“虚实混合动力”赋能民族地方高校机械工程新工科人才培养的探索研究

摘 要：新工科承担着为发展新质生产力培养急需人才的使命，在新工科背景下民族地方高校进行机械类专业建设时面临先天不足、资源匮乏等困境。工业化与信息化的深度融合以及教育数字化的深入发展，促生了可观的机械工程虚拟教学资源，有效弥补了民族地方高校机械类专业实体教学资源的不足。用好实体与虚拟两种教学资源，增强两种资源的联动效应，汇聚虚实混合动力，实现虚实相济，可为民族地方高校培养机械工程新工科人才提供实践依循。

关键词：民族地方高校 新工科 机械工程 教学资源

1 新工科背景下民族地方高校机械类专业建设的困境

民族地区是少数民族的集聚生活区，主要分布在西部与北部边疆。当前，国家正在大力推动巩固拓展脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接工作，西部大开发战略将进入深化阶段，产业转移、转型和升级同步发生，民族地区机械工业迎来了发展机遇期[1]。为对接区域人才需求，许多民族地区高校增设了机械工程方面的专业。吉首大学作为武陵山片区唯一的综合性大学，为了更好的服务当地经济发展和对接区域人才需求，相继开办了机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业，与其它民族地区高校发展机械类专业的情形类似，办学遇到了诸多困难。

一方面，因地理、历史原因，民族地区高校新办机械类专业时存在先天不足。民族地区一般地处偏远、交通不便，经济欠发达、产业单薄。民族地方高校在设立之初，往往是以培养少数民族教师、干部为主要目标，开办机械类专业及其它工科专业的时间较晚。机械工程相关学科基础不厚实，地方产业支持不给力，致使培养环节专业基础理论知识与机械工程应用能力脱节，造成培养的机械类专业学生创新意识和工程实践能力弱等突出问题[2]。

另一方面，在新工科深入实施的背景下[3]，民族地区高校在应对传统机械专业改造工作时又备受观念陈旧、资源匮乏的约束。在新一轮科技革命和产业变革的推动下，以新技术、新产业、新业态和新模式为主要特征的新经济已呈蔚为壮观之势。新工科建设必须回应产业所需，探索突破现有学科门类和专业的壁垒、重构人才培养模式。然而，民族地区高校机械类专业原有的课程体系很难适应智能制造、工业互联网等新兴技术的快速发展，按照先前模式难以培养出适应未来产业变革的复合型、创新型人才。此外，新工科对先进实验设备、师资力量、教学平台、实践基地的要求更高，民族地区高校探索机械类新工科专业建设受教学资源的约束将更加明显。

工业化与信息化深度融合是中国机械工业高质量发展的重要特征，“产业数字化和数字产业化”催生了丰富的虚拟教学资源，为“教育数字化战略行动”在工程教育领域实施夯实了基础，为破解民族地区高校培养机械工程新工科人才难题提供了新思路。

2 新工科教学资源的形态与特征

从广义概念而言，教学资源涵盖能够促进教师教学与学生学习的全部要素，包括但不限于教学材料、支持系统和教学环境[4]。高等机械工程教育的根本任务是为现代机械工业所涵盖的各细分领域培养高素质应用型人才。对机械工程类大学生而言，创新意识的形成和工程实践能力的培养有“虚”与“实”两种动力驱动，前者指利用信息化、虚拟现实、人工智能等先进技术开展理论和实验教学，后者指传统实体的实验和实践环节。与之相对应，机械类新工科专业教学资源可分为虚拟教学资源、实体教学资源，二者在形态与特征方面存在明显差异。

虚拟教学资源是“产业数字化和数字产业化”的产物，是新工科专业建设的必备支撑。当前，数字技术深刻改变着人类的思维、生活、生产、学习方式，国家制定了《提升全民数字素养与技能行动纲要》，将优化完善数字资源获取渠道、丰富数字教育培训资源内容作为主要任务与重点工程。经过多年积累，虚拟教学资源已颇为丰富，以电子书、信息化课程、虚拟仿真实验、虚拟教研室等新形态涌现。这些虚拟教学资源具有经济、高效、便捷的优点，可通过资源共享、学习空间延伸等方式，扩大受益面和影响范围，能有效弥补民族地区高校的资源劣势，提高机械工程新工科人才的培养质量。

