“三进阶”（3S）项目纵向全贯通式多方协同创新教学与实践

张国渊，段清娟，陈永琴

（西安电子科技大学 机电工程学院，陕西西安 710071）

在教育部的政策指引下，国内高校已逐步开展了不同层次的新工科教育改革专题活动[1-2]。近五年，为响应新工科教育改革发展要求和实现高素质复合型专业人才培养目标，西安电子科技大学面向“机械设计制造及其自动化专业”，以思政教育为基点、以学生为中心、以学习效果为导向，创新性地提出了一门跨度3 个学期、累计3 学分的课程--机械创新综合实践项目，探讨面向新型工程人才培养的教学方法、进阶课程、实践训练等核心教学改革问题。课程结合大学生工程训练综合能力竞赛、大学生机械创新设计大赛等主题，设置三阶段提升、多学科交叉、多方协同指导的综合实践项目，旨在激发学生创新思维，深入探讨贯通式进阶项目驱动下综合知识应用能力的训练方式、新工科创新项目中心课程模式、竞赛驱动理论课程教学等对学生学习效果的影响。提出的新教学模式主要解决以下问题。

Step 2 Taking the failure of the 1st joint as an example,the range of motion is traversed at a given angle step size,and the kinematic equation is established according to the known end position and attitude as

（1）传统教学虽强调以学生为中心，并提倡将工程实践课程融入日常教学活动，但在实际教学中缺少有别于讲授方式的工程实践教学体系，也缺乏以项目训练为主题的学习成效评定与评价适用性教学模式[3-4]。

（2）在结构化教学活动中，重视个体知识和能力的培养，但知识体系较为单一，课程训练设计灵活性不足，未能体现个体差异及互动协同，对通过进阶式工程项目培养学生解决复杂工程问题和团队协作、工程创新等各方面能力的效果认识不足。

（3）部分项目式教学模式陈旧，教学目标不清晰，教学过程欠缺灵活性，学习效果评价注重形式[5-6]，这与新工科强调“面向未来”的教学理念相矛盾。

（4）课程改革及学习效果的评价机制不健全，评价方式单一，缺少过程性评价，难以对学生的能力准确评价，需要发展面向过程的综合评价方法，以完善评价机制[7]。

过程控制系统不仅要满足输出值跟踪给定的期望值，而且要保证控制器的输出平稳。因此，算法的优化性能指标可用式(4)表示：

针对上述问题，经过五年多的实践探索，新的教学模式趋于成熟，体现了以创新主题竞赛为导向的非结构化教学设计理念，构建了“三进阶”（3S，即3-Step，方案选择与评估阶段S1：Selection and evaluation，技术详细设计阶段S2：Specific design，实物加工与测试阶段S3：Solution and test）项目纵向全贯通培养模式，并形成了基于“逆向教学”实施方式的创新课堂组织形式和面向产出的多元化达成评价及持续改进机制。

1 “三进阶”（3S）项目纵向全贯通式多方协同创新教学模式

具备综合考虑制造工艺、安装与调试、经济和安全等问题的能力，可确定项目中关键零部件的材料及工艺方案[11]，依照前述图纸制作完成实物或核心零件。

图1 “三进阶”（3S）竞赛导向I-II-Ⅲ结构

（2）学生能够综合应用专业知识，并考虑安全、法律、环境、经济等因素，设计满足特定需求的机械系统，并能在设计过程中体现创新意识。

该阶段验收和提交的成果包括答辩、纸质方案设计报告。

表1 “三进阶”（3S）课程组织形式

2 创新课堂组织与实践效果

上述阶段的执行，将完成传动系统方案设计（至少提出两种方案，从技术、动力性能、经济、环保、创新性等方面对方案进行评价，决策最优方案），根据最优方案确定各构件的尺度参数，针对系统约束条件和功能实现构建数学模型，并对其正确性进行推理与验证，完成方案设计报告。

图2 三阶段项目的闭环反馈系统

该阶段完成已选方案的技术设计，考虑加工流程、应用、维修、成本和安全等问题，完成详细结构设计，要求应用三维造型软件，以此完成模型图和零件图的绘制和转换，并对主要零件进行强度或刚度计算。

2.1 S1 阶段

（1）学生能从机器功能要求出发，综合运用机械设计原理与设计基础知识和方法，初步具备拟定机构运动方案的能力，能够解决工程设计问题，且能够对解决方案的可行性进行初步分析与论证。

“三进阶”（3S）项目训练教学跨度为3 个学期，每学期通过讲授、实验、上机、综合练习或多种形式交替实现多方协同指导，表1 为“三进阶”（3S）课程组织形式。

在废塑料高速转型调整期，如何整合回收环保产业链，探索自建及完善中国再生资源回收体系，突破新的可再生废塑料种类及技术，升级改造高效分选、高效造粒、废塑料热解等环保技术与设备，成为当前的聚焦点。除了传统的PET、PC、PS、PP、PE、PVC、ABS等通用废塑料种类外，POM、PTFE、尼龙(-6、-66)、PVB等材料再生也逐渐受到企业的青睐。

“三进阶”（3S）创新性跨学科项目采用逆向教学方法进行流程设计和教学活动组织，实施了从“概念设计”“详细设计”到“实物制作”的多层次教学内容。这是一个典型的“逆向教学”模式，即以项目目标为起点，从设计顶层学习目标、开展多样化学习活动、运用OBE评价方法三方面出发，实现了系统化项目式学习的全反馈流程。该教学过程加强了对学生学习效果、学习目标、评价与教学活动一致性的评价与考核[10]。在实施过程中，首先明确了工程认证所倡导的思想，细化了毕业要求指标点[11-13]；其次，细化了项目结构，实现了实施方案和考核方式的流程化设计；最后，依据专业认证要求的基于学习产出模式，对项目目标和细化的毕业要求指标点进行了达成度评价。上述三个环节构成了整个教学活动的流程，形成了一个反馈闭环系统（见图2）。由图2可见，该课程结构设计很好地实现了“成果导向”“学生中心”和“持续改进”的工程认证理念[14-15]。

