工程教育认证背景下专业实验课程教学改革与实践

马秀清，韩 颖，汪晓男，毕 超，于洪杰

（北京化工大学机电工程学院 北京 100029）

工程教育认证对推进工程教育改革、提高本科教育质量有着极为重要的作用，已成为我国高等工程教育的评判标准。在“工程教育认证标准[1]”的12 项毕业要求中，“1 工程知识”“2 问题分析”“3 设计/开发解决方案”“4 研究”“5使用现代工具”“6 工程和社会”“7 环境和可持续发展”“10沟通”8 项毕业要求中均涉及“复杂工程问题”的描述，强调培养学生“解决复杂工程问题”的能力[1]。

北京化工大学机械设计制造及其自动化专业在工程教育认证背景下，以培养学生解决复杂工程问题的能力为抓手，针对教学内容、教学方式和教学评价方法进行系统的调整和优化，对专业实验课程进行教学改革与实践，以期通过改革与实践提升学生利用所学知识解决复杂工程实际问题的能力，对高素质复合型人才的培养具有重要的意义。

1 专业实验课程教学内容的整合

1.1 原有专业实验教学内容方面存在的问题

与专业相关的实验原来一直是开设在各门理论课程中，主要实验内容有单螺杆挤出成型实验、注塑成型实验（对应课程是高分子材料加工机械设计）、模具和机头结构实验（对应课程是橡塑制品及模具设计）、高分子材料改性实验（对应课程是混合理论及设备）、控制类相关实验（对应课程是控制工程基础和可编程控制器等）等四类。存在的主要问题为实验项目相互独立没有关联，具体如下：一般在对应理论知识讲授后进行相关的实验，实验穿插于理论课程中。由于实验是依附于课程开设的[2]，因此每个实验项目是独立的且关联性不强，遇到复杂问题的时候学生很难将独立的实验关联起来，因此不利于培养学生解决复杂工程实际问题的能力。

鉴于以上原因，为培养学生利用所学知识解决复杂工程实际问题的能力，专业实验独立开设课程，并对实验项目和内容进行了整合。

1.2 专业实验教学内容的整合

机械设计制造及其自动化专业实验课程独立开设后进行了实验内容的整合和重构[3]，实验项目包括流变性能测试实验、挤出造粒实验、混炼实验、模具和机头结构实验、单螺杆挤出成型实验（包括挤出吹膜和挤出流延）、模压实验、注塑成型实验、性能测试实验、控制类实验、模拟仿真等十多类实验，对应的实验项目和实验内容如表1 所示。

表1 专业实验课的实验名称及实验内容

由表1 可以看出，实验项目涵盖了从材料、工艺、设备、性能检测到设备控制系统的全面系统的实验内容，通过实验，学生可获得机械设备、材料加工工艺及设备控制三方面的知识，即可得到一机（材料成型加工机械）两翼（材料和控制）系统全方位的训练，同时还可通过虚拟和现实相结合的方式开展实验。

2 专业实验课程教学方式的优化

2.1 原有专业实验教学方式存在的问题

原有专业实验通常采用以教为主的教学方式：即指导教师结合实验设备讲解设备的工作原理、实验目的、实验步骤，学生按照实验指导书的每一个步骤完成实验，进而进行数据处理并撰写实验报告。这样的教学方法不利于学生对所学知识的巩固和创新能力的培养，不利于培养学生的自主性和探索精神。因此，专业实验的教学需要从“以教为主”的“我学会”转变到“以学为主”的“我会学”。

2.2 专业实验教学方式的优化

专业实验是学生在学习专业课程理论知识后独立开设的实践类课程，为培养学生的创新思维和团队协作精神，提高学生分析问题和解决问题的能力，除对实验项目和教学内容进行扩充和优化组合，形成从工艺参数的确定、模拟仿真实验、材料改性、材料的成型加工制品的性能测试这样系统而全面的实验项目外，在实验的设计和实施方面更是从培养学生对复杂问题的解决能力方面着手，采取教师提出要求、学生自主设计实验并实施的教学方法，即教师提出制品的性能要求，从选择材料一直到最后制品的性能测试均由学生根据所学知识进行实验方案的设计和实施，学生实验设计的大概流程如图1 所示，图中右侧虚线框内为设计流程，左侧虚线框内为对应的实验方法。

