本科院校机电类专业学生具备独立完成规定任务的能力，能在明确规定的任务框架内进行。学生可以提供自己解决问题的方法，但没有理论依据，不具备分析和批判性地理解任务内容的能力；老师在布置每个任务时，并未结合各个任务的关联性，联动相似任务。

2）机电类工程实践性教学缺失和实践教学环节薄弱[6]。学生不知道如何在实际训练中解决实际问题。主要表现：学生认为有些任务不重要，所以实践时学生不能达到正确执行一系列简单任务的要求，又或者他们在实践活动中进行一些不相干的操作。在培训、训练活动中，掌握专业技能的学生数量较少。教师们没有充分理解和评估自我教育的目标和任务，课堂调控能力不高。

3）教师对创新教育和创新训练重视不足。在实践过程中，教师们遵循固有实践模式，而不去分析和批判性地理解任务的用途，更多的是把实践任务当作附带动作。在实践活动中，教师明确规定任务需在框架内进行并清楚阐述实践任务。学生可以提供他们自己解决问题的方法，但没有理论依据。这样学生的自我学习能力薄弱，不利于循序渐进。

1.2 机电类专业人才培养实践课程改革设计

加强机电类专业的实践教学模式改革与创新，实现传统教学方法向新工科教学方法的转变，是有效提高教学质量的根本途径[7]。

1）紧密结合区域政策引导需求，及时调整新工科人才培养体系。实践课程内容设计改革需要立足实践，面向西部的现代机械、农机装备，结合区域特色将“产教融合发展”作为国家级一流本科专业建设推进工程之一[8]，加快普通本科高校向应用型本科的转变，同时推进学校实习实验实训环境、平台和基地建设的转型发展改革。

2）以新疆地方制造型企业实际复杂工程问题为导向，精心设计工程案例库。地方制造型企业的技术需求大多是系统性复杂工程问题的综合[9]，需要不同学科交叉融合，站在宏观的角度去分析解决；面对社会上越来越综合的应用型人才需求，制造型企业在招聘应届毕业生时，也需要多学科实验、多实践背景的复合型人才。因此，走访地方企业，结合科研前沿，在“秾大云上”网络学习平台建立机电类专业工程导向案例库并运用于课堂教学，目的就是与企业用人需求精准对接，以企业需求为导向培养挖掘适合地方企业发展的对口人才。具体授课方式如图1所示。

图1 基于线上—线下工程问题导向授课方式

3）提升师资队伍在工程实践方面的企业经历，打造双师双能型教师人才。实践案例涉及如何按理论课程分解，并以实现教学和学习实践为目的设计教学。在理论课堂上，工程实践的相关元素是独立教授的，通常作为单独的模块或学科。机电类专业的学生通常学习一系列专业模块[10]，与设计实践相关的实践分解，包括子技能的应用，如识别客户需求、识别并遵守相关法规、审查现有和竞争产品、编写清晰简洁的产品设计规范、选择最佳的方案等。这需要教师具有一定的工程背景或者实践背景。

2 工程问题导向实训项目改革及应用

基于工程问题的授课方式是一种工程类实践教学常用的教学策略，学生以小组为单位，在小组中解决具有挑战性的开放性问题。这种授课方式是以学生为中心，由双师型教师或者具有企业工作背景的工程人员承担引导学生全面分析问题的角色。整个教授过程具有如下特点：1）案例的导入是由问题引发的；2）案例产生的问题基于复杂的专业背景和实际情况；3）学生识别、发现并使用适当的背景资源；4）学生们分组工作；5）知识的学习是主动的、积极的、综合的、逐步累积和相互关联的。由于工程问题导向是一种互动式的、引人入胜的教育体验，因此深受学生的欢迎。

2.1 工程问题导向案例库的建立

新疆农业大学机电工程学院机械科学与工程学系课程组，深入走访新疆地方制造型企业，如中粮屯河番茄有限公司、新疆溢达纺织有限公司、新疆众和股份有限公司、特变电工股份有限公司、上汽大众新疆汽车有限、钵施然农机有限公司等数十家本地制造型企业。调查、整理、汇总典型工程问题，并经过课题组研讨、筛选、组建了典型工程问题案例库，运用于先期实践教学。案例库定期更新，已实现与企业的紧密联系。案例库的教学由具有企业工作背景的“双能”“双师”型教师承担，前期的实践教学对象为机电工程学院的机电类专业“力行班”（拔尖班）的学生。案例库实践教学改革，致力于培养掌握机械工程自动化基础知识、农业装备构造原理、作物生产基础知识、农机运用管理知识、专业技术知识，具有在农机应用管理、农机设计制造两个应用型领域解决专业问题能力的人才，尤其是适应基层工作环境、具备较强技术整合和动手能力的适应企业行业发展需求的高素质复合应用型人才。

案例库每组案例的设计包括使用增材制造、激光切割、钣金成型、铣削和车削工艺，适当的机电元件和控制器设计，传动机构设计能力、执行机构选型能力、PLC或单片机编程开发能力、机电一体化设计综合能力。将案例库教学贯穿于“机械制造实习”的综合性实践环节，以实际工程问题为导向，与学生所学的理论课程相结合，如机械、电子、计算机技术、控制理论、信号检测技术、材料科学等，培养机电类学生机电一体化意识和分析实际复杂系统问题的能力。

