高校工科專業(yè)綜合實踐教學一體化建設研究與實踐

高鐵紅 張爭艷 孫立新 張建輝 喬國朝 曲云霞

摘 要：結合工科各專業(yè)應用領域的特定問題，以作品為引導，以作品構思到實施運行的整個工程周期為載體，將不同綜合實踐教學環(huán)節(jié)有機結合形成一個大實踐平臺，進行專業(yè)綜合實踐教學內容一體化建設。文章以機械類專業(yè)綜合實踐教學一體化建設具體實施實踐為案例進行介紹，經過實踐驗證，該教學新模式在培養(yǎng)學生工程系統(tǒng)能力、創(chuàng)新能力、實踐動手能力、團隊協(xié)作能力、綜合應用所學專業(yè)知識分析問題和解決工程實際問題的能力等方面是行之有效的。

關鍵詞：專業(yè)綜合實踐教學一體化；研究；實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）04-0013-03

Abstract： Based on some special problems in engineering fields， this new practical teaching pattern focuses on training students in the whole engineering cycle from concept design， detailed design to manufacture on one big practical platform， which combines the existing different integrated practical teaching patterns. Furthermore， this new practical teaching pattern has been implemented in School of Mechanical Engineering of Hebei University of Technology， and the implementation result demonstrates that this new teaching pattern is valid and plays an important role in developing and improving students' abilities such as innovation ability， practical ability， group cooperation ability， and the ability of analyzing and solving practical engineering problems based on studied major courses， and so on.

Keywords： professional comprehensive practice-teaching integration； research； practice

引言

教育的根本問題不是教師教了多少知識， 而是學生真正能夠學到和掌握多少知識，更重要的是鍛煉解決工程問題的思維和方法。學生在校獲得知識的有效途徑之一是通過教師課堂講授使學生汲取知識的營養(yǎng)， 另外一個更重要的途徑是通過實踐教學環(huán)節(jié)使學生真正掌握知識的真諦及應用價值。在高等工科教育中，實踐教學環(huán)節(jié)尤為重要， 它是培養(yǎng)具有工程系統(tǒng)能力、創(chuàng)新意識和動手實踐能力的高級專門技術人才的關鍵。如何培養(yǎng)學生的工程系統(tǒng)能力、創(chuàng)新意識和動手實踐能力，各個高校針對自身的特點采取了很多辦法和措施，取得了一定的成果[1-4]。

工科院校專業(yè)綜合實踐課程大多是在專業(yè)課結束后獨立開設的實踐環(huán)節(jié)，學生在此之前已經學習了各門專業(yè)基礎課和專業(yè)課程。學生學習課程過程按照知識結構進行分課程學習，由不同的老師授課，單門課程的實驗也是為了驗證課堂理論知識，并且學生學習的知識多是從專業(yè)領域中抽取出來的知識，缺乏工程應用情境，難以直接運用到具體的工作中。另外，高校本科現(xiàn)有的課程大多是學生通過聽課和自主學習來掌握知識和技能，缺乏與其他同學合作共同完成項目的機會。

專業(yè)理論教學后的專業(yè)綜合實踐環(huán)節(jié)（包括專業(yè)方向課程設計、專業(yè)實踐課、畢業(yè)設計等），是專業(yè)理論知識的綜合應用訓練環(huán)節(jié)。專業(yè)綜合實踐教學的設置有助于融合現(xiàn)有單項課程的知識與技能，溝通現(xiàn)有各學科的內容和活動，引發(fā)學生更深刻地理解專業(yè)知識并激發(fā)學生向較高層次的思考。在專業(yè)綜合實踐環(huán)節(jié)中主要完成的教學內容應該是針對專業(yè)應用領域的特定問題，在教師引導下，學生綜合運用專業(yè)知識和技能，形成解決問題的方案并在實踐中進行實現(xiàn)。以往在專業(yè)綜合實踐教學環(huán)節(jié)內容安排和組織管理上，大多采取各自為戰(zhàn)，即各個教學環(huán)節(jié)完成各自的綜合訓練內容，每一個環(huán)節(jié)之間內容上沒有有機的關聯(lián)在一起，學生僅是被動參與單一教學環(huán)節(jié)的訓練，不是按照如何實現(xiàn)一個工程項目來進行工程系統(tǒng)能力、設計能力、動手實踐能力等方面能力的綜合培養(yǎng)。

