工程训练课程多学科交叉项目式教学改革实践

2024-04-18陈静朱华炳李伟

高教学刊 2024年38期

陈静朱华炳李伟

摘要：为培养适应社会需求、具有解决复杂工程问题能力的高水平工程创新人才，针对目前我国大学生特点和大多数高校人才培养现状，充分发挥高校工程训练中心优势，以能力达成为导向，采用多学科交叉项目式教学课程，对新工科人才培养方式进行改革，并给出实施建议，对于推动工程素质教育和创新教育改革、全面提高人才培养质量具有参考价值。

关键词：工程素质教育;工程训练课程;项目式教学;多学科交叉;复杂工程问题

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）S2-0124-05

Abstract： In order to train high-level engineering innovative talents， who can meet the social needs and be able to solve the complex engineering problems， according to the current characteristics of the China college students and the personnel training status in most colleges， we should give full play to the advantages of engineering training centers in colleges. Taking ability achievement as the guidance and adopting project-driven teaching courses with multi-discipline integration， the training mode of new engineering talents is reformed， meanwhile the implementation suggestions are given. It has reference value for promoting the reform of engineering quality education and innovative education， and comprehensively improving the quality of talent training.

Keywords： engineering quality education; engineering training courses; project-driven teaching; multi-discipline integration; complex engineering problems

随着社会的发展，越来越需要大量知识技能高超、具有解决复杂工程问题的创新型高素质工程技术人才。当前，我国高校本科人才培养教学模式创新性不足，现行专业教学中各学科封闭，传统实践教学与真实工业发展存在区隔，缺乏复杂工程问题教学情境，跨学科融合和多专业合作育人工作难以开展，工科学生的创新和工程实践能力普遍不强，在交叉学科领域具有解决复杂工程问题的高水平工程创新人才的数量和质量难以满足强国建设的现实需求[1]。

习近平总书记在2021年中央人才工作会议上发表重要讲话时指出，“到2030年，适应高质量发展的人才制度体系基本形成，创新人才自主培养能力显著提升，对世界优秀人才的吸引力明显增强，在主要科技领域有一批领跑者，在新兴前沿交叉领域有一批开拓者[2]”。培养具有创新意识、创新能力，在交叉学科领域具有解决复杂工程问题能力的高水平工程创新人才是高校人才培养的重要任务。建设多学科交叉实践基地，开展多学科交叉项目式教学课程，将项目式教学融入新工科人才培养，使大学生在不断的实践中养成创新意识和解决复杂工程问题的能力是当前高校人才培养的主要改革方向[3]。

一开展多学科交叉项目式教学的迫切性

《全国普通高校本科教育教学质量报告（2020年度）》向高校本科教育教学工作提出大力加强学科专业交叉融合办学的长效机制建设的建议[4]。工科高校应适应国家与社会的需求，深化教育教学改革，多样化探索人才培养模式，培养满足国家战略需求的新工科人才。通过开展基于多学科交叉的项目式教学的研究与实践，改变单一学科组织教学、单向输入教学内容的传统模式，能够提高人才培养质量，更快地推进新工科建设，更好地服务国家创新驱动发展战略。

近年来，合肥工业大学实施“人才强校”战略，充分发挥校友资源，汇聚人工智能、集成电路、先进制造等相关学科优势，与知名企业开展深层次合作，紧密融合合肥工业大学人才培养优势和企业实际需求培养高水平创新型人才，同时为毕业生迅速成长为行业人才打牢基础[5]。

合肥工业大学工程素质教育中心作为学校最大的实践教学基地，以培养学生的實践技能和创新意识为主要目标，是具有准工业化车间的新型综合性工程训练中心，具有专业的教学场所、完备的教学设施、理论基础扎实和项目实践经验丰富的师资队伍[6]。工程素质教育中心积极响应国家、社会和学校的人才培养需求，在当今工业产业背景下，依托原有传统工程训练模块，创新发展多学科交叉项目式工程训练模块，建立以机为主、机电材管结合的涵盖多专业的工程训练系列课程体系，打破学科之间的壁垒，创新开展多学科交叉项目式教学训练，改变以往的以老师为主，知识技能灌输式的教学方法，转变为教师引导，学生主导，依托课程设置的创新项目、大学生课外科技活动、各类竞赛、企业横向课题和教师纵向课题项目等[7]，学生从项目分析、方案设计、加工制作和装配调试等方面自主完成整个训练过程，在公平开放、包容协作的环境里学习、体验、运用本专业和相关专业的知识，拓展知识的深度和广度，将实践、科研、课程有机融合，对项目深度“挖掘”，不断强化对工程的认知和理解，主动进行创造创新，提高学生工程素质，从而实现培养基础知识扎实、能力卓越、具有解决复杂工程问题的创新型高素质工程技术人才的目标[8]。

