機(jī)電工程實驗教學(xué)保障體系建設(shè)與探索

劉元朋，蔣志強(qiáng)

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450015)

·實驗教學(xué)改革、探索與創(chuàng)新·

機(jī)電工程實驗教學(xué)保障體系建設(shè)與探索

劉元朋，蔣志強(qiáng)

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450015)

實驗教學(xué)保障體系是工程教育改革的基石，必須構(gòu)建適應(yīng)工程教育改革發(fā)展需要的實驗教學(xué)保障體系。文中以機(jī)械專業(yè)工程教育改革為背景，闡述了“一個中心、兩條主線、三個平臺、四個面向”的實驗教學(xué)保障體系的內(nèi)涵及意義，為高校實驗室的改革發(fā)展提供借鑒與參考。

工程教育; 實驗教學(xué)；保障體系；機(jī)械專業(yè)

美國工程院院長查爾斯·韋斯特有句名言：“擁有最好工程人才的國家占據(jù)著經(jīng)濟(jì)競爭和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的核心地位”。很多國家都將工程技術(shù)人才培養(yǎng)提升到國家戰(zhàn)略的高度，把培養(yǎng)未來工程師作為重要戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》明確提出：“健全教學(xué)質(zhì)量保障體系：注重知行統(tǒng)一，堅持教育教學(xué)與生產(chǎn)勞動、社會實踐相結(jié)合，開發(fā)實踐課程和活動課程，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)實驗、生產(chǎn)實習(xí)和技能實訓(xùn)的成效”。為貫徹落實綱要的精神，教育部啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，其中實驗教學(xué)保障體系是工程教育改革的重要環(huán)節(jié)之一[2-8]。

面對工程教育新的發(fā)展形勢，大多數(shù)地方高校實驗教學(xué)保障體系還不能滿足工程教育發(fā)展的迫切需要，主要表現(xiàn)為“三個不適應(yīng)”：對企業(yè)技術(shù)升級過快不適應(yīng)；對創(chuàng)新教育需求提高不適應(yīng)和對工程能力教育高要求不適應(yīng)。主要原因是高校實驗室硬件更新速度跟不上企業(yè)技術(shù)發(fā)展的腳步；實驗教學(xué)從附屬于理論教學(xué)向引導(dǎo)理論教學(xué)方向轉(zhuǎn)變過程較慢；實驗資源從分散低效向整體高效化方向轉(zhuǎn)變過程較慢等方面，這與工程教育改革的實際需求有很大差距。為此，地方高校必須深化實驗教學(xué)保障體系改革，以有限的經(jīng)費、有限的場地、有限的師資來滿足技術(shù)更新速度、創(chuàng)新能力、工程實踐等專業(yè)改革對實驗教學(xué)提出的新需求。本文以工程教育改革的發(fā)展需求為背景，重點探討鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院實驗教學(xué)保障體系的重構(gòu)，以期為“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”等專業(yè)改革項目提供建議和參考。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

1.1 基本情況

我院機(jī)電工程實驗中心是河南省實驗教學(xué)示范中心(以下簡稱中心)，是河南省高等學(xué)校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)“省級特色專業(yè)建設(shè)點”“省級專業(yè)綜合改革試點”和“校級卓越工程師培養(yǎng)計劃”項目的重要組成部分。我院機(jī)械基礎(chǔ)實驗室始建于1981年，電氣實驗室建立于1984年，在各個不同的歷史發(fā)展時期，我們始終致力于機(jī)電實驗教學(xué)改革的探索與實踐。1996年根據(jù)機(jī)械類專業(yè)改革發(fā)展的需要，將原來分散的基礎(chǔ)課實驗室集中管理，成立了機(jī)電工程實驗中心。中心由機(jī)械基礎(chǔ)實驗室、機(jī)械制圖實驗室、力學(xué)實驗室、機(jī)電控制實驗室、機(jī)械制造實驗室、先進(jìn)制造實驗室等部分組成，實行校院兩級管理體制和中心主任負(fù)責(zé)制。經(jīng)過多年建設(shè)，目前中心擁有3 000 m2左右，儀器設(shè)備2 000多臺件，價值1 500多萬元，能夠開設(shè)的實驗項目有200多個；實驗隊伍有40余名，其中高級職稱教師24名，具有博士學(xué)歷教師15名。中心主要承擔(dān)著機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、材料成型及控制工程、工業(yè)工程、飛行器動力工程專業(yè)等近機(jī)類專業(yè)課程實驗教學(xué)任務(wù)，同時為物流管理、物流工程、質(zhì)量與可靠性工程等我校管理類專業(yè)提供“機(jī)械工程概論”“先進(jìn)制造”等管工結(jié)合特色教學(xué)任務(wù)，每年完成的學(xué)生實驗達(dá)18萬實驗人時數(shù)。