读后感：1 8岁的伊福琳·安娜·克露顿说:“信中谦和甚至带着抱歉的口吻，不仅没有刺激我，反而让我觉得敢于向哈佛提出申请，本身就是一件非常值得自豪的事。”

2.2 S2 阶段

（1）学生熟悉三维造型软件，并以此完成模型图和零件图的绘制和转换，能有效支持零件的加工，能够用图纸或实物呈现综合项目作品。

（2）学生能够合理分析评价复杂机械工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，理解自身应承担的社会责任。

（3）学生可基于机械工程相关背景知识，具备正确认识、评价综合实践项目对环境、社会可持续发展影响的能力。

以创新竞赛主题为导向的“三进阶”（3S）项目纵向全贯通式多方协同创新教学新模式应用于具体的教学活动，并基于面向产出的多元化达成度评价及持续改进机制，有层次、有步骤、有规划地完成了8 个方面的教学目标[3]，具体如下。

该阶段验收和提交的成果为纸质技术设计报告（包括装配图1 张，二维零件图纸不少于4 张）。

2.3 S3 阶段

课程贯彻工程认证和新工科教育理念，以学生为中心，以培养学生系统及元认知思维方式为目标[8-9]，将“创新导向、项目引领、理论与实践融合”思想贯穿项目全过程。课程教学在3 个学期开展，分为S1、S2、S3三个阶段实施（I-II-Ⅲ结构），分别在大学第5 到7 学期完成，每学期课程都为1 学分。在实践过程中，学生将实现不同阶段成果的互动循环，即阶段成果可以反馈于前序阶段的改进，各阶段实现本阶段对应能力和课程知识点的提升，三阶段学习完成后，提交完整竞赛作品，包括完整图纸、加工、装配、性能测试等全过程，图1 为“三进阶”（3S）竞赛导向I-II-Ⅲ结构。项目的执行可以培养学生统一性及批判性思维，激发学生的好奇心和自信心，对于其形成解决复杂工程问题及学科交叉融合能力具有重要作用。

该阶段验收和提交的成果为结题答辩、实物作品、结题报告。

有色金属是国民日常所需的最重要、最基础的材料。近年来，随着我国供给侧改革等改革政策的推进和实施，有色金属业的规模在不断的扩大，其产业结构也在不断的优化，产品的质量也在不断的提高，近年来得到了较快的发展。西部矿业企业作为中国矿业十佳企业，应紧跟国家政策的改革及产业结构的优化，分析企业的核心竞争力来明确自身的优劣势来获得更好的发展。通过对企业竞争环境的分析及企业财务结构下核心竞争力的分析，发现企业具有一些独特的优势，如拥有高海拔地区开采矿山的优秀团队等，同时，企业存在一些需要改进或避开的问题，具体如下：

2.4 S1、S2、S3 全阶段

（1）学生具有团队精神及协作能力，能够在多学科背景下的团队中分担任务，并承担相应责任[12]。

（2）学生能够在机械创新综合实践项目过程中通过口头及书面方式阐述自己的方案，并能理解不同方案的差异性。

本文介绍的明挖地铁站与市政高架桥“同期同位分离式合建”方案，在合肥地铁1号线取得了成功的应用。目前，市政高架桥已经通车运营5 a，地铁车站已经通车运营1 a。该方案极大地节约了用地；高架桥与地铁车站仅与竖向受力相关，横向受力完全脱开，传力路径清晰，地震工况受力良好；能够实现地铁车站全外包防水；高架桥可以与地铁结构同期施工，也可以在地铁结构后期施工。该方案的相关经验可供类似工程参考。

如上，通过新模式指导下的课堂创新实践教学组织和作品制作，实现了教-学-赛动态互动新实践，全方位提升了学生综合应用理论知识解决实际问题的能力，也有效促进了学生整体素质的发展。学生基于创新课堂完成的作品共获得国家级竞赛一等奖4 项、二等奖3 项；省级竞赛一等奖18 项、二等奖10 项、三等奖5 项；授权专利2 项；以竞赛获奖实现保研的学生达到了39 名，约占本专业保研学生的25%。

习近平总书记指出：“只有坚持爱国和爱党、爱社会主义相统一，爱国主义才是鲜活的、真实的，这是当代中国爱国主义精神最重要的体现。”[注]习近平：《习近平在中共中央政治局第二十九次集体学习时强调：大力弘扬爱国主义精神 为实现中国梦提供精神支柱》，《人民日报》2015年12月31日，第1版。爱国主义是一个历史范畴，爱国主义和热爱中国共产党、热爱社会主义制度、热爱中国特色社会主义相统一、相一致，是由没有共产党就没有新中国、只有社会主义才能救中国、只有中国特色社会主义才能发展中国、只有中国共产党才能带领中华民族实现伟大复兴中国梦的历史事实和现实逻辑所决定的。

3 结语

通过构建创新教学模式，开展有效的创新课堂教学活动，取得了良好的实践效果。具体为：（1）提出以学生为中心的教学方法，构建了“三进阶”（3.5）贯通式多方协同创新教学模式；（2）制定了面向竞赛创新成果导向的学习目标，探索了非结构化创新教学设计理念和课堂组织形式；（3）建立了面向产出的多元化达成度评价及持续改进机制，实现了教-学-赛动态互动新实践，并取得了显著的教学成效。