對于高校工科專業(yè)學生來說，能否針對一定的功能需求提出一個實際工程項目，能否針對項目提出解決問題方案、能否通過自行設計制作將方案付諸實施，形成一個具有一定功能產品（或作品），這些必備的工程系統(tǒng)能力非常重要。

本文針對工科院校專業(yè)綜合實踐教學一體化建設模式進行研究，并以機械設計制造及自動化專業(yè)綜合實踐教學一體化建設的具體實施為例展開討論。

一、專業(yè)綜合實踐教學一體化建設思路

專業(yè)綜合實踐教學內容一般可以分為兩個層次： 基本層次和較高層次?；緦哟卧谡n程訓練內容上注重多樣性和綜合性，使學生能夠有效利用自己的專業(yè)知識技能去完成一些常規(guī)任務，達到對某專業(yè)領域知識的綜合訓練； 較高層次在課程內容上追求工程系統(tǒng)性和創(chuàng)新性的實踐，使學生能夠主動提出創(chuàng)意或針對工程實際問題，設計并完成具有一定應用價值的作品，該層次可以為學生提供豐富的專業(yè)知識運用情境，引導學生嘗試解決實現(xiàn)一個實際項目中可能遇到的各種問題。

現(xiàn)有的綜合教學實踐環(huán)節(jié)一般都能夠實現(xiàn)基本層次教學內容要求，例如，機械設計制造及其自動化專業(yè)的綜合實踐課程內容可以分別進行機械產品設計訓練、機械零件數(shù)控編程與加工制造訓練、機電傳動與控制訓練等。但是要實現(xiàn)較高層次的專業(yè)綜合實踐教學，比如，構思并設計制作一個具有一定功能的產品（或作品），則必須將各個實踐環(huán)節(jié)綜合起來進行一體化建設。

為此，本文提出專業(yè)綜合實踐教學一體化建設思路，具體是：首先，結合工科各專業(yè)應用領域的特定問題，在教師引導下，學生以團隊協(xié)作的方式提出具有一定功能的作品選題，綜合運用專業(yè)知識和技能，提出問題解決方案；其次，以作品為引導，以作品構思到實施運行的整個周期為載體，將不同綜合實踐教學環(huán)節(jié)有機結合形成專業(yè)綜合實踐平臺。

在專業(yè)綜合實踐教學一體化建設具體教學實施環(huán)節(jié)中，不同學校和不同專業(yè)的綜合實踐教學環(huán)節(jié)可能設置有所不同，例如，有的大學在第七學期末設置專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)、第八學期初設置專業(yè)綜合實踐課教學環(huán)節(jié)等，可以將專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)和專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)有機結合在一起進行作品引導的綜合實踐教學一體化建設，其組織實施分為三個階段（如圖1所示）：作品選題與方案確定階段、作品設計與反復修改階段、作品制作與運行階段。這三個階段內容是以作品為引導的相輔相成的有機整體，學生參與過程是在已經具備專業(yè)知識的前提下，以作品構思與實現(xiàn)為主線的完整工程系統(tǒng)訓練過程。在整個訓練過程中，學生是主體，負責構思、設計與實施；教師是客體，負責進行組織和指導。

（一）作品選題與方案確定階段

該階段是難度比較大的階段，主要是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新與工程實現(xiàn)能力，學生需要查閱和收集大量資料，利用所學習的各種專業(yè)知識，構思一個能夠在工程上實現(xiàn)的作品方案，該階段耗時比較長，適于安排在課余時間。

（二）作品設計與反復修改階段

該階段是方案的設計實現(xiàn)階段，主要培養(yǎng)學生的工程設計能力，學生需要運用所學習的專業(yè)知識和繪圖表達技能實現(xiàn)作品方案的詳細設計，例如，繪制機械產品的結構裝配圖和專用零件的零件圖等，該階段可以在專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)中完成。

（三）作品制作與運行階段

該階段是作品實現(xiàn)階段，主要培養(yǎng)學生的工程實踐與動手能力，學生需要自己親自動手，選用或自行制作各種零部件，并進行作品總體裝配或集成，然后調試并運行作品，該階段可以在專業(yè)實踐課環(huán)節(jié)中完成。

二、專業(yè)綜合實踐教學一體化建設組織實施中的保障體系

專業(yè)綜合實踐教學一體化建設組織實施是一個系統(tǒng)工程， 需要從經費投入、實踐基地建設、教師隊伍建設、學生參與和組織等方面統(tǒng)一協(xié)調組織實施安排。

