基于逆向思維的材料類工程性創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索

陳永楠+陳華鑫+王振軍+徐義庫+盛燕萍

[摘 要]根據(jù)材料類及近材料類專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，加強(qiáng)大學(xué)生逆向思維的培養(yǎng)具有其必要性。長安大學(xué)材料學(xué)科結(jié)合本科培養(yǎng)特點(diǎn)提出了構(gòu)建基于逆向思維工程的教學(xué)模式的框架結(jié)構(gòu)。該體系將教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)和理論環(huán)節(jié)設(shè)置順序調(diào)換， 采用逆向、反復(fù)實(shí)踐—思考—實(shí)踐這種遞進(jìn)式學(xué)習(xí)方法，通過本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心調(diào)控，建立從實(shí)踐到認(rèn)知、從驗(yàn)證到創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。同時，其也為探索新形勢下本科人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]拔尖創(chuàng)新；實(shí)踐教學(xué)；多層遞進(jìn)教學(xué)；教學(xué)改革

[中圖分類號] TG44 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0125-03

一個國家在國際上的競爭水平與其工業(yè)化程度都直接且極大地受到工業(yè)創(chuàng)新科技人才的數(shù)量和質(zhì)量的影響，競相招募工程科技人才，是世界各國應(yīng)對新一輪國際競爭的一種有效手段，為此，一系列國家戰(zhàn)略和應(yīng)對政策紛紛出臺。著力發(fā)展工程前沿科技，提高創(chuàng)新能力，是一些發(fā)達(dá)國家如美國、日本等為搶占未來國際間發(fā)展制高點(diǎn)而采用的先導(dǎo)性戰(zhàn)略。這些國家在工程教育教學(xué)以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面，都把強(qiáng)化教育的工程性與創(chuàng)新性相結(jié)合這一點(diǎn)作為重要的改革目標(biāo)。這要求高校要將工程科學(xué)與技術(shù)的教授作為工程教育的主要內(nèi)容，使學(xué)生自身的知識生產(chǎn)功能在發(fā)展過程中穩(wěn)步提高，從而成為國家科技健康可持續(xù)發(fā)展的必要基礎(chǔ)和動力。學(xué)校需要教授學(xué)生前沿的科學(xué)知識，培養(yǎng)出符合社會企業(yè)需求的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。若要在理工科高等院校工程教育中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，就必須要以工程性為基礎(chǔ)，既重視能解決實(shí)際生產(chǎn)問題的實(shí)踐，又要求在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。針對理工科類高等院校，特別是機(jī)械、材料類專業(yè)學(xué)生，采用與探索逆向工程培養(yǎng)模式，開展針對學(xué)生能力培養(yǎng)的創(chuàng)新性工程教學(xué)，在當(dāng)下顯得更加重要。綜上，進(jìn)行培養(yǎng)方法和方式的改革，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)上投入更多的興趣和熱情，是目前在高等教育課題中尤為重要的課題之一。

一、逆向工程思維

逆向工程思維（Reverse Engineering），簡稱RE，是使用現(xiàn)有的條件與產(chǎn)品，通過數(shù)字化測量儀器分析測量樣品得到大概輪廓數(shù)據(jù)，再使用輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重構(gòu)的一種倒裝式思考方式。所謂逆向工程思維是以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)的思考方式，換句話說是從逆向工程的角度來思考問題的一種思維方式。這是一種與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)思路完全相反的方式。其是以設(shè)計(jì)目標(biāo)作為思考的出發(fā)點(diǎn)，一步步拆分和還原設(shè)計(jì)目標(biāo)，將目標(biāo)的優(yōu)先級與層次理清，將我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)分解還原為最初始的單個要素，而后再以單個要素的分級層次為基礎(chǔ)去修改與再設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新倒裝思維。為了讓學(xué)生適應(yīng)開發(fā)產(chǎn)品和思維創(chuàng)新的方式，以培養(yǎng)具有先進(jìn)知識、優(yōu)良技能和高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才為基本目標(biāo)，將實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力互相結(jié)合這一理念貫穿于整個培養(yǎng)過程當(dāng)中，在整個教學(xué)體系上進(jìn)行改革，以提高學(xué)生工程創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力為目的，形成教學(xué)運(yùn)行新模式。

