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基于机械工程学科的新式工程教育模式改革探析

时间:2018-11-09 编辑整理:朱立达,宁晋生,巩亚东,史家顺 来源:早发表网

摘要:新工科建设势在必行,工程学科教育应当与时俱进。机械工程教育改革应当从社会经济发展、高校学科建设与人才竞争力提升的角度,准确把握学科专业建设与创新教育的契机,以常识体系、培养模式、教育资源为切入点打破壁垒、持续改进,助力新式工程教育模式的探索。

关键词:新工科;机械工程学科建设;教育模式改革;创新创业

培养一批学科理论基础厚、工程实践能力强、综合素质高的新型工程科技人才是支撑时代进步的必要条件,是高校工程学科教育的责任,也是新工科建设进程中的重要宗旨。当下高等工程教育正面临着新的挑战,在向着多样化大方向演化的同时,也力求完成从单一结构向多种结构的过渡与发展。机械工程学科作为工程学科门类中的重要分支,担负着为我国机械及相关行业提供人才支撑的重要使命,其是否能顺应新时代的新要求将直接影响到该学科与相关技术的进步以及国家经济建设和社会的发展。因此,如何高效利用教育资源并对现有资源进行整合再升级,建立一套比较完善的现代机械工程教学体系和创新型人才培养模式,是新工科建设过程中的重点研究课题。

一、机械工程专业教学与创新创业教育模式的契合点

1.社会经济发展角度:新时期赋予机械工程学科“新使命”

机械工程学科具有悠久的历史,在其引领下我国机械工业和制造业得到了飞速的发展。以机械工程学科常识为基础的制造业已经成为关系国民生计、经济发展和国防安全的支柱产业。在我国从制造业大国向制造业强国转型的道路上,高校人才培养工作肩负着重要的使命,是完成这一重大突破与转变的关键所在。

国务院办公厅在文件《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中指明了高校创新创业教育改革的主要任务和具体措施,突出强调了培养创新创业精神、提升创新创业能力的重要性。党的十九大报告明确强调,要加大创新创业人才培养的支撑力度,推动创新创业水平。

由此可见,创新创业已然成为当下教育改革的核心词。如果在对常识掌握的基础上能创新性地灵活应用,那么就抢占了重要的战略资源。所以在努力搞好学科建设这一环节要注重学以致用,充分结合创新创业元素。这要求高等教育必须更新传统教育中象牙塔式的教育模式,建立适应现代经济发展需要的人才构架,以实现教育结构类型的多样化。机械工程是典型的工程学科,自然要勇于创新,敢于尝试,贯彻以创新创业教育为核心的改革思路,不断扩散与渗透到改革实践当中,从而促进相关产业结构的调整与优化升级,推动领域内技术进步、社会经济可持续发展,实现制造强国和创新型国家建设的战略目标。

2.高校学科建设角度:立足学科,机械工程当焕发“新工科”之“新”

按照三螺旋模型理论,“大学作为新常识、新技术的来源,是常识经济的生产力要素;产业是进行生产的场所;政府则作为契约关系的来源,并确保稳定的相互作用与交换”。高校扮演社会轴心角色的核心原因在于大学是前沿常识的提供者。换言之,高校是国家经济发展的人才库、常识库、思想库和产业孵化器。建设与发展新工科是当前社会产业升级与发展的重要举措,也是高校在“双一流”建设浪潮中打破壁垒、突破传统从而提升工程学科建设水平的改革目标。

新工科可以理解为新兴产业学科,一方面指的是面向新兴产业能体现出学科交叉性、综合性的宽口径专业(譬如人工智能、云计算、智能制造等),另一方面也可以是在传统工科专业的基础上融入新科技的革新。机械工程学科的主要领域包括机械的基本原理、各类机械系统及产品的设计理论与方法、测量原理与技术、制造原理与技术、自动化技术、性能分析与实验、材料加工、工程控制与管理等。作为涉及几门工程类学科交叉、传统与现代相结合的专业,机械工程专业理所当然地成为新工科专业建设改革的排头兵。

就机械工程学科而言,主动调整学科体系构架、发展机械与新兴前沿学科相交叉的专业学科,是推动行业领域和区域人力资本结构转变、实现从传统经济向新经济转变的核心要素。同时,机械工程学科的进步与革新应当立足传统,要与现有的、独特的资源优势联系在一起,探索机械学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系,着实开展研究和实践,围绕新工科之“新”,努力形成新型机械工程教育模式和经验。

