培养创新能力的科教融合研究生教材建设思路——以《机械优化设计与案例分析》研究生教材为例

周已，张富晓，莫 丽，李雨佳

（西南石油大学 机电工程学院，成都 610500）

2021 年4 月19 日，习近平总书记在清华大学考察时强调：“把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来”。为此就要用好学科交叉融合的“催化剂”，加强产学研深度融合，推进新工科“四新”建设，加快培养紧缺人才。因此，培养科技创新的工程人才是当前我国研究生培养的主要目标。

研究生教材是研究生培养质量的重要保障，是教学内容和教学方法的载体，也是研究生培养单位教学水平、科研水准的重要体现。王宏元提出研究生教材建设要为人才培养目标服务，适应学科发展和现代化建设的需要，同时应反映培养单位的学科优势和特色。当前，我国研究生培养模式已经由学术型为主转换到学术型、应用型并重。工程专业学位研究生的培养目标是向国有大中型企业输送应用型、复合型高层次工程技术和工程管理人才，培养过程侧重于工程应用，注重理论与实践的紧密结合。因此，研究生教材的编写要符合新工科人才培养目标，应强调应用性、学术性，有利于培养研究生解决复杂工程问题的能力，有利于培养创新型、应用型复合人才。

目前，促进创新能力培养的研究生教材研究文献很少，且聚焦于从理性思考、理论演绎和教材案例等角度进行论述，而量化验证研究较少。为此，本文基于现有研究生教材的问题，开展培养创新能力的科教融合研究生教材建设思路研究，提出构建的具体路径和对策。

一、问题提出

（一）缺乏将科研成果融入教材的建设实践，重理论轻实践

传统教材很少将研究成果引入研究生教材中，例题大多是简单的数学模型，缺乏针对性和具体的应用场景，学生很难将基本原理与工程实践问题有机地结合起来，无法形成整体工程思维和系统概念。由于科研促进教学，科研与实际工程联系最紧密，因此将科研成果及科研培养思路和模式引入到教材中，不仅能够很好地实现工程人才的培养目标，做到理论联系实际，而且也能突出教材在创新人才培养上的价值和作用。

（二）内容枯燥、陈旧，应用性、创新性不足

要想培养创新人才，教材内容就要紧密联系现代工业发展趋势，反映专业领域最新的科研进展状况，展示最新的科技手段、创新思想和创新理念。研究生教材不应沿用本科教材模式，本科生教材注重基础性、理论性和全面性；研究生教材注重内容的深入性、专业性、新颖性、启发性和实用性，更显著地突出特定学科或领域的国内外最新研究成果、研究热点、新技术和新方法等前沿技术和内容。现有研究生教材内容重复性较大，现代工程领域的最新发展趋势体现得不够，与工程实际联系得不够紧密，难以满足创新型研究生人才培养需要。

（三）“以教为主”的模式为主体模式

研究生与本科生在教学方式上也有很大的不同。本科生主要以教为主，研究生主要以学为主；本科生主要以老师讲授为主，研究生主要以老师引导为主。因此，研究生教材对研究生的训练模式应与本科生教材有显著的差异，缺乏以科研项目等其他手段来综合培养研究生的应用性、创新性能力。

二、新工科人才培养理念及研究生教材创新特征

（一）新工科人才培养理念

新工科是指针对新兴产业，以工业互联网、大数据和人工智能为核心的工科专业，或将云计算、大数据、区块链、虚拟现实、人工智能和机器人等应用于传统工科专业的升级改造。其内涵是以立德树人为引领，通过继承与创新、交叉与融合及协调与共享等方式，面向未来培养国际化、多元化和创新型卓越工程技术人才。2012 年《关于全面提高高等教育质量的若干意见》（高教30 条）第五条指出，创新人才培养模式应该着重提升实践动手能力，探索一些创新的教育教学方法，应大力推进与科研院所、行业企业联合培养人才模式推进创新教育教学方法；第十二条还指出，推进协同创新，坚持需求导向、全面开放、深度融合、创新引领的原则，以创新能力提升为突破口，通过政策和项目引导，大力推进协同创新。

新工科强调学科的实用性、交叉性与综合性及产业需求对人才培养的引导。在此背景下，我们对研究教材进行改革。

（二）研究生教材创新特征

1.具有研究的性质

将科研项目有机地融入到教材中，以解决实际工程问题为出发点，探索发现新问题、新领域，并寻求解决问题的新方法、新思路。因研究生培养目标是培养创新型、综合型工程人才，着重强调科学观点、科学态度与科学方法，更具有创新性和启发性质。

2.反映专业领域最新的科研进展

研究生教材应更深入、更专业地探索某一学科、某一领域的知识，应突出专业学科或领域的国内外最新研究成果、研究热点、新技术和新方法等前沿内容。

3.理论性与应用性的结合

研究生教材应培养学生在掌握基础理论知识的基础上，重点培养研究生具备科研意识、创新意识，掌握正确、全面的科研方法，来解决实际工程问题，在此过程中，培养学生的自主学习能力、独立解决问题能力和创新精神，将理论知识与实际应用有机地结合起来。