二、教學(xué)創(chuàng)新與學(xué)生能力的培養(yǎng)措施

目前我國的高等教育強(qiáng)調(diào)以“傳道、授業(yè)、解惑”為理念?！皞鞯馈笔堑谝晃坏?，就材料類專業(yè)課程，如模具設(shè)計(jì)與制造、材料加工原料等課程來說，就是教師教授給學(xué)生一個模具的具體制作流程，然后學(xué)生按照教師教授的次序流程去把它還原出來。這個過程看似是很簡單且流暢，沒有任何疑問，但是經(jīng)過細(xì)心考究，會發(fā)現(xiàn)學(xué)生在這個過程中就像是一臺只會被動接受的機(jī)器，沒有思維，也缺少去發(fā)現(xiàn)與解決問題的動力，這違背了高等教育的宗旨。所以在這些概念性較強(qiáng)的專業(yè)課程中，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“解惑”的重要性而非一味的“傳道”，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。而教師只是學(xué)生在這個過程中的一個指南針，在他迷失方向時為他指明前行的道路。目前，國外許多名校的工科專業(yè)針對 RE 開展了適應(yīng)教學(xué)模式，這些學(xué)校在本科教育培養(yǎng)目標(biāo)上明確學(xué)生要掌握逆向制造模型和快速制造能力，只要可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型的再現(xiàn)即可，對學(xué)生在綜合各方面知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的能力培養(yǎng)反而要求不高。而以原產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行再一次設(shè)計(jì)、分析、提高從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，才是逆向工程的真正意義所在。在實(shí)踐課程完成后，教師要求每個學(xué)生掌握產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集、逆向造型和快速制造能力，且實(shí)現(xiàn)實(shí)物模型的再現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，對于綜合能力強(qiáng)的學(xué)生，要鼓勵他們發(fā)散思維，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

三、改革與創(chuàng)新

逆向工程思維對于材料類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)，特別是成型專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)來說非常重要，其培養(yǎng)模式具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性、綜合性。傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式是首先要求學(xué)生在大腦中構(gòu)思好設(shè)計(jì)目標(biāo)的形貌、性能和大概的生產(chǎn)參數(shù)等要素，然后通過細(xì)致的設(shè)計(jì)與分析以完成各類數(shù)據(jù)的模型，例如動態(tài)三維立體模型等，最終將這個模型投入到接下來的生產(chǎn)活動中，并完成項(xiàng)目的整個設(shè)計(jì)與研發(fā)周期。我們將這樣的設(shè)計(jì)過程稱之為正向設(shè)計(jì)過程。而逆向工程課程學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)恰恰相反，它是一個從產(chǎn)品到設(shè)計(jì)的過程。換而言之，逆向工程思維就是根據(jù)現(xiàn)在已有的現(xiàn)象，反向來推出需要完成的項(xiàng)目數(shù)據(jù)的過程。特別是在科技日新月異的今天，它對于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來的工作都有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。作者結(jié)合長安大學(xué)交通行業(yè)特色，針對材料及近材料類專業(yè)，采用逆向工程思維模式，構(gòu)建以實(shí)用性內(nèi)容為主的、培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)方案，將能力要素與知識點(diǎn)結(jié)合每個教學(xué)環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，建立理論聯(lián)系實(shí)際工程理論的理念，培養(yǎng)較強(qiáng)的探索、發(fā)現(xiàn)、反思的能力。該方案體現(xiàn)在課程的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課程安排等多方面（如圖1所示）。

（一）培養(yǎng)方案的構(gòu)思

培養(yǎng)方案的設(shè)定和實(shí)施是保障學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要步驟。長安材料科學(xué)與工程學(xué)院是近年來發(fā)展起來的，材料學(xué)院以突出實(shí)踐創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目標(biāo)。逆向工程思維首先構(gòu)架適合本學(xué)院特點(diǎn)的課程體系。學(xué)院教學(xué)以理論夠用為度，強(qiáng)調(diào)的是逆向思維模式下學(xué)生的實(shí)踐工作及由此形成的創(chuàng)新能力。這種狀況下實(shí)踐課程和理論課程的比例和開設(shè)時間對教學(xué)效果影響極大。為了實(shí)現(xiàn)以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為目的、以創(chuàng)新能力為本的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)院在專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課程中設(shè)置了10%～20%的實(shí)踐環(huán)節(jié)，并在5至6學(xué)期進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，通過項(xiàng)目制度，來評估學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。endprint