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

2010年《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定(國發(fā)〔2010〕32號)》把代表中國制造業(yè)金字塔頂端的高端裝備制造產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，重點發(fā)展以干支線飛機(jī)和通用飛機(jī)為主的航空裝備，做大做強(qiáng)航空產(chǎn)業(yè)，這是“十二五”期間我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。產(chǎn)業(yè)升級是我國經(jīng)濟(jì)社會領(lǐng)域的一場深刻變革，其中人才是推動產(chǎn)業(yè)升級的真正支撐[9-10]。在技術(shù)創(chuàng)新日新月異、航空武器裝備不斷跨代升級的今天，中國航空工業(yè)(以下簡稱中航工業(yè))提出了“以人力資源升級助推發(fā)展方式轉(zhuǎn)型”的戰(zhàn)略[11]，對高素質(zhì)工程技術(shù)人才需求非常迫切。作為一所與中航工業(yè)有多年歷史淵源的高校，如何建立人才培養(yǎng)與輸送平臺，培養(yǎng)更多適應(yīng)航空工業(yè)發(fā)展需求的人才，是我院可持續(xù)辦學(xué)的必然要求。

面對行業(yè)需求，中心還存在巨大差距：中航工業(yè)機(jī)械加工基本數(shù)控化，而中心還是以老舊的普通機(jī)床為主，僅有少量的教學(xué)型數(shù)控設(shè)備；中航工業(yè)基本上實現(xiàn)了設(shè)計加工一體化，而中心在數(shù)字化設(shè)計方面僅有少量軟件，且還與中航工業(yè)一線應(yīng)用軟件不一致，更談不上一體化操作；中航工業(yè)的制造檢測越來越精密化，而中心僅能滿足簡單測量要求；中航工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用越來越普及，而中心由于資金限制還無法滿足先進(jìn)制造技術(shù)對實驗保障的要求。此外，“特色專業(yè)”“專業(yè)綜合改革試點”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等工程教育改革項目對中心也提出了很大挑戰(zhàn)，需要中心在實驗保障體系整體化、學(xué)生自主實驗等方面給予支持。

2 實驗教學(xué)保障體系的建設(shè)理念和內(nèi)涵

2.1 建設(shè)理念

面對行業(yè)發(fā)展需求和工程教育改革挑戰(zhàn)，中心以先進(jìn)的工程教育理念為指導(dǎo)，提出了“強(qiáng)化理論、融入工程、突出創(chuàng)新、重視績效”的建設(shè)理念。強(qiáng)化理論主要是指加強(qiáng)實驗室對理論課程的支持力度和深度，特別是核心理論課程的支撐。融入工程主要是指將行業(yè)的工程理念、工具、技術(shù)路線有選擇地逐步融入實驗室保障體系建設(shè)中，從而為專業(yè)培養(yǎng)計劃改革提供引導(dǎo)和支撐。突出創(chuàng)新主要是指強(qiáng)化實驗室對學(xué)生的創(chuàng)新意識引導(dǎo)、創(chuàng)新活動支持。重視績效主要是指實驗室建設(shè)要以有限的資源和空間來滿足學(xué)生知識基礎(chǔ)、能力基礎(chǔ)、創(chuàng)新意識能力培養(yǎng)的要求，同時注意加強(qiáng)與校內(nèi)外單位的合作來滿足難易實現(xiàn)的實驗需求。

2.2 建設(shè)方案

根據(jù)建設(shè)理念，中心在學(xué)院的支持下，實現(xiàn)了對實驗教學(xué)保障體系的改革，提出了“一個中心、兩條主線、三個平臺、四個面向”的實驗教學(xué)保障體系建設(shè)方案[12-14]，如圖1所示。