三、模式构建：培养创新能力的科教融合教材建设模式

（一）以“综合全面布局”为特征的建设方法

针对传统教材，从部分、个体研究问题，忽略了整体、全局性的问题，本研究提出了基于创新能力培养的系统、完整的研究体系和方法。包括理论研究、仿真研究和试验研究，通过将多种研究手段作为辅助，并且多种手段相辅相成、彼此联系，来全面阐述教材内容。

（二）以“产业需求”为导向的教材思路

针对传统教材针对性较弱，主要是针对普遍对象开展的研究，缺乏具体的工程背景的问题，本研究提出新设计思路，具体包括如下几点。

（1）以满足企业需求、解决工程问题和提升企业效率为目标。

（2）体现整个科学研究的完整过程，包括发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程。

（3）不是独立的部分，而是科研过程中的各个环节、各部分内容间的紧密联系，相互呼应、相互影响的群体关系，以至共同实现优化设计的目标。

（4）成果应用于实践，实现成果转化，服务于企业和工程，也符合新工科创新型、复合型人才培养的目标。

（三）以“服务于工程”为目标的教材内容

如图1 所示，新型优化设计内容较完整、全面，从科研服务于工程的角度全面阐述其设计过程，具体内容包括如下几点。

图1 新教材内容建设思路

1.发现问题——机械优化设计的前提

该过程包括了解工程背景、掌握国内外前沿领域发展现状、提出研究的目的和意义。找到实际工程的问题，针对问题找到有效解决措施，才能从根本上满足企业的需求。

2.提出问题——机械优化设计的源泉

该过程包括提出创新结构、提出解决方法和掌握产品的基本原理。

3.分析问题——机械优化设计的保障

该过程包括产品性能的仿真分析、产品结构优化设计和产品试验研究。

4.解决问题——机械优化设计的目标

该过程包括产品设计加工、产品应用推广和产品效果评价。

四、内容设计：培养创新能力的科教融合教材内容

下面就以笔者承担的国家自然科学基金项目《高速牙轮钻头螺旋组合密封机理研究》与校企联合项目为例，阐述如何将科研实践融入《机械优化设计与案例分析》研究生教材中，来提高研究生的创新实践能力。

（一）发现问题

1.了解工程背景

介绍牙轮钻头的原理、应用、特点和工况条件；提出牙轮钻头在深部地层使用中存在的问题——钻头钻速慢、寿命短，影响钻井作业；提出影响牙轮钻头寿命的关键因素——轴承密封失效；找到机械优化设计的目标——提高钻头密封性能。

2.掌握前沿现状

总结国内外已有的密封研究现状；提出现有密封存在的问题——被动密封、磨损严重；提出解决的措施——创新结构；确定机械优化设计的研究对象——新型密封结构。

3.提出研究意义

总结国内外密封研究的核心技术及使用情况——我国牙轮钻头密封技术缺乏，被美国休斯公司所垄断；现有现状对我国经济的影响——制约了市场，削弱了竞争力；提出新密封优化设计的研究意义——提高我国自主创新能力，促进科技发展。

（二）提出问题

1.提出创新结构

建立创新思想——排砂及组合密封设计思想；提出创新结构——螺旋组合密封结构及优点。

2.掌握基本原理

建立螺旋排砂机理——利用泵送压力实现排砂；建立组合密封机理——螺旋与O 型圈的组合密封作用。

（三）分析问题

1.产品性能分析

新密封性能的理论和仿真研究，论证可行性，研究结构参数、工况参数对密封性能的影响，掌握新密封机理，为结构优化作铺垫。

2.结构优化的仿真设计

对整体密封结构方案设计与优化；设计变量的确定——螺距、密封间隙和斜螺旋面倾角等；目标函数的确定——螺旋排砂性能的数学方程建立；约束条件的建立——边界条件的建立和载荷的施加；计算机仿真求解；结果提取及分析——压力场、速度场和颗粒运移轨迹等结果的提取及对排砂性能的影响。

3.试验研究

试验装置的方案设计及优化，确定优化目标及方法；主要零部件、标准件的优化设计与选型：加工方法及优选：试验装置的加工与调试：产品性能的试验研究及效果评价。

（四）解决问题

1.产品设计加工

理论方案的分析及存在的问题；结合工程实际的新密封结构优化设计；新密封及牙轮钻头的加工、制造；优化产品质量的检测、评定。

2.应用推广及评价

优化设计的新密封牙轮钻头的现场井下试验研究；优化设计的新密封性能评价，验证结构优化设计的可靠性。

五、对策建议：培养创新能力的科教融合教材建设策略

（一）以“产业需求”为导向，以“科研实践”为驱动的产学研联合培养模式

（1）从企业的工程实际需要入手，以解决实际工程问题为目标，前期调研以企业数据为依据，项目研究不脱离企业，科研研究来源于企业又服务于企业，满足企业对产品的需求。

（2）结合科研实践，让学生更多地、积极地参与其中，让学生从科研实践中发现产品的问题，调研国内外现有研究状况，寻求解决的方案及措施，提出解决的思路及方法。

（3）回归到实际工程生产中，检验结构优化设计的性能，并根据企业的需要和生产实际，调整、修改和完善零件结构优化设计的方案、设计思路及结构参数等。

（4）再回归到工程实际中，再次检验产品性能和各项指标要求，直到满足企业要求为止，整个设计过程才结束。在此过程中，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（二）以新工科人才培养为目标，紧密联系国家需要，理论与实际结合并行，突出具有综合能力的复合型人才培养的新型研究生教材