（二）課程大綱設(shè)計(jì)、教材的選取及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

開設(shè)逆向工程思維課程，一體化的課程內(nèi)容體系包含主團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目和子團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。主項(xiàng)目主要是課程教學(xué)和整體演示性教學(xué)，貫穿于課程的整個教學(xué)階段，通常為一個完整的項(xiàng)目或者產(chǎn)品，其中包含了課程的核心知識點(diǎn)和能力要求。針對每個項(xiàng)目或產(chǎn)品，每個組件分解為多個子項(xiàng)目。子項(xiàng)目以單項(xiàng)操作為基礎(chǔ)，該項(xiàng)目的目的是加深和加強(qiáng)學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用，是基于單一操作和課程教學(xué)過程的需要。在此基礎(chǔ)上，學(xué)院制定了材料成型與材料科學(xué)上特色的教學(xué)大綱，這有力體現(xiàn)了我院對培養(yǎng)創(chuàng)新型實(shí)際人才的目標(biāo)和因材施教的原則。

在教材的選擇和應(yīng)用方面，教師在授課時會設(shè)定主教材一部，參考教材多部，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材一部。經(jīng)過4年的努力，目前實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，學(xué)校自編著教材已經(jīng)覆蓋課程的30%。

（三）教學(xué)模式與方法

課堂教學(xué)以理論教學(xué)和實(shí)踐操作教學(xué)相結(jié)合，是項(xiàng)目和案例相輔相成的綜合教學(xué)方法，本文著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主探索和參與。教學(xué)應(yīng)以實(shí)例教學(xué)為主，在每章的開頭給出一個具有代表性的例子，使學(xué)生在剛開始就對學(xué)習(xí)目標(biāo)有一個比較全面的了解。在知道和了解所學(xué)習(xí)知識的用途之后再以實(shí)例為主介紹相關(guān)的知識。構(gòu)建以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為目標(biāo)的教育方式，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生去主動學(xué)習(xí)獨(dú)立思考。使得學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮出足夠的學(xué)習(xí)能力、綜合應(yīng)用能力，還要提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神和基礎(chǔ)項(xiàng)目管理能力。創(chuàng)建出可以一邊跟著教師的思路學(xué)習(xí)一邊可以自我實(shí)踐、滿足每個學(xué)生不同個性需求的因材施教的培養(yǎng)方法。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的前提下，要以學(xué)生本人需求為中心，向?qū)W生提供獨(dú)立自主使用逆向思維建模的學(xué)習(xí)環(huán)境，以此來提高學(xué)生在工程技術(shù)上的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

此外，由于專業(yè)課程研究的對象主要是針對材料、機(jī)械以及力學(xué)等，特別是復(fù)雜幾何產(chǎn)品的測量和建模，使用多媒體和上機(jī)聯(lián)合教學(xué)，這種教學(xué)內(nèi)容需要生動直觀的教學(xué)方法，否則，學(xué)生很難建立逆向工程理論與體系的基礎(chǔ)知識。許多復(fù)雜模型是無法在課堂上畫出的，所以使用多媒體課件在一定程度上能讓學(xué)生有一些基本的視覺感知理論。課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)盡可能地采用小班化教學(xué)，只有這樣才能滿足學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的需要，并且需要確保學(xué)生每人有一臺電腦在獨(dú)立的教學(xué)機(jī)房中進(jìn)行授課，這使學(xué)生在教師介紹完基礎(chǔ)理論課程之后，可以自己獨(dú)立地逐步完成某些相關(guān)軟件功能的操作，理論結(jié)合實(shí)踐，這樣可以使學(xué)生盡快建立對相關(guān)內(nèi)容的直觀理解，加強(qiáng)對內(nèi)容的理解。