（一）經費投入

經費投入是保障工科院校實踐環(huán)節(jié)深入開展的首要因素，學校各級領導需要重視并配備一定的經費支持開展這項工作。

（二）實踐基地建設

利用好有限的實驗經費，采用模塊化和系統(tǒng)化進行專業(yè)綜合實踐教學一體化實踐基地建設，對此做如下要求：

1.作品宜小不宜大，桌面化大小為宜，便于更多作品在實驗場地制作與擺放；

2.作品的通用部件標準化、模塊化，例如控制電機、滾珠絲杠副、鋁型材、PLC、各種氣缸、傳感器及關鍵連接件等提前準備幾種型號可供學生設計時選擇，便于今后不同屆學生使用時能夠重復再利用；

3.保留學生制作的成功作品作為相關專業(yè)課程的實驗課程設備，增加其利用率；

4.由于作品的通用部件采用標準化、模塊化，成功作品可以多次拆裝，這樣可以利用實踐基地的成功作品作為大學生設計組裝調試比賽的平臺。

以上采用模塊化和系統(tǒng)化進行專業(yè)綜合實踐教學一體化實踐基地建設，可以達到資源的有效利用。

（三）教師隊伍建設

專業(yè)綜合實踐教學一體化建設需要一支專業(yè)技術過硬、實踐動手能力強、責任心強并有奉獻精神的指導教師隊伍。在整個教學環(huán)節(jié)中指導教師的專業(yè)技術及實際工作經驗很重要，但更多的需要指導教師有責任心并有奉獻精神。學校應該對參與指導的教師給出相應的教學工作量，但其中指導教師付出的心血是很難用教學工作量來衡量，所以指導教師配備上最好是有經驗有責任心的教師。

指導教師可以分為全程參加指導與分階段參與指導。學生在進行實際作品構思、設計與研制的全過程中，遇到的實際問題相對較多，需要有老師全程參加指導；另外，需要有老師分階段對學生提出的各種創(chuàng)意給與指導，對學生將創(chuàng)意變成可實現(xiàn)方案并繪制工程圖給與指導，對學生作品制作與運行階段給與指導等。

（四）學生參與和組織

學生是專業(yè)綜合實踐教學參與的主體，學生參與主動性和積極性非常重要。學生應為大學四年級，他們具備了一定的專業(yè)知識，能夠利用專業(yè)知識提出問題、分析和解決問題。大部分學生對將自己想法最終能變成實實在在的設計作品這樣的教育理念很感興趣，由此愿意付出努力并積極參與專業(yè)綜合實踐教學活動。學生為完成一個作品，必須組成團隊，靠群體協(xié)作的方式完成作品任務。在具體組織實施過程中，將學生分成小組或自愿結合成小組，每組里面推選熱心參加且能力較強的學生作為組長，由組長協(xié)調小組成員分工與合作，引導學生積極為團隊做貢獻。

在作品選題與方案確定階段，學生是利用課余時間進行查資料，小組討論方案并與老師溝通交流，可以采用集中時間與老師面對面交流，也可以利用郵件和微信方式與老師隨時交流。在作品設計階段和作品制作階段，學生主要是利用專業(yè)綜合實踐教學環(huán)節(jié)的課內時間完成，學生要繪制自己設計作品的圖紙并親手制作自己的作品，在這些環(huán)節(jié)中小組內同學有分工也有合作，學生的團隊合作意識、工程系統(tǒng)能力和動手實踐能力得到很好的訓練。

三、專業(yè)綜合實踐教學一體化建設實施及案例

作者所在學校機械設計制造及其自動化專業(yè)學生在大學四年級第一學期末需要進行為期三周的專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)，在大四第二學期開始進行為期三周的專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)。以往本專業(yè)的專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)主要進行簡單機械裝備或部件設計，專業(yè)方向實踐課教學環(huán)節(jié)包括數(shù)控編程與加工模塊、電氣自動化與傳動控制兩個模塊教學內容。過去存在的問題是，學生僅是被動參與單一環(huán)節(jié)的綜合訓練，環(huán)節(jié)之間并不直接相連，不是按照一個完整的專業(yè)工程項目實施來進行系統(tǒng)訓練，學生的工程系統(tǒng)能力欠缺。

本校專業(yè)綜合實踐教學一體化建設的思路是以作品構思到運行的整個周期為載體，以專業(yè)方向課程設計教學環(huán)節(jié)為設計平臺，以專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)為實踐平臺，將專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)與專業(yè)實踐課教學環(huán)節(jié)有機結合，實現(xiàn)機電一體化作品為引導的創(chuàng)新構思-設計-加工-裝配-作品調試與運行的專業(yè)綜合實踐教學一體化建設的實踐教學新模式，如圖2所示。