（1）发现问题：引入工程案例，融入学科前沿，抽象工程模型，以便在仿真及结构优化设计中进行研究。

（2）提出问题：调研国内外研究现状，掌握学科前沿，掌握工程问题的原理，提出工程问题的实质。

（3）分析问题：应用现有知识理论，采用正确的问题分析方法，采用合适的结构优化设计技巧、步骤。

（4）解决问题：优化设计结构的加工、初步试验研究，优化结构方案的修改、完善及调整，对调整后的结构进行反复试验，直至性能达到预期要求，才结束结构优化设计过程。

（三）由单纯的“堆积资源”向“一体设计”转变

（1）以科研项目的研究过程作为线索，以解决工程问题、降低成本和提高企业效益为目标，将机械优化设计融入到整个科研中。

（2）基于工程背景，掌握工程问题，从工程中提取结构优化设计案例。

（3）按照工程问题研究的基本思路“发现问题、提出问题、分析问题和解决问题”，应用已有的机械优化设计的方法、思路和内容等相关知识，运用现代设计的仿真优化等手段，将理论知识与实际工程需要有效结合。

（4）突出工程意识、工程理念和工程思维的构建，形成主题突出、知识体系完整和目标明确的“一体设计”格局，打破传统教材堆积资源、知识点分散的格局。

（四）由传统的“以教为主”向“以学为主”转变

（1）理念是“以学为主”，学生可以通过教材自学，以科研项目为实例，配套相关工程案例的动画、视频和讲解等，自己就可以主动学习，而且例子生动、直观和简洁，可以充分调动研究生的积极性和主动性，并能充分培养研究生的创新性。

（2）学生可以在课前预习、课中学习和课后复习等过程中进行学习。课前预习时，学生可以事先了解工程背景、工程案例的基本原理、实际工况、设计的基本理论、设计方法、设计过程及步骤等；课中学习时，学生可以配合教师的讲授，扫码观看相关的工程案例视频、动画等，更易于学生的理解和学习；课后复习时，如果学生在课上没有完全理解知识点内容，就可以在课后配合教材的相关资料进行重点学习、复习等。

（五）实现多学科、多手段的交叉融合

（1）将科研项目融入教材中，以“产业需求”为目标，以“产学研”联合培养为主要培养模式。

（2）实现多学科和多种技术手段的交叉融合，如笔者曾经承担的四川省科技服务业示范项目《基于3D 打印技术的高速牙轮钻头新型密封结构创新研发设计》。本项目研究内容包括牙轮钻头新型密封结构三维模型的建模、设计及分析，新型密封结构密封性能、排砂性能的仿真研究，新密封试样的3D 打印，新密封结构的试验验证及密封性能测试等内容。要完成此项目内容需要掌握机械结构设计理论及方法、新密封性能的仿真研究方法及数据处理技术、3D 打印加工方法、3D 打印新型密封材料和新型密封的试验研究方法等。新型教材实现了多学科、多手段的交叉融合，拓宽了学生视野，增长了学生知识，有利于研究生创新能力的培养。

六、结束语

本研究从现有研究生教材现状出发，首先，指出现有研究生教材存在的问题，包括缺乏将科研成果融入教材的建设实践，重理论轻实践；内容枯燥、陈旧，应用性、创新性不足；“以教为主”的模式为主体模式。其次，提出了基于新工科人才培养理念的研究生教材创新特征，构建了基于创新能力培养的科教融合教材建设模式，提出了基于创新能力培养的研究生教材特征，创建了以“综合全面布局”为特征的建设方法，以“产业需求”为导向的教材思路，及以“服务于工程”为目标的教材内容模式。再次，设计了基于创新能力培养的科教融合教材内容，以科教融合教材《机械优化设计与案例分析》为例，从发现问题、提出问题、分析问题和解决问题入手，来阐述教材是如何建设的。最后，提出基于创新能力培养的科教融合教材的对策建议，包括以“产业需求”为导向，以“科研实践”为驱动的产学研联合培养模式；以新工科人才培养为目标，紧密联系国家需要，理论与实际结合并行，突出具有综合能力的复合型人才培养的新型研究生教材；由单纯的“堆积资源”向“一体设计”转变；由传统的“以教为主”向“以学为主”转变；实现多学科、多手段的交叉融合。