实体教学资源与高等工程教育始终相伴而行，随着高等工程教育的发展而演变，具备鲜明的时代特征，是开展高等工程教育的基础性资源。实体教学资源包括但不限于纸质教材、实体校内实验室与实训中心、校外实践基地，实体教学资源的优点在于可全面地表现工程中的真实情境。

虚拟教学资源、实体教学资源的优点得到了业界广泛的认可，但其缺点也表现明显，前者的体验感欠佳，后者的更新速度慢且对人力、物力、财力消耗较大。近年来，还出现了一些虚实结合的教学资源，如立体教材、线上线下混合式课程、数字孪生实验，这类教学资源在保留二者优点的同时，一定程度上克服了二者的不足之处。

3 “虚实混合动力”赋能机械工程新工科人才培养的路径初探

新工科建设具有时代特征鲜明、内涵丰富、多学科交融、多主体参与等特点。在辩证而统一地对虚拟与实体教学资源进行比较分析的基础上，吉首大学牢牢把握新工科本质要求和机械工程新工科人才培养规律，结合自身办学资源、办学定位及服务面向的实际，对机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业进行了新工科教学改革的探索研究，制定了具有吉首大学特色的机械工程新工科人才培养系统方案，形成了如图1所示的“虚实混合动力”赋能民族地方高校机械工程新工科人才培养的新模式。

3.1 以助力地方特色机械产业发展为宗旨，不断完善加强应用能力培养的人才培养方案

以机械设计制造及其自动化专业为例，该专业在设立之初就结合国家战略需求与中西部地区特别是武陵山片区经济社会发展需要，制订了培养农矿机械应用型人才的培养方案，开设了与地方产业相关的农业机械学、矿山机械学等特色课程。在人才培养过程不断完善培养方案，经过多年的人才培养实践，并综合学校办学定位、专业特色以及武陵山片区行（企）业的需求，对人才培养方案进行了三轮修订。修订的人才培养方案更加注重人才培养环节中的工程应用能力培养，完善了各课程的教学计划、实践教学大纲和实践课程的教学内容，强化专业课程的技术科学属性，解决了专业理论与农矿机械实践脱节的问题，充分发挥了学校理科基础坚实的优势，增设了虚拟样机技术、数字化设计与制造等虚拟仿真与实践的课程，创新了虚实结合的实践教学新模式。新的人才培养方案以机械设计制造及其自动化专业综合评价指标体系与评价办法为基础，并对接国家专业认证要求和行业标准。

3.2 以“立足湘西，服务武陵，领跑边区”为指导思想，整合民族地方高校机械类专业实践教学资源

吉首大学机械类专业在建设过程中不断建设实习实践平台，建成了覆盖机械专业所有基础课程实验的机械设计与制造实验室，建立了稳固的实践基地，成立了省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心，依托吉首大学教务处科技实践创新中心成立了以集专业学科竞赛、学术交流、创新性项目研究等于一体的学生科技创新平台——机械科技创新工作室，同时为了对接武陵山片区经济发展需求成立了先进装备轻量化与智能化研究中心。

以提升学生的工程应用能力和创新实践能力为核心，紧密对接区域人才需求和行业标准，主动适应信息化、智能化的机械行业发展趋势是衡量当前机械专业学生的主要标准。基于这一标准，结合武陵山片区经济发展需求和工业基础等方面的特点，构建了“五整合、四层次”以校内专业实验室与校外实践基地为主体的综合实践体系，既满足了机械专业基础课程实验教学所需，又彰显了“立足湘西、面向湖南、领跑边区”人才培养效益。“五整合”即将建立的覆盖机械专业所有基础课程实验的机械设计与制造实验室、武陵山片区的实践基地、省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心、机械科技创新工作室、先进装备轻量化与智能化研究中心等五类校内外实践平台进行资源整合，统一安排学生实践内容和时间，有效利用社会资源办学，弥补了学校机械工程实践平台短缺的不足，将各实践平台资源利用最大化。“四层次”即将整合的实践教学平台按照基础型、专业型、综合型、创新型分为四个层次，其中综合型和创新型实践项目所占比例超过80%，着重培养学生工程应用能力。