圖1 實驗教學(xué)保障體系建設(shè)流程框架

2.2.1 “一個中心”的內(nèi)涵

中心是實驗教學(xué)保障體系的服務(wù)目標(biāo)，所謂“一個中心”，也就是構(gòu)建一個有機(jī)的實驗保障體系以學(xué)生實踐需求為中心，它包括兩層含義：從機(jī)構(gòu)建設(shè)角度來講，就是建設(shè)一個滿足專業(yè)發(fā)展的有機(jī)的實驗教學(xué)保障體系；而從教學(xué)職能角度講，就是以學(xué)生實踐能力培養(yǎng)需求為中心。

圍繞有機(jī)實驗教學(xué)保障體系這個中心，可以從四個方面進(jìn)行建設(shè)：注意實驗室教學(xué)、科研的有機(jī)統(tǒng)一；注意中心實驗室之間的有機(jī)協(xié)調(diào)；注意中心設(shè)備與外單位設(shè)備之間的有機(jī)協(xié)調(diào)；注意中心設(shè)備與行業(yè)需求的有機(jī)統(tǒng)一。從而構(gòu)建一個整體化運作良好的實驗保障體系來滿足專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

圍繞提高學(xué)生實踐技能這個中心，可以從三個方面進(jìn)行建設(shè)：通過開設(shè)理論實驗課，對學(xué)生知識基礎(chǔ)進(jìn)行培養(yǎng)；通過開設(shè)一體化的工程實驗，對學(xué)生工程能力進(jìn)行培養(yǎng)；通過開設(shè)自主實驗、科研體驗等項目，對學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)。

2.2.2 “兩條主線”的內(nèi)涵

主線是實驗教學(xué)保障體系的組織形式，是連接實踐資源和社會需求的橋梁?！皟蓷l主線”包括專業(yè)能力主線和創(chuàng)新能力主線，其中專業(yè)能力主線是主線，創(chuàng)新能力主線是輔線。對機(jī)械專業(yè)來講，專業(yè)能力逐漸從機(jī)械知識素養(yǎng)向機(jī)械工程能力要求過渡，這需要實驗教學(xué)保障體系為其提供相應(yīng)的改革環(huán)境。這個改革環(huán)境主要是將傳統(tǒng)的依附于理論課程的離散實驗單元向工程能力培養(yǎng)需要的鏈?zhǔn)絾卧Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，依據(jù)專業(yè)能力主線進(jìn)行實驗教學(xué)保障體系的一體化設(shè)計，從而更好地滿足社會對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)需要。隨著產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)革新，創(chuàng)新在企業(yè)變得越來越重要，相應(yīng)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)在機(jī)械專業(yè)教育中的地位也越來越重要，它是基于專業(yè)能力主線基礎(chǔ)上，對實驗教學(xué)保障體系提出的更高要求，使學(xué)生的工程實踐能力得到進(jìn)一步升華。創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求學(xué)生具備更廣闊的專業(yè)視野和更多的實踐機(jī)會，這是舊的保障體系所無法滿足的，必須在原有專業(yè)實驗保障體系上衍生新的相對獨立的創(chuàng)新實驗保障體系，來不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2.3 “三個平臺”的內(nèi)涵

平臺是指實驗教學(xué)保障體系的單元屬性，是實驗保障體系的基礎(chǔ)?！叭齻€平臺”包括科研實驗室、教學(xué)實驗室、自主實驗室。教學(xué)實驗室主要是主要用來滿足專業(yè)理論教學(xué)需求，對于地方高校來說，基本都能保障，但是也存在著設(shè)備老化、整體性差的問題?？蒲袑嶒炇抑饕脕肀Ｕ蠈I(yè)可持續(xù)發(fā)展問題，通過它高?？梢圆粩嘁M(jìn)學(xué)科前沿技術(shù)，進(jìn)行不斷引領(lǐng)專業(yè)知識和課程更新。自主實驗室主要是用來克服傳統(tǒng)實驗室管理模式局限性，拓展實踐教學(xué)內(nèi)涵，創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手制作、自主管理，是前兩種平臺功能的重要補(bǔ)充。