3.学生能力提升角度:工程人才竞争力以创新型专业教育为必要条件

进入“互联网+”时代,面向社会不同领域输出的人才比以往更加注重常识的更新、创造、使用和扩散,特别在工程领域这一点体现得尤为明显。当下所谓的高素质人才,其实就是创新性人才。创新运用常识的人处于核心竞争地位,这也符合CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)学问改革模式的要求.这类人才需要有良好的道德品质与真才实学,更重要的是要有十足的创新精神、先进的创新意识、过硬的创新能力,从而创造性地解决实际问题。

工程教育的实践性、综合性、经济性和创新性是工科人才培养的基本特征。从机械工程专业学生的角度来讲,每一位合格的毕业生应当具有扎实的机械专业常识储备,综合运用科学理论和技术手段分析工程问题的能力,采用科学方法对复杂工程问题进行研究的能力(包括设计实验、分析与说明数据),了解国家的机械产业相关政策,强烈的社会责任感与遵守工程职业道德规范的意识,自主学习与适应发展的能力,理解并掌握工程管理原理与经济决策方法的项目管理能力等等。这些列举出的能力与条件就是机械类毕业生进入社会融入行业的竞争力所在。

从学生角度来看(这里指工程学科的学生),他们在进入大学的那一刻起就贴上了工程领域后备军的标签,每位学生应当对自己专业常识的学习和未来的职业生涯有所规划,以此来约束自己、管理自己,引导自己达到那些足以证明自我竞争力的条件,况且各高校开设的职业生涯规划课程也会为学生提供这方面的专业引导。作为提供常识和学习平台的高校,应当极力地挖掘并合理利用学科资源(包括教师资源、实验平台、实习机会等),为学生创造一个宜学环境。高校只有在工程学科的建设上不断开放,包容创新,紧紧围绕在学生周围,才能实打实地让学生提高竞争力,以满足他们对自身的希望,培养出真正意义上的创新性人才。

二、新工科背景下机械工程专业创新教学工作切入点

在以往的机械学科教学改革实践中,不少高校与教育单位已经基本形成了一套具有自己特色的专业教育模式。在新工科背景下,工科教育要更加注重结构优化、模式创新、质量保障。因此,要深入开展更加多样化的探索实践,实现重点突破,打造工程教育的新范式(见图1)。

 

1.拓宽常识体系

《全球竞争力报告(2013—2014)》显示,中国在“Availabilityofscientistsandengineers”指标中仅排名第44位,而印度排名第15位。究其原因,是基于学科的常识体系限制了工程人才的培养。我国机械工程学科同样存在类似的弊病,因此要在学科常识体系上推陈出新。

(1)专业课程建设:保质争优,提高水准

国家级、省级精品资源共享课是提升教育教学的有效保障,例如东北大学省级精品资源共享课“机械制造技术基础”具有丰富、高质量的常识内容,已为多所高校和社会学习者所共享。精品课程建设应不断提高水平,学科建设团队也要以更高水准来更新现有的课程资源,争取做优。此外,在大数据时代,慕课建设、跨校选修课的设立也值得提倡,不同的教学团队互相学习,取其精华去其糟粕,学习者也可以通过“互联网+课程”的形式研修专业常识,以此在课程上出“新”,保障教学质量。

(2)不同课程之间:横向整合,纵向梳理

我国现行的高等教育课程,特别是工程类专业,大都采取“科学主义”课程理论构建学科的课程体系和结构。这种课程理念表现出来的特点是:重常识逻辑结构,轻常识发展历史过程;重常识纵向研究,轻常识应用和相互渗透。虽然近几年经过改革有了一些变化,但还没有突破原有的束缚。

结合《中国机械工程学科教程》的建议,机械工程专业推荐开设的主干课程分为以下四个模块:机械基础理论模块、机械设计模块、机械电子模块及机械制造模块。不同的高校有不同的专业办学特色,因此对于课程的组合方案因校而异。但是在不拘泥于课程常识单元组合方式的情况下,专业教学团队应当弄清楚不同课程之间的内在认知关系。图2给出的是宏观认知上不同模块之间基本课程的关系图。

 

“横向整合”,即在教学过程中教师需要尽可能把握不同课程之间有关联的常识点间的横向联系,以确保学习者在理解一些重点难点上收到良好的效果。比如,在课程“机械制造技术基础”中讲到装配尺寸链的计算一节时,教师应将其他课程(如互换性与测量技术、机械制图等)涉及公差的常识点联系起来,带动学生做到融会贯通,为学生后续实践过程提供扎实的理论基础。