二教学理念及实施方案

（一）教学理念

多学科交叉项目式教学是以学生为主导，以培养学生的实践技能和综合素质为教学目标，通过自行设计、自主研学、自由创造，完成一个完整的、多学科交叉的、具有实践性的项目而进行的教学活动。依据工程训练课程的特点，老师给出一些项目供同学选择，如果同学有和这次教学活动相关的项目，也可以和老师商讨后另行选题。本次以“能源转换利用与演示”项目为例，结合机械工程、电气工程、计算机应用工程、光电工程和能源与动力工程等各学科相关内容，将设计、制造、安装、调试和测量融入实训项目全过程，鼓励学生大胆创新。项目以能源的转换利用为研究目标，设计并制作一套活塞斯特林能源转换装置，采用活塞式斯特林发动机将热能转换为动能，通过直流发电机将动能转换为电能，再通过直流电动机将电能转化为供风扇旋转的动能，体验热能（酒精灯）—动能（斯特林发动机）—电能（发电机）—动能（风扇）的能量转化过程;采用PWM直流电机调速模块实现风扇无极变速;采用光电测速模块实时测量风扇转速，监测能量转换效率。斯特林能源转换装置具有结构简单、质量轻、启动快、振动小和噪声低等优点。组队方式：学生自由组队，每组4～5人[9]。活塞斯特林能源转换装置相关模块如图1所示。

（二）实施方案

1 增加三维工程设计软件实训内容，提高学生应用软件能力

实训课程项目开始阶段，通过老师引导，学生自主学习Inventor、SolidWorks等三维设计软件，在学习并掌握项目装置的原理后，以小组为单位，制定整体设计方案，使用三维设计软件完成模型搭建，并完成零件工程图、装配图、仿真动画等，制定零部件加工方案，根据现有加工设备加工出零件，完成整体装配和调试。充分发挥学生的积极性，在项目实施中边自主组织学习知识内容，边动手实践操作，边对所学所用知识及时反思与总结，高效地提升学生操作工程软件的技术水平，培养真正适应市场及社会需求的技术人才。使用Inventor建立的活塞斯特林能源转换装置三维模型如图2所示。

2 多学科交叉，激发学习能力、思维能力和创新能力

在全面推进工程教育改革创新的新形势下，多学科交叉激发和提高了学生的学习能力、专业能力，满足新工科建设提出的培养学生创造思维和创新人格的根本要求。本项目首先是与电气工程学科交叉，采用PWM直流电机调速模块对风扇进行调速，并设计传统机械调速模块进行对比，在相同的项目目标下，灵活采用不同的实现方式，训练学生的创新思维，培养学生的创新能力。活塞斯特林能源转换装置采用的PWM调速原理如图3（a）所示，其中，Uin为DC/DC模块的输入电壓，机械调速与PWM调速结构对比如图3（b）所示。

3 增加光电测速工艺，培养“闭环”的工程思维

采用先进的光电测量速度技术，丰富工程训练课程内容，实现光、机、电的学科交叉。光电测速传感器，具有非接触、精度高、测量范围大和灵敏度高等特点，其输出通常为脉冲信号，然后利用单片机，可将电机转速实时计算出来，以此反映系统的整体水平，为系统优化升级提供了指导。设置光电测速模块测试能源转换性能指标，与预期结果比对验证，加深了学生对“闭环”思维的理解。活塞斯特林能源转换装置光电测速原理和实物如图4所示。

4 以项目的全流程为框架，培养学生解决实际问题能力

项目的实施流程由4个主要环节构成：概念环节、开发环节、执行环节和反思环节。概念环节引入项目，结合社会热点问题，研究将热能如何高效转化为电能，体验工程技术的综合实践，充分调动学生对工程训练的兴趣。开发环节，将项目进行工作分解，制定进度实施计划、项目沟通计划、项目成本管理预案和风险管理预案，以确保项目能在规定的时间和预算内达到预期目标。执行环节，在了解常见加工设备操作方法，掌握相关加工工艺基础上，注意知识沉淀、团队管理和风险管控，以确保项目正常进行，注重解决实际问题能力的培养。反思环节，为了能确保项目计划的顺利实施，必须时刻对项目的整体进度、资源和成本使用、风险任务及人员表现等各个方面进行评估和反思，及时采取有效的措施并作出必要的调整，引导学生回顾实施项目全流程，领会从系统到局部再到系统的设计思维。