2.2 工程问题导向案例库的应用及评价

以工程问题导向案例库的授课方式主要解决以下几个方面的问题：1）介绍工程设计过程的主要步骤，以及如何成功地利用这些过程；2）个人如何在团队的工作中发挥作用，以实现共同目标；3）如何通过工程设计过程使用的管理工程工具来解决问题；4）如何进行书面或口头的沟通，并将所设计内容信息准确清晰地传达给他人。实际上，这些内容正是“工科学生的工具箱”，这些目标通过单独思考、任务分工、课堂活动来实现。

案例库中的7个案例难度逐渐增加，用于逐步引入某些概念或者技能，学生需要在整个实践学习过程中使用这些概念或技能。目的是逐步建立他们的技能储备，此外，每个项目都侧重于一些特定的专业知识主题，如结构设计、材料力学、流体力学、液压传动或热力学等。每个后续案例都强调新引入的技能。任务初期以线上作业的形式开展，可以以个人或小组的形式在几个小时内完成，每项任务的难度相对较低。后续任务复杂度上升，每次作业的难度也越来越高，需要更多的思考和创造力，其中就包括工程设计过程的使用和有效的团队合作，如口头、书面和图纸的交流。最终的综合项目需要使用所有这些关键技能才能成功完成，需要更多的理论知识和更强的团队协作能力。

在案例教学开始前，教师首先总结该案例所涉及的所有知识点，形成理论上的课程体系，提前做好案例的准备工作。通过案例分析，学生可以提前在“秾大云上”预习与案例相关的知识点，为课前做准备。然后在课堂上以小组为单位讨论案例，引出相应的知识点，带学生回顾专业课中相关的知识点，加深学生对知识点的回忆理解。在实验室或实习场所面对现有设备进行案例分析和讨论。与此同时，使用多媒体课件、图像或视频形式，结合理论知识教学，更紧密地将实际摆在学生面前。在案例设置的过程中，穿插一些小实验可以加深学生对知识的掌握程度。授课结束后，通过案例驱动的课程设计和后续毕业设计，强化学生的专业基础，提高学生的系统设计能力，形成以实践为一体的立体化教学。

授课期间发现，遇到工程性问题时学生很难计划和整合他们的任务。在项目初期，给学生提供适当的项目管理技术，以及如何一步步推导出团队的最终方案。一开始学生似乎不愿做计划，害怕出错，又或者无从下手。这主要是源于对专业性强的问题没有一个宏观的分析和站位。工程问题一般都有许多解决方案，鼓励学生完善他们的理论专业知识，并论证他们选择的解决方案。学生必须学会为自己做出的方案提供理论依据并记录自己的方案，这也是未来作为工程师的一项重要技能。

经过两个学期的教学实践，为了评估学生的技能使用在整个学期中是否有变化，根据学生取得的进步，课题小组采用问卷调查法对提出的措施进行了分析和调查。让每位学生在完成每个案例项目时都完成了一份“工程问题清单”的调查问卷。学生上课满意度对比调查结果如图2所示。

图2 学生上课满意度对比

从图2可以看出，对于课堂教学而言，教学改革后学生的满意度比改革前提高了很多。基于工程问题的案例教学法提高了学生对实践的学习兴趣和专业知识的系统性认识，取得了较好的教学效果。这种教学方法真正调动了学生的主动性和积极性，受到了同学们的欢迎。学生既可以在大量的信息流中找到并突出主要内容，也具备良好的能力去理解和应用所收到的信息。他们掌握了解决复杂实际问题的必要逻辑思路，可以完成创造性的任务。在培训期间，他们掌握专业知识的能力提高，知道如何规划自己未来的工作，这样，学生能迅速对方案做出响应，在理论和实践上培养创造力，使他们能够在学习过程中进行自我训练和反思。

3 结语

新疆农业大学教研教改项目对本文的教学改革给予大力支持，机械科学与工程系对机电类专业课程的实践环节和课程设计环节的教学模式进行了改革初探。研究表明，基于工程问题导向的项目案例教学法对提高机电类专业教学效果起到了很大的作用，这是一种实用、有效、易被学生接受的教学方法。

基于工程问题导向的教学方法利用理论与实践整合的优势，提高学生的学习和参与度，为学生提供真实而富有挑战性的学习体验，与地区制造型行业建立间接联系，让学生参与真正有意义的工作实践。

项目案例的设计使学生将理论知识和每个能力单元“嵌入”到综合项目中，提高了工作效率，减少了重复工作，并将理论知识与实际操作相结合，很好地验证了系统设计结果。工程问题导向的案例化教学作为教与学的有机整体，对培养学生的专业能力和提高专业素质起到了关键作用。此教学法有更大的潜力来推动新兴的职业认同和对专业实践理解的扩展，学生能够在学习过程中进行自我训练和反思。学生在完成最终项目后对工程设计过程的使用有了更好的理解。使机械工程专业的学生在进入最后一年的学习并在进入职业岗位时，更加自信、机智和积极，在设计、制造和优化真正的工程机械方面具有明显的经验。