大工程视野的机械工程专业教育研究

宋朝省?罗远新?刘飞

摘 要：当前高校工程学导论课程多通过新生研讨课、采用课堂理论教学模式进行，教学内容偏重历史回顾，缺乏对学生全局思维与大工程视野的培养。作为工科大类培养的核心骨干课程，本研究通过建立“大工程”视野的工程学导论课程教学体系，重构了多学科交叉融合的工程学导论课程教学内容，开展了虚实结合、项目实践牵引的工程学导论课程教学模式研究，建立了基于全过程的工程学导论课程能力达成评价体系。教学改革实践效果表明，开放式的虚实实践项目充分提升了学生创新实践能力，培养了学生解决复杂工程问题的能力。

关键词：新工科；大工程观；机械工程；工程学导论；形成性教育

一、引言

随着全球经济转型和产业组织方式的网络化、扁平化，新技术、新产业与新经济的快速发展，学科交叉融合加速，传统工科分類之间的壁垒和差异将变得模糊，产业更新换代急剧加快，大型复杂工程问题不断涌现，如何培养具有创新能力和跨界整合能力的新型工程科技人才，对传统工程人才培养教育提出了新的挑战。当前教育部和各高校围绕严把毕业出口关出台了一系列措施，然而仅有刚性的制度约束还不够，如今的大学校园里，绝大多数学生已是“95后”和“00后”，他们的知识学习渠道更加丰富，不再盲目迷信权威，且兴趣更容易被网络吸引，传统的教学方式无疑面临巨大挑战。对于经历了紧张的高考，刚刚进入大学校门的机械工程类专业学生来讲，“什么是机械工程？”“机械工程包含哪些内容？”“为什么要选择机械工程？”“机械工程师之路应该怎么走？”等问题常常使他们困惑迷茫。不少学生对机械工程的学习提不起兴趣，学习基础课时不知道为何要学，选择专业时不知道什么专业更适合自己。虽然传统的培养计划中设置了课程实验、课程设计、生产实习和毕业设计等实践教学环节，但大多数学生还是不清楚机械专业的重要地位及作用。因此使学生了解所学专业及专业的内容，克服思想障碍，认识专业的重要性，培养学生对专业的热爱和耐得住寂寞的思想，建立专业感情和事业心，使新生逐渐具有专业意识，特别是帮助盲从的学生找到方向，变得尤为重要。

工程学导论是面向工程类学科低年级大学生开设的重要概论性专业认知课程。针对大一新生，从人才培养方案、专业培养目标以及学习方法等方面进行系统讲授，对机械专业的“过去”“现在”“未来”进行概述，使他们认识专业、了解专业、重视专业、热爱专业。工程学导论课程在整个机械工程专业课程教学体系中发挥着重要的作用。然而传统工程学导论课程教学内容陈旧且偏重历史回顾，对新技术和新产业发展的新知识更新滞后，教学模式偏重课堂理论教学，缺乏科学合理的教学评价方式，缺乏对学生全局思维、大工程视野及解决复杂工程问题的能力的培养，在各个高校中一度沦为“水课”，“不学照样可以拿高分，学过与没学过几乎没区别”。本项目为具有大工程视野的机械工程专业知识构架形成性教育研究，在当前大型复杂工程问题不断涌现的背景下，通过学科交叉，构建基于“大工程”视野的工程学导论课程教学体系，为培养具有大工程视野的未来优秀工程师和领军人才，适应未来我国创新驱动需求和全球化的科技工程竞争环境，并引领高等院校构建未来人才培养体系，具有重要的意义。

二、存在的主要问题

1．“未来工程师”能力需求的转变

我国拥有世界最大的工程师队伍，然而当前世界级工程领军人才和拔尖人才不足，大国工匠紧缺，基础、新兴、高端领域工程科技人才短缺，工程技术人才支撑制造业转型升级能力不强，传统工程人才相对过剩，制造业人才结构过剩和短缺并存，企业“用工荒”与毕业生“就业难”并存。传统的工程师培养，主要致力于培养某一专业（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，缺乏把握大工程、解决复杂问题的能力。“未来工程师”除工程素养和管理思维外，还应具备多学科视野、科学与基础理论素养、一定的人文情怀、宏大或复杂的工程视野（见图1）。