2.2.4 “四個面向”的內(nèi)涵

面向是指實驗教學(xué)保障體系的發(fā)展方向，是社會需求的體現(xiàn)。“四個面向”包括面向工程、面向行業(yè)、面向地方、面向未來。面向工程是指機(jī)械類專業(yè)的實驗教學(xué)保障體系要逐漸從傳統(tǒng)理論服務(wù)向工程教育服務(wù)轉(zhuǎn)變。面向行業(yè)是指要依據(jù)專業(yè)所服務(wù)的行業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，做好教學(xué)與科研設(shè)備同企業(yè)的工具、方法統(tǒng)一，使專業(yè)培養(yǎng)和行業(yè)需求盡量做到無縫銜接。面向地方是指要依據(jù)專業(yè)在做好行業(yè)服務(wù)的同時，加強(qiáng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的能力。面向未來是指實驗教學(xué)保障體系一定要做好專業(yè)社會需求跟蹤調(diào)查，及時理清專業(yè)發(fā)展所需的新技術(shù)、新設(shè)備，作為建設(shè)規(guī)劃和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，以便更好地引領(lǐng)專業(yè)的發(fā)展方向。

3 實驗教學(xué)保障體系的建設(shè)實踐

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程實驗中心按照“一個中心、兩條主線、三個平臺、四個面向”的實驗教學(xué)保障體系建設(shè)方案，對原有實驗體系進(jìn)行了改革，同時結(jié)合依托中心的河南省高校工程技術(shù)研究中心、鄭州市重點實驗室項目建設(shè)，對實驗教學(xué)保障體系進(jìn)行了重新構(gòu)建，并取得了不錯成績。

3.1 實現(xiàn)了與行業(yè)技術(shù)的對接

中航工業(yè)在制造技術(shù)方面，基本上實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)控化加工，為此我們按照行業(yè)需求對中心的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了更新，更新了傳統(tǒng)的Pro/E設(shè)計系統(tǒng)、MasterCAM仿真軟件系統(tǒng)，構(gòu)建了UG、Vericut、數(shù)控機(jī)床等專業(yè)加工主線實驗教學(xué)保障體系。從而實現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)實踐教學(xué)與企業(yè)的同步，通過三維數(shù)字化設(shè)計、NC程序的幾何仿真、數(shù)控機(jī)床仿真等實驗項目，提高了中心的數(shù)字化集成制造技術(shù)教學(xué)的效果。

3.2 構(gòu)建了專業(yè)主線明確的實驗單元群

近幾年依托中心創(chuàng)建了河南省高校重點實驗室培育基地“航空材料與工程技術(shù)”，河南省高校工程技術(shù)研究中心 “航空制造及裝備”，鄭州市重點實驗室 “航空產(chǎn)品數(shù)字化制造”等一批科研型實驗室，投資1 200多萬元購置了三維掃描儀、快速成型機(jī)、激光非接觸變形測量系統(tǒng)、超聲C掃描系統(tǒng)、場發(fā)射掃描電鏡暨能譜系統(tǒng)、X射線衍射儀等一大批先進(jìn)儀器設(shè)備，提升了科研實驗室的保障能力。依托科研實驗室和原有的教學(xué)實驗室，我們按照建設(shè)方案，參照工程能力培養(yǎng)要求，我們建設(shè)了產(chǎn)品快速開發(fā)主線實驗單元、數(shù)字化設(shè)計制造主線實驗單元、機(jī)械基礎(chǔ)能力實驗單元等單元集群，從而初步構(gòu)建了反映專業(yè)主線的實驗教學(xué)保障體系。