專業(yè)綜合實踐教學模式具體實施步驟主要包括三步：

第一步，概念設計：在專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)之前八周左右進行總動員并布置任務，學生組成課題小組利用業(yè)余時間進行機電作品方案構思，與指導教師不斷溝通交流，采取集中時間討論及微信和郵件等多種交流形式，最終確定作品方案草圖。

第二步，詳細設計：學生利用專業(yè)方向課程設計環(huán)節(jié)的三周教學時間進行機電作品機械結構設計，繪制機電作品的三維結構裝配圖及二維裝配圖和零件圖。

第三步，作品制作：學生利用專業(yè)實踐課環(huán)節(jié)的三周教學時間進行作品制作與調試運行，其中包括，學生自己編寫數(shù)控程序在計算機仿真加工軟件中進行部分機械零件的仿真加工，然后利用實驗室的數(shù)控車床及數(shù)控銑床等設備進行部分機械零件實際加工，還有部分零件采用外協(xié)加工；學生將實驗室準備好的通用部件及標準件，如電機、氣缸、滾珠絲杠副、傳感器、鋁型材、螺釘、螺母、軸承等與自己設計的加工零件一起裝配，得到機械作品；控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC進行控制，學生利用實驗室備好的各種電氣元件按照控制原理圖與布線圖進行控制柜接線與制作，學生根據自己作品動作要求編制PLC程序并在計算上仿真運行；最后使作品機電聯(lián)機運行，得到具有一定功能的機電作品樣機。

四、專業(yè)綜合實踐教學一體化建設優(yōu)點

開展專業(yè)綜合實踐一體化建設教學活動， 作品構思到實施運行的整個工程周期為載體有助于學生對所學過的專業(yè)基礎知識和專業(yè)知識進行融會貫通并學以致用，解決復雜工程問題。在專業(yè)綜合實踐一體化教學活動中，學生為解決一個復雜工程問題，需要將各門課程講授的知識與技能進行融合并升華，溝通現(xiàn)有各學科的內容和活動， 使學生掌握和深化理論知識， 把書本知識綜合運用于實踐， 明白所學知識如何與具體工作領域的任務對接， 從而分析和解決復雜工程問題。

專業(yè)綜合實踐一體化教學活動有助于學生提高學習主動性。以作品為引導，自主創(chuàng)新構思和設計作品、自己動手制作、裝配和調試所設計的作品，不僅使學生對機械裝備的設計和裝配、機電系統(tǒng)結合的總體工程意識和設計能力得到提高，而且使學生被動參與教學活動變?yōu)橹鲃訁⑴c。

專業(yè)綜合實踐一體化教學活動有助于學生培養(yǎng)團隊協(xié)作的能力。學生為完成一個項目，必須組成團隊，明確每個人任務，靠群體協(xié)作的方式完成項目任務，每個同學在團隊中要有我為團隊做貢獻的意識和行動，還要會處理和協(xié)調一個團隊中各種類型同學合作問題。

五、結束語

新穎性：本文提出了一種專業(yè)綜合實踐教學一體化建設新模式，即以作品構思到實施運行的整個工程周期為載體，通過不同綜合實踐教學環(huán)節(jié)有機結合形成一個工程實踐大平臺，進行專業(yè)綜合實踐教學內容一體化建設，使學生以主動的、實踐的、專業(yè)知識有機融合的方式系統(tǒng)學習和掌握專業(yè)理論、技術與經驗，并形成本專業(yè)工程系統(tǒng)實現(xiàn)能力。

有效性：經過實踐驗證，本文提出的專業(yè)綜合實踐教學一體化建設教學新模式在系統(tǒng)培養(yǎng)學生工程系統(tǒng)能力、創(chuàng)新能力、動手實踐能力、團隊協(xié)作能力、綜合應用所學專業(yè)知識分析問題和解決工程實際問題的能力等方面是行之有效的。

強調學生主體性：專業(yè)綜合實踐教學一體化建設教學過程中強調學生主動參與和團隊協(xié)作，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和參與意識，使學生成為教學活動的主體，提高學生學習主動性。

可移植性：本文提出的專業(yè)綜合實踐教學新模式以及案例，對高等工科院校本科生專業(yè)實踐教學建設具有示范作用和借鑒意義，為新形勢下高等工科院校本科生實踐能力培養(yǎng)探索出一條新路。

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