2．工程大类招生带来的挑战

国内北京大学2002年起就开始实行大类招生，如今大部分重点高校已经实行大类招生。重庆大学于2018年实施机械大类招生，2021年起实施工程与能源大类招生，工程与能源大类包括机械与运载工程学院、土木工程学院、航空航天学院、能源与动力工程学院、材料科学与工程学院、资源与安全学院6个二级学院，共计21个专业（见图2）。学生在经过1年、1.5年、2年或者3年的通识教育后再进行专业分流，根据学习成绩、职业规划、兴趣志愿，选择大类下的专业继续学习。大类招生背景下，打破了原有专业边界，极易出现“热门专业越来越热、冷门专业越来越冷”的马太效应，使得原有依据单一专业设置的教学体系难以适应大类招生带来的挑战。

3．课程教学模式和教学内容不符合一流机械工程专业的培养需求

一流机械工程专业需要培养学生在具备扎实的数理基础和宽厚的专业知识的同时，具备较强的机械工程实践能力和创新意识。培养目标强调多学科知识交叉融合能力，能在多学科背景下理解和解决机械工程领域的复杂问题，具备在机械工程及交叉学科领域从事研究开发的能力，毕业学分分布要求实践环节占比达26%以上。《重庆大学本科教育2029行动计划》指出，要积极开展实践教学，改变传统教学模式，推进学生自主实践，推进开放式教学组织模式。传统的教学模式单一，重知识传授，轻能力和素质发展，学生自我体验、自主学习、自由创造的环境配备还不充分，教学内容未能及时更新，严重影响教育的有效性，不符合一流机械工程专业的培养需求。

三、基于大工程视野的工程学导论课程建设策略

1．基于大工程观的课程教学体系建设

课程组研究了工程学导论课程总体教学体系：通过网络、文献、国内外调研和调查、座谈研讨等方式研究大工程观的必要性以及如何在工程教育中体现大工程观，形成了理论教学+项目实践相互结合的教学体系顶层设计（见图3）。

通过调查分析美国麻省理工、普渡大学、上海交通大学等工程学导论课程建设经验，课程组立足于“新工科”契机与学校“双一流”建设对教学改革的需求，通过探索基于学研融合的课程教学内容集中建设机制，研究工程学导论课程理论教学与实践教学学时分布，建立了学生、项目、工具、材料过程管理机制，形成了课程结课实践项目评审管理机制（见图4）。

2．多学科交叉融合的工程学导论课程教学内容重构

遵循“学科前沿、交叉融合”的原则，结合机械工程学科的前沿研究热点，课程组将人文、数学、力学、材料、设计学、电气等多学科知识与机械工程学科交叉融合，从机械工程历史、前沿热点、科学思维、设计方法、设计理论、零件认知、项目实践等层面对工程学导论课程教学内容进行重构研究（见表1）。

同時，在调研国内外工程学导论课程教学内容的基础上，分析专业基础与专业课程，如工程制图、机械原理、机械设计、电工电子等课程，调整传统工程学导论课程主题教学内容，以项目实践为牵引，进而对各教学内容的边界再设计，完成了导论课程教学内容建设（见表2）。

3．虚实结合、项目实践牵引的工程学导论课程教学模式

为探索回归工程教育本质，在实践中探究知识、巩固知识的教育途径，课程围绕以需求与创新为驱动的导论课程实践项目选题研究，采用多种模式探索实践选题。（1）由学生结合日常需求自主提出产品开发项目主题；（2）由任课教师结合科研课题与工程经验背景提出产品开发项目主题；（3）基于企业实际工程需求，产学研相结合提出产品开发项目主题；（4）结合机械创新设计大赛、国创大赛提出产品开发项目主题。

