新工科視角下拔尖人才培養(yǎng)的探索與實踐

劉學(xué)文 王旭 羅素云

摘? 要：新工科將培養(yǎng)適應(yīng)新時代快速發(fā)展要求的現(xiàn)代化工程拔尖人才作為核心目標(biāo)之一。文章立足工程創(chuàng)新人才觀，對有限單元法課進(jìn)行了一系列深刻的改革：重構(gòu)有限元法教學(xué)內(nèi)容分布，完善人才培養(yǎng)載體;運用 “工程項目驅(qū)動教學(xué)法”優(yōu)化培養(yǎng)途徑，加強(qiáng)人才工程設(shè)計、工程實踐、自主學(xué)習(xí)、合作溝通及集成創(chuàng)新等能力的培養(yǎng);采取多元化課程考核模式改進(jìn)學(xué)業(yè)評價，完善教學(xué)過程。實踐結(jié)果表明，理論與工程實踐同步且有機(jī)結(jié)合，不僅有助于深刻理解后續(xù)專業(yè)領(lǐng)域的理論，而且能激發(fā)學(xué)生的探究欲，提高學(xué)生的工程意識和解決問題的能力，為培養(yǎng)行業(yè)拔尖人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科;彈性力學(xué)有限單元法;課程改革;拔尖人才

中圖分類號：C961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）06-0140-03

Abstract： The emerging engineering education will train the top-notch talents in modern engineering that meet the requirements of rapid development in the new era. Based on the concept of engineering innovation talents， the article has carried out a series of profound reforms on the finite element law course： reconstructing the distribution of finite element method teaching content， perfecting the talent training carrier; using the "engineering project-driven teaching method" to optimize the training channels and strengthen the talent engineering design ， engineering practice， independent learning， cooperative communication and integrated innovation， etc.; adopt a diversified curriculum assessment model to improve academic evaluation and improve the teaching process. The results of practice show that the simultaneous and organic combination of theory and engineering practice not only helps to deeply understand the theory of follow-up professional fields， but also stimulates students' desire for inquiry， improves students' engineering awareness and problem-solving ability， and lays the foundation for cultivating top talents in the industry. solid foundation.

Keywords： emerging engineering education; elastics & finite element method; curriculum reform; top-notch talent

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中明確提出高等教育要著力培養(yǎng)本領(lǐng)過硬的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才。2017年，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》。通知中，基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求提出了新工科（Emerging Engineering Education）。其內(nèi)涵以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。彈性力學(xué)作為工科基礎(chǔ)，是工科四大力學(xué)之一，同時兼?zhèn)淞丝茖W(xué)、數(shù)學(xué)和工程三重屬性。因而，機(jī)械、土木、航空航天等工程問題最終大多都?xì)w結(jié)為彈性力學(xué)問題。從實際工程問題到力學(xué)模型建立即為其科學(xué)創(chuàng)新的體現(xiàn)，力學(xué)問題的數(shù)學(xué)方程求解即為實際問題的量化基因，有限單元法的創(chuàng)立為量化發(fā)展的代表性創(chuàng)造。鄭泉水教授認(rèn)為力學(xué)同時擁有定量化“基因”和技術(shù)創(chuàng)新“基因”。因此，作為傳授力學(xué)基本概念和規(guī)律、工程思維及實際問題解決的彈性力學(xué)有限單元法將為發(fā)展學(xué)生工程問題處理的能力，培養(yǎng)拔尖人才提供一個有極大拓展空間的平臺。本文以4年來，上海工程技術(shù)大學(xué)與美國勞倫斯理工大學(xué)（LAWRENCE TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 簡稱LTU）合作辦學(xué)專業(yè)的有限單元法課程改革為例，在新工科及創(chuàng)新教育視角下，探討拔尖人才的培養(yǎng)載體、教學(xué)途徑及教學(xué)效果評價。

一、重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容體系，完善人才培養(yǎng)載體

教學(xué)內(nèi)容是人才培養(yǎng)最為基本的載體，因此教學(xué)內(nèi)容的改革是課程改革的核心，在某種程度上也決定著教學(xué)模式的改革[2]，將直接影響教學(xué)實效。機(jī)械設(shè)計制造及其自動化是我校與LTU合作辦學(xué)的專業(yè)，其目標(biāo)是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際，具有實踐創(chuàng)新精神和較強(qiáng)的對外交流能力，適應(yīng)國際企業(yè)、具有國際視野的高級汽車工程技術(shù)人才。以理論教學(xué)為主的傳統(tǒng)有限單元法教學(xué)內(nèi)容體系顯然難以滿足要求，需要對其進(jìn)行重新遴選、關(guān)聯(lián)及重構(gòu)。