图1 实验设计流程

具体做法如下：专业实验课首先由学生了解每一个实验项目的实验设备和实验目的以及每个独立实验的实验过程和可能得到的结果，同时学生通过部分仿真实验了解实验过程和解决实际问题的方法。其次由指导教师提出最终制品的性能（如力学性能）要求，学生以小组为单位，根据性能要求选择材料、工艺和设备，设计实验方案，通过小组讨论分析得出最佳实验方案进行实验，得到最终制品，测试最终制品的相关性能，与指导教师提出的性能要求进行对比，如果满足性能要求，则实验结束；如果不能满足性能要求，分析可能的原因，修订实验方案，对材料、工艺、成型方法进行调整，再一次进行实验，直到最终制品满足指导教师提出的性能要求为止，要求学生至少做两种制品，同时对两种制品的同一性能进行比较，分析不同成型方法对制品性能的影响。对于控制类实验，根据指导教师所讲述的实验中所用设备的控制系统，画出对应的控制系统图加以仿真；或者分析对应设备现有控制系统的不足，提出并设计新的控制系统，对新的控制系统进行仿真来验证新设计的系统是否能够满足设备的相关控制要求，真正把所学的控制方面的知识用来解决实际设备的控制问题。通过从传统的“以教为主”转变为“以学为主”，大大激发了学生学习的兴趣和动力，调动了学生学习的主动性和积极性，提高了专业实验教学的质量和效果，同时材料、工艺和设备系统全面系统的实验实施使学生对复杂工程问题有了更深入的理解，解决复杂工程问题的能力也得到了提升。

3 教学评价方法的重构

3.1 原有专业实验教学评价方法存在的问题

专业实验独立设课之前是穿插于理论课程之中的，因此大多以学生独立完成的实验报告及其出勤情况为主进行实验部分的考核评价，即采用的是结果性评价方式，这种评价方式难以了解和判断学生是否积极参与并掌握了相关实验流程，难以体现学生学习和参与实验的过程，教学效果也欠佳。因此专业实验独立设课后应重构教学评价方法，即采用学习过程和学习结果并重的教学评价方法，这也是激发学生学习兴趣和动力的主要举措之一。

3.2 专业实验教学评价方法的重构

专业实验独立设课后采用学习过程和学习结果并重的考核评价方法。专业实验课的成绩主要由实验方案的确定、实验的实施及实验报告三部分组成。其中实验方案确定部分的成绩按照如下方式判定：由于专业实验课是分组进行的，要求实验实施之前组内每位同学提出实验方案、组内讲解实验方案，组内同学通过听取每位同学的讲解选择最优实验方案或者将组内同学提出的部分最优实验方案进行整合形成每组的实验方案，制作PPT，每组派一位代表对自己小组的实验方案进行讲解，教师在听取学生讲解的过程中通过提问进行引导和指导。因此在实验方案确定部分可结合组内每位同学实验方案的提出和贡献进行自评互评、组间针对实验方案及讲解进行自评互评、教师对实验方案的评价等形式来综合给定实验方案确定的部分的成绩；实验实施部分的成绩是针对每个实验的实施过程中学生实际操作能力、动手能力、创新思维方面的考查，也可在实验过程中有针对性地对学生进行抽查，进而考查学生对知识点的掌握程度和解决实际问题的能力；实验报告部分的成绩包括撰写规范、实验结果分析等方面的考查。通过这样的锻炼，学生有了相互交流和相互学习的过程，同时在实际实验中可及时发现问题并解决问题，进而培养学生解决复杂工程实际问题的能力和创新思维能力。

4 结语

机械设计制造及其自动化专业实验课程的改革与实践既进行了实验内容的整合、实验教学方式的优化，也进行了实验教学评价方法的重构，通过教学改革既有利于学生对已有知识进行系统的归纳整理，又有利于提高学生的探究性学习能力，这样的改革与实践激发了学生学习的主动性和积极性，提升了学生利用所学知识解决复杂问题的能力，提高了教学质量和教学效果。专业实验课程教学改革与实践的特点如下：

①教学内容系统全面、虚实结合：实验项目系统全面地涵盖了材料、工艺、设备及控制的教学内容，同时注射成型和挤出成型既有虚拟仿真实验，也有现实实际实验，形成了虚实结合的实验体系。

②教学方式以学为主，自主设计：在教学过程中采用以学为主的教学方式，通过学生自主设计实验并加以实施，体现了以学生为中心、产出为导向的专业认证理念，取得了良好的效果。

③评价方式过程结果并重、多元综合：教学评价方面采取学生组内自评互评、组间自评互评、操作动手能力评价、教师评价等综合学习过程和学习结果的多元化评价方式，激励学生主动积极地参与到实验的每一个环节，提高了教学质量和教学效果。