同时，课程建立了基于理论教学、虚拟项目、实物项目相结合的工程学导论课程教学新模式。实践项目采用课上理论教学、课下虚拟建模设计、课上实物制作模型完成课程项目实践的方式，使学生掌握一门三维机械设计建模软件，提升学生在实践教学环节中自主学习和解决复杂问题的能力。

4．基于全过程的工程学导论课程能力达成评价体系

课程组通过探索教材、教案知识点、问题设计等环节，跨课程集中研讨，对课程内、课程之间的关联点进行设计，提出引导学生建立问题空间及其相互关联的新方法；同时，探索课堂教学中如何启发、引导学生形成关联模式，并研究教学环节与能力的映射关系。此外，通过调查国际一流大学对项目制课程的考核方法，引入项目展制度和评价方法，据此建立促进创新能力达成的质量监控体系。

通过将过程评价与结果评价相结合，提出了“课堂教学+课下虚拟样机项目+实物项目海报+实物项目报告+实物项目展”全过程教学评价方法，充分关注学生个性差异，发挥评价启发激励作用，以增强学生的自信心，提高学生的实际应用技能。评价的内容、方式和标准力求客观、科学、完整，以激励师生创新型的教与学。本课程以两次实践项目和平时考核评价综合评定学生成绩（见表3）。其中，实践项目一虚拟样机项目占25%，实践项目二实物制作项目占60%，平时成绩占15%。综合成绩=实践项目一成绩×25%+实践项目二成绩×60% +平时成绩×15%。

四、建设成效

重庆大学工程学导论课程自2018年开课至今已完成3次教学，组织举办2018年、2019年、2020年三届重庆大学“工程学导论课程”实物展，三年共计1500余名学生、40个教学班参与其中。课程2018年至2020年共计完成虚拟实践项目1500余项，实物项目300余项。

以某班级为例，通过课程学习，班级课程目标达成分析如图5所示，学生个体各课程目标达成分析如图6所示。

可以看出，班级各项课程目标均大于0.7的期望值，但课程目标2和3评价值稍低，主要原因是学生刚进入大学学习阶段，对机械工程产品创新设计的思想、流程与方法属于初次接触，对数学、力学等科学知识的工程应用能力稍弱，还未开始相关专业课程的学习，需要大力进行课程改革，提高学生团队协作解决一般工程问题的能力和自主学习、终身学习的意识。学生个体课程目标1中，所有同学得分均在0.80以上，表明学生在团队协作和技术交流能力方面掌握得较好。学生个体课程目标2整体达成情况好，均在0.80以上，说明通过授课和实践项目等环节学生基本已经掌握了机械工程产品创新设计的思想、流程与方法，得到了较好的锻炼。学生个体课程目标3整体达成情况好，成绩分布也比较合理，均在0.80以上，说明学生较好地理解了理论科学知识与机械工程问题的关联关系，具备了运用现代信息工具进行文献资料检索的能力，形成了对数学、力学等科学知识的工程应用能力。

五、结论

当下，科教兴国被提高到新时代高等教育改革发展的核心任务地位，使学生了解所学专业及专业的内容，培养学生对专业的热爱和耐得住寂寞的思想，系统性全局思维、大工程视野及解决复杂工程问题的能力显得尤为重要。工程学导论是一门基于理论与实践项目学习的概论性核心骨干专业基础课程，主要面向工程类专业大学一年级学生。课程为学生提供工程问题及其解决方案的基础知识，同时培养学生能够正确认识多学科背景下的团队合作对解决机械工程复杂问题的意义和作用，通过发散思维、深层思考、多方讨论等方式培养学生自主学习和终身学习的意识，通过课上理论教学、课下虚拟建模设计、课上实物制作模型完成课程项目实践，提升学生在实践教学环节中解决复杂问题的能力，真正做到“让学生忙起来、让教学活起来”。

[基金项目：教育部新工科研究与实践项目“面向新工科的学生交叉创新中心建设与实施（E-XTYR20200656）”、重庆市教学研究项目“具有大工程视野的机械工程专业知识构架形成性教育研究（193015）”]

[责任编辑：余大品]