“纵向梳理”,可理解为对某一常识模块的一种系统性的总结升华,要尽可能地对某一常识点的来龙去脉做出全面的剖析与深入的拓展。比如“机械制造技术基础”课程的“金属切削机床”一章中先容到机床CA6140的构造、参数、工作原理、工艺范围等内容时,应从机床最初的模型为起点讲授,以其结构优化与功能整合的历程为主线,延伸至目前先进加工中心的推广与应用。这样一来,将机床改进发展的过程辅助于对特定型号机床的认知,在一定程度上会激发学生的学习兴趣,使学习者更加全面地了解相关的教学内容。

(3)不同学科之间:消除壁垒,交叉融合

对新型工科专业的探索是新工科建设中非常重要的一环,创新型、综合性工程专业的设定是面向新经济发展需要、面向未来甚至面向世界的,要达到这个目标需要大家从根本上对传统工科专业进行更新升级。

学生进入高校后,相当于走进了自己所学专业的“学科轨道”,其他学科的常识对自己来讲几乎是“事不关己高高挂起”的态度。这使得我国各专业人才,尤其是工程教育本科阶段均存在不同程度的过分专门化、过早专业化、通识教育不足等弊端,使得学生获取的常识限于狭窄的单一学科领域,工程人才常识体系不完善。

机械工程是一门研究如何将各种常识和信息融入到整个产品的设计制造以及控制过程中的学科。整个学习过程不仅需要掌握现代工程技术常识(包括机械设计制造、材料工程、控制工程、计算机科学与技术等),还涉及物理学、化学等理学学科甚至人文类学科在内的诸多学科常识的交叉应用。机械工程专业所培养出的合格毕业生除了对本专业常识的掌握以外,还要能熟练地运用上述其他学科的相关专业常识。这样,无论在将来从事设计制造类还是研发类工作,都能满足产业领域内不同岗位对工程人才的需求,他们设计制造出的机械产品才有市场竞争力。

综上,大家不仅要构建一批新专业,而且要面向产业、面向先进领先技术、面向社会发展需求进行适当的专业基础整合,以产业需求引领改革方向,突破传统机械的思维模式,关注新工科的动态特征,打破“学科陷阱”和“路径依赖”,促进多学科交叉与深度融合,为学生提供更自由的选择与发展空间。

(4)科研教学之间:引“研”入“学”,以“学”辅“研”

一般而言,学生从课堂上获取得到的仅仅是成熟甚至是陈旧的常识,很少主动去接触了解学科前沿的创新应用。特别是针对类似于机械工程等对应用性、操作性、实践性要求较强工程类专业,往往教材上的东西无法满足实际工程需求。因此,专业课程建设与科研探索之间的这种相对独立和自成体系的状态是新工科建设的一大制约因素。

大学教师作为授课的主体,同时也是科研的一分子,应当努力挖掘科研成果中能与所授课程联系在一起的常识点,总结凝练之后在课堂、课程设计、生产实习或毕业设计等过程中即可与学生共同推演,使理论尽可能得到实践验证。在这个过程中,本科生的创新实践能力不仅得到了培养,其科研思维也得到了训练。

2.调整培养模式

模式创新是新工科建设的一项重要任务。大家要不断开辟工程教育信息化的套路,致力于将信息技术融入工程教育的方方面面,全力打造“互联网+”新型工程教育教学方法,以先进的培养模式带动工程教育效率的提升,保障教学质量。

(1)以学生为中心,变被动为主动学习

要求学生充分利用课程建设团队打造开设的一系列网上教学资源,逐步适应以教师为中心转化为以学生为中心的教学模式。学生根据自己能力上的不足,可以个性化地选择自己需要弥补的课程,主动学习、主动实践,使其在自主学习过程中真正地发现问题,带着问题去思考学习,坚持以问题为导向,从而提高学生独立解决问题的能力,激发出更强烈的学习热情,达到提升工程人才培养水平的目标。

变被动为主动,兴趣是最好的老师。在创新性人才培养过程中,极大化地激发学生的学习兴趣,并引导其感受学科的乐趣所在。学生通过互联网进行自主学习,即可达到这一效果。除此之外,回归课堂,不仅使科研成果合理适当地融入教学环节,还要科学地应用仿真方法对某些常识点进行深刻的解读与剖析,并且,尽可能地让学生动手设计完成实验,使“理论建模、仿真分析、实验验证”的思路贯穿始终,激发学生的兴趣,切实体会到所学专业的魅力。