（四）實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

以往材料學(xué)方面上的實(shí)驗(yàn)中只是簡單地運(yùn)用課程知識，以驗(yàn)證為目的，缺乏自主創(chuàng)新。為了提高學(xué)生在新產(chǎn)品開發(fā)上的創(chuàng)新能力，構(gòu)建新型的實(shí)踐創(chuàng)新教育培養(yǎng)體系，以及該體系下的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成果的評價要素、評價方式和運(yùn)作機(jī)制等，突顯出與設(shè)計(jì)項(xiàng)目密切相關(guān)的交叉學(xué)科的跨領(lǐng)域交流合作。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)除了在課程中體現(xiàn)以外，還特別設(shè)置了綜合性試驗(yàn)。在注重基礎(chǔ)的同時，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新能力，討論啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從選料、設(shè)計(jì)到制備一體化進(jìn)行操作，這是實(shí)踐教學(xué)的主體。鼓勵學(xué)生對一個實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行分析，大量搜集各種相關(guān)資料，將其消化并理解，提出多種成熟的方案，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中提出自己的觀點(diǎn)，一起討論、相互啟發(fā)。教師點(diǎn)評其優(yōu)劣，并將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中處理的問題及表現(xiàn)作為評定其成果的重要依據(jù)。理論與實(shí)際相結(jié)合是創(chuàng)新的根本，是當(dāng)代大學(xué)生需要具備的重要素質(zhì)。以逆向工程思維為基礎(chǔ)的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，應(yīng)該多以生產(chǎn)生活為起點(diǎn)，像是我國的一些主要產(chǎn)品如汽車、電腦等，目的是通過生活中隨處可見的產(chǎn)品幫助學(xué)生加深對教學(xué)內(nèi)容中理論的理解；以此為基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量儀器的獨(dú)立操作，并且熟知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理分析方式。整個過程都是以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為主要目的的。

（五）課程總結(jié)

在課程結(jié)束后，在課下讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的逆向工程思維方式，以設(shè)計(jì)項(xiàng)目的形式完成綜合實(shí)驗(yàn)來對學(xué)生進(jìn)行考核，不同的組完成不同的項(xiàng)目。以模具設(shè)計(jì)類課程為例，可采用分配任務(wù)制度，讓學(xué)生分組完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)測量、 CAD 制圖設(shè)計(jì)及快速形成模型等工作。在這種綜合實(shí)驗(yàn)過程中提高他們分工互相幫助的意識，體現(xiàn)了對逆向工程思維方式運(yùn)用的效果。

四、結(jié)語

我院以逆向工程教育為目的，對教育體系進(jìn)行了改革，構(gòu)建了學(xué)生為中心，以提高實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目的，以高等教育教學(xué)方法為基礎(chǔ)，以課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合為方式的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過逆向工程思維的培養(yǎng)模式，側(cè)面提高了學(xué)生動手操作能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。在經(jīng)過這個新的教育體系培養(yǎng)后，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，主動去探索、發(fā)現(xiàn)、反思的能力大大提高，而且也對于相關(guān)理論知識爛熟于心，達(dá)到一箭雙雕的目的，這必將對學(xué)生以后的成長起到不可忽視的積極作用。

1.教學(xué)模式方面：構(gòu)建了一體化教學(xué)模式。由于傳統(tǒng)教育手段過于單一且缺乏互動性，本課程基于局域網(wǎng)，以現(xiàn)有機(jī)房為基礎(chǔ)，運(yùn)用軟件技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)教室，大大改善了當(dāng)前教育培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐與理論相結(jié)合且通過網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)的一體化教學(xué)。同時形成了以學(xué)生為中心的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，突出提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力以及提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.教學(xué)內(nèi)容方面：注重系統(tǒng)性與實(shí)踐性。以當(dāng)前國際間的前沿科技為出發(fā)點(diǎn)，確保教學(xué)的系統(tǒng)性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性，以逆向工程思維為著眼點(diǎn)，注重學(xué)習(xí)新式測量設(shè)備的操作方法、數(shù)據(jù)處理軟件的操作方法、逆向建模軟件的操作方法和快速成型設(shè)備的操作方法。讓學(xué)生全面掌握逆向工程思維的思考方式，以及整個流程所需知識，充分利用實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備與相關(guān)條件，著重于對學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]endprint