新工科下高校實驗與實踐教學體系改革與探索

朱榮濤 胡炳濤 王艷飛 李延鋒

摘要：本文以中國礦業(yè)大學過程裝備與控制工程（簡稱過控）專業(yè)為例，按照“新工科”建設要求，以培養(yǎng)應用型復合人才、促進學生形成工程實踐和創(chuàng)新能力為目標，對專業(yè)實驗與實踐教學體系進行改革和創(chuàng)新，構建了“一條主線、三個階段”的多學科交叉、逐層遞進的實驗與實踐教學“新結構”，并詳細闡述了該體系中各階段的培養(yǎng)內(nèi)容。這為推動新工科的實施，探索個性化人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)“善學習、懂操作、能創(chuàng)新”的綜合素質(zhì)高的應用型人才提供有效參考。

關鍵詞：新工科；過程裝備與控制工程；實驗與實踐教學；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0072-04

一、引言

為主動應對新一輪產(chǎn)業(yè)變革和科技革命，支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家戰(zhàn)略，2017年2月以來，教育部相繼發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索新形勢下工程教育的中國模式和中國經(jīng)驗，先后形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”。新工科的推動和實施，旨在適應以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展，對深化我國工程教育改革、建設工程教育強國、服務和支撐我國經(jīng)濟轉型升級具有重大意義[1]。

新工科的“新”，主要體現(xiàn)在工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結構等[2，3]。新工科的建設和發(fā)展，不僅需要樹立創(chuàng)新性、綜合化、全周期的工程教育“新理念”，而且需要構建新興工科與傳統(tǒng)工科相結合的學科專業(yè)“新結構”。工科的新結構不僅包括前沿和緊缺學科專業(yè)設置，還應加快對現(xiàn)有工科專業(yè)的改革和創(chuàng)新，使其體現(xiàn)工程教育的新要求。因此，推動現(xiàn)有工科交叉融合和跨界整合，使科學教育、人文教育、工程教育相互滲透，對培養(yǎng)科學基礎厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的工程人才至關重要[4，5]。工程教育中，實踐環(huán)節(jié)是高等學校教學過程的重要組成部分，具有理論教學不可替代的作用，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識的主要途徑之一，直接關系到能否實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)目標[6]。同時，對增強學生的創(chuàng)業(yè)就業(yè)能力，培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應用型和技能型人才，具有重要意義[7]。因此，以校企合作、協(xié)同育人為基礎，構建各學科交叉融合的新工科實踐教學體系顯得尤為重要。目前，各高校紛紛響應新工科建設，開展了新工科背景下的實驗與實踐教學體系的研究[8-12]。本文以中國礦業(yè)大學過程裝備與控制工程專業(yè)為例，以培養(yǎng)應用型復合人才為目的，將工程教育與人文、科學教育相滲透，構建實驗與實踐教學體系。過程裝備與控制工程專業(yè)是一個典型的多學科交叉工科專業(yè)，推進各學科交叉融合及跨界整合，也是本專業(yè)的培養(yǎng)目標。本文構建的實驗與實踐教學體系，力圖為新工科的推動和實施提供借鑒。

二、實驗與實踐教學體系建設的依據(jù)

過控專業(yè)以過程工業(yè)為背景，融“機械”、“過程”、和“控制”為一體，將“機械”、“化工”、“材料”、“控制”等學科緊密結合而形成的“化、機、電”一體的多學科交叉專業(yè)。這種專業(yè)性質(zhì)決定該專業(yè)實驗與實踐教學的復雜性、融合性及多樣性。因此，本專業(yè)容易突破傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式，適合建立多樣化和個性化的工程教育新模式，整合升級，綜合發(fā)展，推動“新工科”建設。

針對高等工程教育中實驗與實踐的教學，目前研究成果認為，實踐教學應以增強學生社會適應性為目標，它與理論教學相對，又與理論教學緊密聯(lián)系[13，14]。從理論上講，實驗與實踐教學中，學生應以某種直觀物化操作方式為主要手段，完成某種任務，從而將知識內(nèi)化為個體經(jīng)驗的學習活動，旨在培養(yǎng)學生的實踐操作能力、組織管理能力和創(chuàng)新能力等[15-17]。因此，本文以過控專業(yè)為對象，將科學、工程、人文教育相融合，力圖將專業(yè)實驗與實踐教學體系從簡單的復合推進到綜合交叉發(fā)展，努力實現(xiàn)實驗實踐體系工程化、綜合化和學生參與的自主化，培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的應用型復合人才。

三、實驗與實踐教學體系建設的內(nèi)容

本文試圖從“新工科”的視角，依據(jù)創(chuàng)新型、綜合化、全周期的新工科教育理念，將實驗與實踐教學體系細化為三個階段，即基礎實踐能力培養(yǎng)階段、專業(yè)技能與工程實踐能力培養(yǎng)階段和創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐階段。