(2)实现学分互认,优化考核评价机制

学分互认,不仅使学生对本校某门课程的内容特色有详细的认识,而且还有机会接触到外校同专业的教学内容和教学思想。当然,线上课程的开设也同样为学分的获取提供了“服务”。学分互认课程的实施与推广,对“互联网+课程”的新兴教学模式起到了促进作用,学生拥有更多、更优秀的学习资源,也得到了更便捷的学习途径,极大地发挥了学生在自主学习过程中的主观能动性。

机械工程专业除了必修、选修课程以外,一系列实验、生产实习、课程设计(机械设计、机械制造工程学等)、毕业设计等也有对应的学分,应当对上述涉及学分的实践部分进行综合考评。针对卷面考试成绩的统计与分析,绝不只是对各个授课群体之间进行简单的比较,还要力求细化统计结果,极大化地反映出学生对某些常识点的理解程度、课程常识体系的新颖程度、课程设计完成创新度是否合格等。优化考核机制,不是增大难度,而是要切实反映工程专业毕业生是否达到理论常识水平扎实、实践能力达标、创新意识为主导等要求。

(3)注重合作交流,汲取经验回馈教学

借鉴国际先进的教学理念和标准,明确工程教育的发展重点和方向是新工科建设的必然要求。工程教育更不能闭门造车。学校通过定期组织学习交流,包括校内相近学科之间的沟通、与外校工程教学的互补、与国际先进模式的学习,以及对相关企业工程经验的引进等,对专业教学起到一定的示范作用。同时,学生在交流过程中的积极互动,有利于激发其对所学专业的热爱。以此多方面推动教学的进步,提高课程建设水平。

3.更新配套资源

(1)强化教师水平,创新意识上行下效

教师的教学水平、教学经验、实践工程能力、创新创业意识、教学热情和积极性等直接影响教学质量。在新工科建设中,为了不因陈旧跟不上时代而被淘汰,需要对当前教师的各方面能力做出进一步的要求与拔高。最为关键的,也是对教师要求的第一步,即提高教师本身对于创新创业教育理论的认知水平。有必要对工程专业教师进行相应的创新创业教育理论培训,增强教师队伍的创新意识,从而潜移默化地将创新思维在课堂上传输到学生身上,以身作则,上行下效,师生共同营造创新氛围,为新型工程教育开路导航。

(2)丰富教学资源,线上线下双管齐下

拥有充分且与时俱进的教学资源是提升教学质量、探索新工科自主发展道路的重要保障,工程教育更加强调教学资源的充分利用。

目前,二维码应用与日俱增,它将成为桥接现实与虚拟最得力的工具之一。在教材编写过程中建立网上数据库,将常识点详解以及录制好的教学视频存于其中,学习者通过印在书本上的二维码获取相应的网络课程视频,进行自主学习。此外,采用实体模型、计算机辅助教学的方式,可以提升授课的趣味性,将抽象的常识点变得形象直观。比如在刀具角度一节中,仅用多媒体视频图片的形式讲授4个参考平面(基平面、切削平面、主剖面和切削刃法剖面)和5个基本角度(前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角),不仅教学效率低,学生也不易理解。如果将刀具结构通过三维CADApp绘制并采用3D打印技术打印出来,使用实体道具结构让各个平面和角度展现在学生面前,理解起来更加直观,达到事半功倍之效。

因此在教学中,要充分利用互联网的优势,整合资源,结合线上线下平台,达到理想的教学效果。

(3)广搭实践平台,理论应用充分结合

实践是检验真理的唯一标准。实践环节是高素质工程人才培养过程中不可或缺的一部分。学科建设应当配置以高校为主体的多元协同实践资源作为保障。由高校、企业、科研机构、行业协会等多主体共同参与,通过建立跨学科交融的新型机构、产业化学院等方式,突破体制机制瓶颈,为培养新工科人才提供平台。

三、总结

工程改变世界,改革呼唤创新。在建设新工科这一探索与实践的过程中,产业的升级、经济的发展明确了工程教育改革的方向;“一流学科”建设为高校探索新式工程教育模式提供了动力;工程人才竞争力的提升为相关学科的创新性建设提出了具体的要求。应当在宏观上牢牢把握不同工程类专业与创新创业教育模式的契合点,基于此设定改革与发展目标,并且以专业常识体系、人才培养模式和配套教育资源为具体的工作切入点,响应创新创业号召,注重理念引领,探索形成符合高校所在地域特色、中国国情的世界一流工程教育体系,以支撑国家创新发展,抢占世界创新中心和人才高地,赢得全球工程领域的竞争力。


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