本課題針對彈性力學(xué)有限單元法理論及其工程應(yīng)用課程進(jìn)行了模塊化設(shè)計，將其分為彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論、彈性力學(xué)課程思政內(nèi)容、有限單元法基礎(chǔ)理論、有限單元法課程思政內(nèi)容、工程項目實踐及工程素養(yǎng)。其中理論模塊包括彈性力學(xué)基本概念、三大控制方程、有限元基本思想及解決問題的流程等，這幾大模塊是最為根本和重要的部分。思政模塊內(nèi)容隱含在理論教學(xué)和工程案例實踐教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代文化人的要求、力學(xué)工程師的職業(yè)素養(yǎng)和對彈性力學(xué)、有限單元法發(fā)展貢獻(xiàn)巨大的人物尤其是華人學(xué)者的事跡，以期達(dá)到目標(biāo)指引、精神引領(lǐng)及內(nèi)省的目的;強(qiáng)調(diào)工程問題的協(xié)同解決，著重培養(yǎng)學(xué)生做人做事的基本品格培養(yǎng)。工程實踐模塊主要采用項目驅(qū)動法進(jìn)行教學(xué)，利用有限單元法及彈性力學(xué)理論，運用成熟的商業(yè)有限元軟件分析實際工程項目案例，從需求分解、方案設(shè)計、模型建立及求解、結(jié)果反饋等多個方面進(jìn)行過程把控。

（一）強(qiáng)化力學(xué)概念，滲透力學(xué)建模思想，夯實基礎(chǔ)理論

力學(xué)概念、彈性力學(xué)問題的界定及求解、建模思路等在教學(xué)內(nèi)容體系中是最為關(guān)鍵的。長期以來，我國大學(xué)工科力學(xué)課程主要集中在工程力學(xué)即理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，其力學(xué)模型主要是剛體和簡單變形體，控制方程利用初等數(shù)學(xué)即可求解。而實際工程結(jié)構(gòu)大多為復(fù)雜彈性體，其邊界及受力非常復(fù)雜，簡單變形體的力學(xué)模型、初等數(shù)學(xué)工具都已無法滿足。彈性力學(xué)基本問題是研究任意彈性體在外力及溫度作用下，內(nèi)部的反應(yīng)，而描述彈性體內(nèi)部反應(yīng)的物理量是應(yīng)力、應(yīng)變及位移。因而，這里的力學(xué)概念就包括了任意彈性體、位移、應(yīng)變、應(yīng)力及外載荷。力學(xué)建模思想即是在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，尋找描述該彈性體的四個變量之間的關(guān)系，即三大控制方程。從彈性力學(xué)問題入手，幫助學(xué)生建立起來從位移到應(yīng)變、從應(yīng)變到應(yīng)力、應(yīng)力與外力等三個方程的邏輯關(guān)系，此即力學(xué)建模的思想。給出合理的假定前提下，得到控制方程;在一定邊界約束條件下，利用不同的數(shù)學(xué)工具求解;整個建模到求解的過程即為力學(xué)基礎(chǔ)理論。而在有限元理論分析中，位移有限元的單元分析過程正是沿著這一思路開展，所以結(jié)合彈性力學(xué)基本問題的位移求解來開展有限元法理論教學(xué)，非常有助于學(xué)生的理解。

（二）遴選思政教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生視野、提高學(xué)生科學(xué)及工程素養(yǎng)

時至今日，彈性力學(xué)依然是一門生機(jī)勃勃的科學(xué)，是工程問題解決的主要理論所在。對于 “新工科”來講，其內(nèi)涵是立德樹人，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程拔尖人才。作為新工科主干課程，在《彈性力學(xué)有限單元法理論及工程應(yīng)用》課程培養(yǎng)過程中，就要考慮學(xué)生將來處理工程問題時應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任、解決問題時的團(tuán)隊協(xié)作、品行、決斷、敏捷、知人善任、學(xué)識和技能的綜合應(yīng)用等方面。因而，本課程的教學(xué)內(nèi)容必需要加入思政元素，包括彈性力學(xué)和有限元法相關(guān)歷史人物事跡、工程項目管理基本素養(yǎng)、工程倫理等。