1.基礎實踐能力培養(yǎng)內(nèi)容。過程裝備與控制工程專業(yè)基礎實踐能力培養(yǎng)方案如圖1所示，包括基本實驗技能培養(yǎng)、基礎設計能力培養(yǎng)、專業(yè)基礎技能培養(yǎng)、初步設計能力培養(yǎng)、初步工程觀念培養(yǎng)及社會實踐能力培養(yǎng)等方面，著重培養(yǎng)學生的基本實驗能力、基礎設計能力及初步的專業(yè)技能和工程設計能力與觀念，重視不同學科間的交叉與融合?；緦嶒炇侵羔槍I(yè)基礎課程設置的課程實驗，它與專業(yè)基礎課程的理論教學相統(tǒng)一，是對基礎理論的驗證和補充。根據(jù)過控專業(yè)的培養(yǎng)計劃，三力一機（理論力學、材料力學、流體力學及機械原理）及電工電子技術、大學物理等專業(yè)基礎課程的實驗教學環(huán)節(jié)構成基本實驗技能培養(yǎng)內(nèi)容。這兩方面實踐能力的培養(yǎng)與科學教育相貫通，主要體現(xiàn)為對科學理論的驗證與初步運用。工程設計是過程裝備全壽命管理的重要一環(huán)，基礎設計是進行工程設計的前提，也是過控專業(yè)實驗與實踐教學體系的重要內(nèi)容?；A設計能力培養(yǎng)的主要目的是培養(yǎng)學生的初步工程設計能力，為以后從事工程設計工作打基礎、做準備。針對我校過控專業(yè)中計算機程序設計和工程制圖是學生日后進行工程設計的基礎課程，因此將其作為基礎設計能力培養(yǎng)的主要載體。專業(yè)基礎技能培養(yǎng)是基本實驗技能培養(yǎng)的繼承與發(fā)展，其將實踐和實驗訓練與專業(yè)性質(zhì)相結合，讓其更為專業(yè)與具體。礦大過控專業(yè)的基礎技能培養(yǎng)分為化工原理實驗、控制原理實驗和金工實習三個環(huán)節(jié)。這一實踐教學環(huán)節(jié)是學生結合實踐學習專業(yè)理論的重要一環(huán)。這一環(huán)節(jié)的目的是使學生初步接觸機器和設備制造的過程、基本單元操作過程和典型控制系統(tǒng)；熟悉金屬冷熱加工工藝、常用切削機床和工具；加深對傳熱、精餾、吸收、流體流動、干燥等單元操作的理解與認識；熟悉典型控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和動態(tài)特性；了解各單元操作原理及參數(shù)變化對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響等；培養(yǎng)學生的初步工程意識和實踐能力。該實驗與實踐教學體系中的初步設計能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)，可基于專業(yè)主干課程的課程設計進行，利用已學專業(yè)理論知識指導課程設計。我校過控專業(yè)主要以化工原理和過程設備設計中的單元操作與單元設備為目標，通過手工繪制裝配圖、撰寫設計說明書達到培養(yǎng)學生初步設計能力的目的。

實驗與實踐教學體系中的初步工程觀念培養(yǎng)，主要通過認識實習的方式進行。認識實習，旨在使學生掌握過程設備及過程機械典型零件的制造工藝、結構和裝配過程；了解過程機械生產(chǎn)制造中的主要工裝；了解生產(chǎn)中的質(zhì)量保證體系和質(zhì)量管理體系。同時，熟悉生產(chǎn)過程中的主要設備和參數(shù)的控制方法及儀器裝置；了解典型的化工生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)用料等，了解化工安全生產(chǎn)保障體系，并啟發(fā)和引導學生將已學專業(yè)知識運用于生產(chǎn)實踐，鞏固和拓展專業(yè)理論，熟悉本專業(yè)的技術領域。通過這一環(huán)節(jié)，學生建立初步的過程工程觀念，為后續(xù)將要進行的工程設計學習與實踐奠定基礎。社會實踐能力是該實驗與實踐教學體系的重要組成部分。相對專業(yè)的知識和實踐能力，社會實踐能力包括社會認知能力、人際交往能力、自主學習能力、表達能力、組織管理能力等。這對學生的全面發(fā)展有著舉足輕重的作用。本文將社會實踐能力培養(yǎng)作為實踐教學體系中的重要一環(huán)，也是對學生進行人文社科教育的重要手段，體現(xiàn)了新工科多學科交叉融合的特點。針對我校工科專業(yè)，社會實踐能力培養(yǎng)主要由暑期實踐、管理實踐、了解國情等環(huán)節(jié)組成。暑期實踐活動主要包括支教、志愿者活動等項目；管理實踐主要通過深入工廠與企業(yè)進行企業(yè)文化交流或管理模式調(diào)查等方式體現(xiàn)，一方面使學生了解企業(yè)實際運作方式和模式，另一方面和企業(yè)溝通交流，為學生進入社會參加工作積累經(jīng)驗。通過社會實踐能力的培養(yǎng)，學生的社會認知能力、表達能力、人際交往能力、組織管理能力、自主學習能力進一步提高。了解國情的實踐活動，可通過相關講座和社團活動進行，如軍事理論、形勢與政策、辯論比賽、倡議宣傳等講座和活動。