3.3 構(gòu)建了創(chuàng)新主線明確的實驗教學(xué)保障體系

中心依托教學(xué)實驗室，壓縮驗證性實驗比例，增加綜合性、設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生綜合、全面、系統(tǒng)分析問題的實際能力，為進(jìn)一步創(chuàng)新活動打基礎(chǔ)。依托科研型實驗室構(gòu)建機(jī)械加工類、設(shè)備維修類、數(shù)字化開發(fā)類開放性實驗項目，鼓勵學(xué)生全方位參與實驗教學(xué)，通過教師指導(dǎo)學(xué)生動手，讓學(xué)生全面了解機(jī)械學(xué)科創(chuàng)新流程。此外，作為學(xué)生創(chuàng)新的重要平臺學(xué)生自主實驗室，是為了給學(xué)生提供更多的獨立的實踐創(chuàng)新機(jī)會，讓學(xué)生自己組織進(jìn)行調(diào)查、立項、設(shè)計、制作、分析，并開展項目的實施、預(yù)算、安全、庫存管理等活動，通過這一系列的活動培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力以及工程實踐能力、綜合集成能力和管理能力。中心首先將報廢的機(jī)床等儀器設(shè)備資源提供給學(xué)生，構(gòu)建了機(jī)械裝置拼裝實驗室。此外，還按照學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新需求購置了鉆床、車床、精密臺鋸、數(shù)控雕刻機(jī)等一批簡易設(shè)備，專門供學(xué)生創(chuàng)新活動用。另外，還為學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”等各種大賽活動，構(gòu)建了慧魚創(chuàng)意組合模型實驗室和未來伙伴機(jī)器人套裝模型實驗室。最后，為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，成立了北京億維訊科技有限公司開發(fā)的TRIZ創(chuàng)新方法軟件實驗室，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新。

4 效果

4.1 提升了實驗教學(xué)保障體系成效

以往實驗保障體系分割依附于理論教學(xué)和科學(xué)研究，且理論實驗室又進(jìn)一步依附于專業(yè)課程教學(xué)，造成理論知識更新速度影響實驗保障體系更新速度。此外，科研實驗室新的儀器設(shè)備又脫離專業(yè)教學(xué)，致使其對專業(yè)教學(xué)的影響很小。新的建設(shè)思路注重教學(xué)與科研實驗資源的協(xié)調(diào)，并且以學(xué)生能力培養(yǎng)為中心，面向社會需求進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃，有效地提高了實驗設(shè)備資源的實用性。

4.2 提高了實驗保障體系的活力

根據(jù)本建設(shè)方案，既提高了實驗保障體系對社會需求的響應(yīng)速度，同時提高的響應(yīng)的針對性，從而避免了實驗教學(xué)保障體系對社會需求的滯后性，為專業(yè)教學(xué)、科學(xué)研究、學(xué)生創(chuàng)新等活動提供了有力支撐。

4.3 提高了實驗教學(xué)保障體系的水平

在實驗教學(xué)依附于專業(yè)課程教學(xué)時，實驗室的建設(shè)、管理均無統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計，造成教學(xué)、科研實驗室重復(fù)無銜接的建設(shè)，自主實驗室更是無從談起，實驗教學(xué)處于配角地位不受重視，科研教學(xué)資源得不到有效利用。而新的建設(shè)方案，有效地利用了科研實驗資源、同時又補(bǔ)充了自主實驗資源，并且對實驗教學(xué)保障體系進(jìn)行了統(tǒng)一頂層設(shè)計，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的人力、物力短缺，為實驗教學(xué)提供了更多的資源保障，進(jìn)而提高了服務(wù)的水平和質(zhì)量。

5 結(jié)束語

“一個中心、兩條主線、三個平臺、四個面向”的建設(shè)思路符合當(dāng)前中國工程教育改革的精神，在實驗室建設(shè)方面具有重要的指導(dǎo)作用。能為高校實驗室的改革發(fā)展提供借鑒與參考。

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Exploration on Constructing Experiment Teaching Guarantee System of Mechanical and Electrical Engineering

LIU Yuanpeng, JIANG Zhiqiang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China)

Experimental teaching guarantee system is the cornerstone of engineering education reform, which is constructed to adapt to the development needs of engineering education reform. Taking mechanical specialty engineering education reform as background, this paper elaborated the connotation and meanings of the new pattern of laboratory construction “one center, two main lines, three platforms, four facings ” ，which might provide references for the reform and development of university laboratories.

engineering education; experiment teaching; guarantee system; mechanical specialty

2013-11-18；修改日期: 2014-03-10

河南省高等教學(xué)改革省級研究基金資助項目(2014SJGLX284)。

劉元朋(1976-)，男，博士，副教授，主要從事機(jī)械工程教育改革工作。

G482;F407.4;F407.6

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.015