3.3 以省级“力学与工程虚拟仿真实验教学中心”为载体，构建虚实结合的机械类专业工程应用型人才培养体系

省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心集成了机械装备虚拟仿真模块、流体力学与液压气压虚拟仿真模块、机械原理虚拟仿真模块、机械设计虚拟仿真模块、机械制造技术基础虚拟仿真模块等。采用虚拟仿真技术开展的虚拟实验，可以节约成本，切实解决民族地方高校机械工程学生人数多与实验设备少的矛盾，尤其是解决了农矿机械装备大型实验设备资金投入大的难题。

为了充分利用省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心和传统机械基础实验室的资源互补性，尽可能发挥两大平台的优点，将具有开设实验条件的机械基础实验项目，采用先虚拟实验后实体实验的教学模式，以提高学生实践教学效果。而对于实验室不具备开设的实验项目在省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心开设虚拟实验教学，以减小实验条件与人才培养相冲突的影响。依托省级力学与工程虚拟仿真实验中心，实现了虚拟仿真实验与实体实验、实践教学、工程案例等方面的有机结合，有效提高了民族地方高校机械专业大学生的工程实践应用能力。同时，通过构建“虚实结合”的人才培养模式，解决了民族地方高校在“时间紧、任务重”的约束条件下如何选择机械专业新工科建设路径的难题，缓解了办学所需师资、场地、经费有限的困境。

3.4 以工程应用型人才培养为目标，坚持“虚实混合动力”驱动的应用型人才培养机制

学生工程应用能力不足的原因主要是学校提供的实验设备资金投入少、实践教学平台不足且没有整合、学生参与科研和学科竞赛的积极性不高等。学生作为工程应用能力培养的主体，具备一定的自主学习、动手实践、创新设计、研究探索的能力，将学生的课程实验、课程设计、毕业设计、课程见习、生产实习等固定培养环节中的实践应用能力培养环节整合到校内外实践资源进行合理安排，并通过教师个人科研项目、大学生创新创业训练计划项目、机械类学科竞赛项目、大学生开放性实验项目等自由实践项目，引导学生进行大胆的创新设计。

在培养过程中融入虚拟实践手段，结合技术科学化的课程体系、省级力学与工程虚拟仿真实验教学中心，采用虚拟手段对机械专业基础实验原理细节进行展示、对实验设备的操作方法和安全事项进行说明，使其成为机械专业理论教学和实践教学的重要手段。同时，利用教师科研项目、学科竞赛项目、大学生创新创业训练计划项目、开放实验项目等创新研究平台资源，以吸引学生积极进行机械产品开发应用，以培养学生的工程应用能力。开发的产品通过实体实验室、实践基地，并结合力学与工程虚拟实验平台，在虚拟环境下对作品或产品进行设计评估和改进，在获得实体实验验证的基础上，到实践基地参与制造、装配、调试等过程，实现机械产品开发的全程实践。学生也通过虚实结合设计的作品可用来参加机械类学科竞赛或者申报专利以完成知识产权的转换。

4 结语

依托四方面改造，吉首大学机械类专业形成了虚实混合动力驱动、共同赋能机械工程新工科人才培养的新格局，学生培养质量明显提高。学生的跨学科知识结构特色鲜明，工程实践能力突出，近三年在大学生机械创新设计大赛、大学生电子设计大赛、大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、中国高校智能机器人创意大赛等单科性学科竞赛中表现出彩，在“互联网+”大学生创新创业大赛等综合性学科竞赛中亦表现出众，获得省级及以上奖励百余项。在升学就业方面，一大批学生进入国防科技大学等双一流大学深造或成长为龙头企业的青年技术骨干。综合利用实体与虚拟两种教学资源，汇聚虚实混合动力，有效支持了民族地方高校机械类专业新工科建设与人才培养。

基金项目：湖南省新工科研究与实践项目（20209027），吉首大学教学改革研究项目（2022JSUJGB15）。

参考文献：

[1]蔡宗模，张海生，杨慷慨，吴朝平.西部扬帆——全面振兴西部高等教育的战略构想[J].重庆高教研究，2019，7（03）：25-38.

[2]吴金航，朱德全.少数民族高层次应用型人才需求的实证分析——基于150家企事业单位的需求证据[J].现代大学教育，2018（03）：86-93.

[3]陆国栋.“新工科”建设的五个突破与初步探索[J].中国大学教学，2017（05）：38-41.

[4]刘坤，刘鑫桥，李妍.教育数字化下的新工科新形态教学资源——逻辑内涵、要素特征与建设路径[J].高等工程教育研究，2023（04）：22-26+99.