2.專業(yè)技能與工程實踐能力培養(yǎng)內(nèi)容。專業(yè)技能與工程實踐能力培養(yǎng)是實驗與實踐教學的深入階段，其內(nèi)容如圖2所示。其中，專業(yè)技能訓練是學生日后從事工程實踐的基礎環(huán)節(jié)。由于此環(huán)節(jié)的專業(yè)性，因此專業(yè)技能訓練應根據(jù)不同專業(yè)設立不同的實踐內(nèi)容。過控專業(yè)的專業(yè)技能訓練通常包括兩部分：專業(yè)實驗和提高實驗。專業(yè)實驗和實踐是學生專業(yè)技能訓練的基本與必修實驗，它與專業(yè)課程相配套，如內(nèi)外壓薄壁容器應力測定實驗、壓縮機排氣量及功率測定實驗、離心泵性能測試實驗等，其對應《過程設備設計》、《流體機械》等課程；提高實驗與實踐主要為綜合性或設計性實驗，是為學有余力且感興趣的學生準備的選修實驗，各高?？筛鶕?jù)自身情況酌情設定。

工程實踐能力是工科高等教育實踐教學體系的核心。對于過控學生來說，這一能力的培養(yǎng)要求學生全面深入了解企業(yè)運行過程，熟悉生產(chǎn)工藝過程及所用設備，具備對其進行控制與管理的能力；同時，熟悉并掌握典型過程裝備的制造工藝、焊接工藝和無損檢測工藝。通過工程實踐能力的培養(yǎng)，學生能夠綜合運用專業(yè)基礎理論和技能，分析生產(chǎn)過程中的實際問題，使學生的工程素質(zhì)和工程能力得到提高，增強適應社會的能力。為保證工程實踐能力的培養(yǎng)，響應新工科建設要求中強化實習、實訓環(huán)節(jié)的建議，我校已與河南能源、皖北煤電、恒久機械等廠礦企業(yè)建立長期的合作關系，并依托這些企業(yè)建成實踐創(chuàng)新基地和實踐教學示范中心。通過這種學?！髽I(yè)聯(lián)合的方式，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。在實際實踐教學實施過程中，此環(huán)節(jié)分為仿真實習和生產(chǎn)實習兩部分。仿真實習可在校內(nèi)或校外進行，部分院校的過控專業(yè)已經(jīng)建立化工過程虛擬仿真實驗室，沒有此條件的可以去廠礦企業(yè)完成。但是生產(chǎn)實習要在企業(yè)進行，讓學生深入工廠，跟隨企業(yè)導師或車間師傅進行實操，了解并熟悉生產(chǎn)工藝流程，完成各車間的輪崗學習，真正達到培養(yǎng)學生工程實踐能力的目的。

工程設計能力是初步設計能力的延伸與拓展，是一種專業(yè)綜合設計訓練。礦大過控專業(yè)將這一專業(yè)綜合設計訓練分為兩個方向，包括控制系統(tǒng)設計和過程裝備成套裝備設計?？刂葡到y(tǒng)設計通常以典型過程工業(yè)為對象，通過控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，使對象按工藝條件要求動作。此系統(tǒng)的設計目的是使學生掌握控制系統(tǒng)設計的基本原則，熟悉PLC控制器與輸入輸出設備的連接方式，完成硬件原理圖、安裝接線圖的繪制，并能夠設計PLC程序。成套裝備設計同樣以過程工業(yè)中的關鍵裝置為對象，熟悉其工作原理、結構特點，理解其設計技術和工藝要求，并對該裝置進行工業(yè)設計。

3.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與實踐。新工科的建設要求明確提出創(chuàng)新型工程教育的新理念。創(chuàng)新是驅動發(fā)展的動力，是提升我國社會生產(chǎn)力發(fā)展和增強綜合國力的必要手段。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是實施創(chuàng)新驅動發(fā)展的必要條件，尤其是培養(yǎng)高等院校大學生的創(chuàng)新能力。因此，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與實踐，是應用型成才培養(yǎng)的最終目標，也是實施創(chuàng)新驅動發(fā)展的必然要求。結合我校本專業(yè)人才培養(yǎng)實際，創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐培養(yǎng)內(nèi)容如圖3所示。