5 开展项目验收，强化团队分工协作、工程意识培养

在这个阶段要审查项目的实现情况，确定达到评估要求后，整理项目成果，总结项目的经验得失并完成信息归档，提升大学生的工程意识。项目验收采用答辩的方式，学生明确分工、相互配合，答辩主要内容包括：项目背景、实施过程、遇到的关键问题及解决办法、工程创新和主要收获。答辩后进行交流总结，反思项目实施过程中的获得的经验和教训，持续完善，不断进步。

三多学科交叉促进能力达成

（一）项目式教学课程知识结构合理，有效契合了实训目标和能力达成要求

本课程满足国家和行业发展前沿的要求，结合不同专业的培养计划，对活塞斯特林能源转换装置所涵盖的“小项目”进行了合理划分，坚持专业知识、能力、素质有机融合，注重提升课程水平，突出课程创新，加大课程挑战，既有效保障课程专业教学计划顺利实施，又契合学生解决复杂问题的综合能力和高级思维养成要求。多学科交叉项目式教学课程结构见表1。

（二）多学科交叉激发学生主观能动性，快速高效提升学生创新实践能力

本课程深度变革学生的学习方式，充分调动学生的主观能动性进行创新设计制作实践，如使用不同的材料和加工工艺加工同一种零件，设计不同的调速模块完成相同速度的调节，采用不同的测量方式提升测量的准确性，对系统升级优化方案提出创新的设计建议，对储能技术整合和深化提升。学生在有限的时间内学习更多不同专业的知识，获取实践动手经历和科学探究方法的机会，展现出较强的创新实践能力。

四结束语

面向未来高度复杂、集成的工程技术发展趋势，新工科教育要以激发学生求知本性、培养知识技能高超、具有解决复杂工程问题的创新型高素质工程技术人才为目标，努力创新教学理念，优化教学课程，提升培养平台，打造全新工程教育场景。

合肥工业大学工程素质教育中心以全面创新为导向，对新工科人才培养方式进行探索，通过开展多学科交叉项目式教学，更好地发挥了工程训练在本科人才培养中的价值与优势，并给出实施建议，有效锻炼了学生的自我管理能力、工程实践能力、团结协作能力及跨学科解决复杂问题的能力[10]，提升了学生的机械设计的逻辑思维、闭环思维以及工程整体意识，在推动工程素质教育和创新教育改革、培养创新型高素质工程技术人才方面进行了积极的探索。

参考文献：

[1] 殷增斌，袁军堂，郝世博.机械工程+知识产权复合型创新创业人才培养的探索与实践[J].中国大学教学，2017（8）：73-75.

[2] 习近平出席中央人才工作会议并发表重要讲话[EB/OL].https：//www.gov.cn/xinwen/2021-09/28/content_5639868.htm.

[3] 李瑞瑾，李应君，林晓琴.“大众创业、万众创新”背景下应用型高校学生实践创新能力培养路径探析——以成都大学为例[J]. 创新创业理论研究与实践，2018（5）：110-111.

[4] 教育部發布《全国普通高校本科教育教学质量报告（2020年度）》[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gz-dt_gzdt/s5987/2 02112/t20211217_588017.html.

[5] 韩俊杰.合肥工业大学探索人才培养新模式产教零距离创新增活力[N].人民日报，2023-02-15日（12）.

[6] 朱华炳，沈鹏，李小蕴.以实训基地为依托开展劳动教育的探索[J].中国大学教学，2022（5）：38-42.

[7] 聂晶晶.采用项目式教学模式提升教学效果——以“商业空间设计”课程为例[J].中国大学教学，2017（8）：73-75.

[8] 郑红伟，王伟，王明川，等.植入复杂工程问题的工程训练实践课程体系探索[J].实验技术与管理，2019（4）：228-232.

[9] 霍英杰，张安，张学林.空间斯特林发电机热头结构设计及分析[J].宇航材料工艺，2015（1）：5-9.

[10] 付景川，李新宇，姚岚.吉林大学创新人才培养模式探索与实践[J].中国大学教学，2008（7）：80-82.

基金项目：安徽省重大教学研究项目“新时代工程素质教育研究与实践探索”（2021jyxm1177）