（三）加強(qiáng)實踐模塊，促進(jìn)學(xué)生解決實際工程能力

有限元法在機(jī)械零部件的設(shè)計中已經(jīng)是最有效的工具，所以在教學(xué)中構(gòu)建專業(yè)應(yīng)用模塊，為后續(xù)的專業(yè)課留接口，可促進(jìn)學(xué)生力學(xué)知識的遷移。選擇項目組已完成或正在進(jìn)行的課題，劃分成小的項目任務(wù)，供學(xué)生選擇，并以企業(yè)要求為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實踐教學(xué)。目前已采用的項目任務(wù)包括摩擦制動過程摩擦片溫度場的瞬態(tài)問題、摩擦片熱應(yīng)力分析、基于疲勞特性的空心穩(wěn)定桿設(shè)計、基于疲勞特性的實心穩(wěn)定桿設(shè)計、小排量發(fā)動機(jī)平衡軸的設(shè)計、前懸架彈簧設(shè)計分析、后懸架彈簧設(shè)計分析、氣門彈簧節(jié)距變化的力學(xué)特性分析、沙灘車的優(yōu)化設(shè)計等等。在實踐教學(xué)中，采用工程問題建模、CAE建模、工程項目解決為主線的臺階式教學(xué)方式，使教學(xué)目的層次分明，使得學(xué)生掌握基本的CAE分析技能;而工程問題及工程項目的解決，更注重學(xué)生綜合應(yīng)用的能力、系統(tǒng)集成的能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、改革教學(xué)模式，優(yōu)化人才培養(yǎng)途徑

教學(xué)模式?jīng)Q定了人才培養(yǎng)途徑。在新工科視角下，由于需要的綜合應(yīng)用能力，研究性學(xué)習(xí)應(yīng)該是教學(xué)的主旋律。研究性學(xué)習(xí)理論來源于建構(gòu)主義，其本質(zhì)在于知識的自主構(gòu)建，即學(xué)習(xí)的過程分為轉(zhuǎn)移、混沌即再構(gòu)。為此，堅持以學(xué)生為中心，利用真實工程問題的解決，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，最終實現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)知識的自主構(gòu)建，訓(xùn)練工程實踐能力。

（一）引入PTM 模式，促進(jìn)學(xué)生自主探究

PTM（Project-driven Teaching Method）項目驅(qū)動教學(xué)模式是以真實工程項目為載體，讓學(xué)生自由組隊，從工程案例庫中選擇項目，完全按照工程項目流程：從需求解讀、項目分解、方案設(shè)計、中期匯報、風(fēng)險評估、課堂答辯、結(jié)題總結(jié)等。每個小組都嚴(yán)格執(zhí)行，完成一個項目的實施流程。

（二）采用準(zhǔn)雙語教學(xué)，為閱讀英文專業(yè)文獻(xiàn)打下基礎(chǔ)

為了拓寬學(xué)生的國際視野，推薦學(xué)生查閱英文文獻(xiàn)、英文專利和標(biāo)準(zhǔn)等。在教學(xué)中，采用準(zhǔn)雙語授課，即涉及到力學(xué)概念、原理等描述均采用雙語講義，并以翻轉(zhuǎn)課堂形式要求學(xué)生學(xué)習(xí)國際著名大學(xué)的公開課視頻，讓學(xué)生及早接觸科技英語。

（三）開展項目組演講匯報，增強(qiáng)溝通表達(dá)意識

對于每個項目的最終結(jié)題，必須經(jīng)過課堂答辯，最終以 PPT 演講的形式向全班展示對問題的分析、解決方案以及結(jié)果。臺下每位同學(xué)都可以進(jìn)行評論和提問，氣氛十分熱烈，按照合同要求及評委們的最終意見，決定是合格或者優(yōu)秀。在此過程中，學(xué)生感受到了工程問題解決的樂趣，增強(qiáng)了工程意識。

三、探索課程考核方式，改進(jìn)學(xué)業(yè)評價

課程評價一般是“一張試卷定成績”，這顯然不能完全客觀地評價學(xué)生的掌握情況，尤其調(diào)整后的教學(xué)過程更加注重理論與工程實踐結(jié)合，因而，需要引入多元化的課程考核模式。本課程總評成績由理論考核、工程實踐、平時成績?nèi)龎K組成，其中理論考核為期末閉卷考試分?jǐn)?shù);工程實踐分為匯報答辯及項目結(jié)題論文評分兩部分;平時成績分為出勤、課堂參與度、查閱外文資料及學(xué)習(xí)知名大學(xué)公開課情況及作業(yè)等組成，整個課程最終評價由三項加權(quán)給出。

四、結(jié)束語

在創(chuàng)新教育觀和新工科人才觀下，我們對本校與LTU合作辦學(xué)的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的核心課程《彈性力學(xué)有限單元法理論及工程應(yīng)用》課程進(jìn)行教學(xué)改革，主要涉及到教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、工程項目實踐的項目驅(qū)動法的實施以及對應(yīng)于教學(xué)內(nèi)容及新教學(xué)法的學(xué)業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)的制定等。四年來的實踐結(jié)果表明，學(xué)生對于有限元法的理解及應(yīng)用、工程意識和創(chuàng)新能力都有了很大提升，尤其是在畢業(yè)設(shè)計、實習(xí)工作中更能體現(xiàn)。

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