培養(yǎng)學生的科技創(chuàng)新能力，首先須了解科學技術發(fā)展史及學科技術前沿發(fā)展趨勢，這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的基礎。針對我校過程裝備與控制工程專業(yè)，此環(huán)節(jié)主要采取兩種方式：一是請本專業(yè)教學科研、經(jīng)驗豐富的教授或高級工程師進行前沿講座，使學生了解學科研究方向和發(fā)展趨勢，認識工業(yè)生產(chǎn)中的技術難題和待解決課題；二是鼓勵學生參與專業(yè)教師的科研課題，在解決實際問題中理解、發(fā)現(xiàn)學科前沿知識，提出可行的解決方案，通過科研課題驅動提升創(chuàng)新能力。

個性培養(yǎng)模式是新工科人才培養(yǎng)的亮點之一。它是在尊重學生個性的基礎上分類分層次培養(yǎng)，積極開發(fā)學生的創(chuàng)新能力。礦大實施創(chuàng)新能力個性培養(yǎng)的過程中，常常通過各種大學生創(chuàng)新訓練、開放實驗室及創(chuàng)新大賽來進行。實施過程中，在承認每個學生具有創(chuàng)新潛能的基礎上，根據(jù)學生創(chuàng)新個性的差異性制定創(chuàng)新能力個性培養(yǎng)目標。同時，根據(jù)學生創(chuàng)新個性特點，分類制定目標。如結合全國大學生節(jié)能減排大賽、過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽等實踐活動，培養(yǎng)學生的試驗型創(chuàng)新能力，讓他們完成產(chǎn)品研究報告、實施規(guī)劃等。更進一步地，如結合“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽和開放實驗室等途徑，鼓勵學生實施跨學科探索型創(chuàng)新。學生不但要完成實驗產(chǎn)品研究報告，還要完成創(chuàng)新產(chǎn)品設計及制作等。

創(chuàng)新能力綜合培養(yǎng)環(huán)節(jié)是對學生專業(yè)知識和技能的綜合考量與檢驗，是培養(yǎng)復合型、應用型人才實踐教學體系不可或缺的環(huán)節(jié)。針對礦大過控專業(yè)，本環(huán)節(jié)的培養(yǎng)以畢業(yè)設計（論文）和畢業(yè)實習為主要形式。畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容可結合指導教師的科研課題，完成系列實驗研究，或以特定的典型工藝裝備為對象，優(yōu)化結構，以提高該設備某方面的性能。無論是試驗性的畢業(yè)論文還是設計性的畢業(yè)設計，均要求學生在傳統(tǒng)工藝及設備的基礎上實現(xiàn)部分創(chuàng)新，同時將論文或設計形成文本或說明書。例如，以典型設備為題的畢業(yè)設計，須完成過程工藝設計計算、工藝流程設計、典型設備工藝計算和設備設計等內(nèi)容。當然，創(chuàng)新性成果必須以大量的調(diào)查研究為基礎，因此畢業(yè)實習環(huán)節(jié)是不可或缺的。通過畢業(yè)實習的調(diào)研，為創(chuàng)新性的畢業(yè)論文（設計）服務，使學生初步掌握科學研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

四、實驗與實踐教學體系建設的目標

本文以過控專業(yè)為對象，以新工科建設的具體要求為依據(jù)，構建了三階段實驗與實踐教學體系。三階段逐層遞進，相輔相成，為“培養(yǎng)應用型復合人才，深化學科交叉，促進學生工程實踐和創(chuàng)新能力的形成”這一總體目標服務（一條線）。通過實施實踐教學，期望培養(yǎng)動手能力強、會設計、懂運行、善管理的工程師；通過開展實驗與實踐教學，鞏固和拓寬專業(yè)理論知識，熟悉專業(yè)領域，增強學生學習的主動性和針對性，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際及解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生的專業(yè)工程素質(zhì)和工程能力，增強學生的創(chuàng)新意識和適應社會的能力。

五、結語

“新工科”建設是應對新形勢的挑戰(zhàn)，從服務國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的角度提出的一項持續(xù)深化的工程教育改革行動計劃。本文響應新工科建設要求，以過程裝備與控制工程專業(yè)為例，從實踐教學內(nèi)涵和專業(yè)人才培養(yǎng)目標出發(fā)，構建“一條線、三階段”式的各學科交叉融合、全方位綜合教育的實驗與實踐教學“新結構”。該體系包括基礎實踐能力培養(yǎng)、專業(yè)技能與工程實踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力與實踐培養(yǎng)三方面，并逐層遞進介紹了該體系中各方面的培養(yǎng)要求和培養(yǎng)方式，最后闡明了該實驗與實踐教學體系的目標。本文為推動新工科、探索個性化人才培養(yǎng)模式、培養(yǎng)“善學習、懂操作、能創(chuàng)新”的綜合素質(zhì)較高的應用型人才提供了借鑒。

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