?新工科背景下機械類本科生實驗和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與實踐

摘 "要 "新工科背景下，從建立新型學(xué)習(xí)環(huán)境入手，構(gòu)建機械類本科生虛實結(jié)合的開放式實驗教學(xué)體系，系統(tǒng)建設(shè)與實體實驗互依共存、優(yōu)勢互補、虛實結(jié)合的機械設(shè)計、機械制造、機械電子實驗教學(xué)平臺和學(xué)生課外科技創(chuàng)新平臺，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建一個網(wǎng)絡(luò)化24小時開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，做到虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補，實現(xiàn)資源校內(nèi)外共享，形成自主式、合作式、研究式、開放式學(xué)習(xí)方式，極大地強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，教學(xué)改革成效顯著。

關(guān)鍵詞 "機械類本科生；虛實結(jié)合；開放式實驗教學(xué)；實驗教學(xué)平臺

中圖分類號：G642.0 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）02-0006-05

Research and Practice on Training of Experiment and

Experimental Innovation Ability for Mechanical Under-

graduates Based on New Engineering Education： Taking Mechanical Engineering Experimental Teaching Center of Guangxi University as Example//MENG Yanmei， TANG Zhihong， DONG Zhen， WEI Jin

Abstract "Starting from the establishment of a new learning environment， the open experimental teaching system of me-

chanical and electrical undergraduates’ combination of vir-tuality and reality is constructed. In this teaching system， both

experimental teaching platform and student extracurricular technological innovation platform （which are consisted of the subject of Mechanical Design， Mechanical Manufacturing， and Mechanical and Electronic Engineering） are studied and built based on the aim of absorbing full advantages of mutual

coexistence with physical experiments， complementary advan-

tages， and combination of virtuality and reality. Moreover， in

order to realize the combination of virtuality and reality， the maximum open experimental teaching resources （24-hour-open network of learning environment） is built with the Inter-

net technology， so that in-class-teaching， extracurricular tea-

ching， virtual simulation， and actual operation can be realized

of four in one. In this mode， it can easily realize the sharing of resources inside and outside the school， and form the inde-

pendent， cooperative， research and open learning methods， which can greatly enhance the cultivation of students’ autono-

mous learning practice and innovation ability. Furthermore， the results of the teaching reform are noticeable.

Key words "mechanical undergraduates; combination of vir-

tuality and reality; open experimental teaching; experimental teaching platform

0 "引言

廣西大學(xué)機械工程實驗教學(xué)中心是學(xué)校的公共實驗教學(xué)平臺，中心實驗教學(xué)水平直接影響學(xué)生培養(yǎng)的質(zhì)量。機械工程實驗教學(xué)中心從2008年起，一直不斷開展實驗教學(xué)改革，把以往依附于理論教學(xué)的孤立的、封閉式的實驗教學(xué)改變?yōu)榻虒W(xué)互動、課程相互關(guān)聯(lián)的實驗獨立設(shè)課，同時基于新工科背景融入學(xué)科前沿技術(shù)，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真試驗，研究構(gòu)建機械工程本科生“虛實結(jié)合，能實不虛”的模塊化、層次性、開放的實驗教學(xué)新模式，以解決同類實驗課程相互之間缺乏關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性的突出矛盾，以及在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)受到設(shè)備、場地、師資等因素限制的大型綜合性實驗項目難以開展的問題[1-5]。

1 "實驗教學(xué)模式改革

1.1 "實驗教學(xué)改革解決的主要問題

開放式虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式建設(shè)以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為根本目標(biāo)，重點實現(xiàn)虛擬仿真實驗與實體實驗和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合應(yīng)用，主要解決兩大問題。

1）將依附于理論教學(xué)的孤立、分散的課程實驗的相關(guān)知識點、技能點進(jìn)行優(yōu)選、重組，融入新的知識和技術(shù)，構(gòu)建層次模塊化的實驗教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)入前沿、交叉、跨界、融合的境界，解決關(guān)聯(lián)課程知識的綜合運用問題。

2）淘汰一部分陳舊的驗證性實驗，騰出學(xué)時和空間，將前沿技術(shù)和科技成果以及高消耗的實驗研制成虛擬仿真實驗，建立線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，解決實驗教學(xué)開放性和先進(jìn)性不足的問題。

1.2 "虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)機械類人才培養(yǎng)需求，研究科研成果與本科實驗教學(xué)結(jié)合的方法，充分利用科研優(yōu)勢增強實驗教學(xué)能力。構(gòu)建由基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計性、研究性實驗組成的機械設(shè)計、機械制造和機械電子以及學(xué)生課外實踐四個虛實結(jié)合實驗教學(xué)平臺，共十個實驗?zāi)K教學(xué)內(nèi)容[6]，如圖1所示。

1.2.1 "機械制造實驗教學(xué)平臺改革與建設(shè) "該

平臺涵蓋金工實訓(xùn)、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、先進(jìn)制造技術(shù)、計算機集成制造、特種加工技術(shù)、機械CAD/

CAM、數(shù)控原理、數(shù)控編程等基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的實驗，由三個教學(xué)模塊的實驗獨立設(shè)課組成。通過典型完整的虛擬制造案例，學(xué)習(xí)掌握機械加工過程和工藝，以一個數(shù)字化工廠實例模擬機械制造企業(yè)車間布局和企業(yè)生產(chǎn)全過程，基于虛擬制造技術(shù)構(gòu)建典型機械產(chǎn)品生產(chǎn)中的制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測等各個階段仿真實驗，讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握機械制造生產(chǎn)線、生產(chǎn)車間和制造工廠信息傳遞以及產(chǎn)品從設(shè)計到真實制造的過程。

1.2.2 "機械設(shè)計實驗教學(xué)平臺改革與建設(shè) "該

平臺包括機械制圖、計算機繪圖、機械零件與原理、機械設(shè)計等基礎(chǔ)課程整合的機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗，專業(yè)課程計算機輔助工程、虛擬樣機技術(shù)整合的虛擬樣機實驗技術(shù)，構(gòu)建基于想象的開放性創(chuàng)意設(shè)計虛實結(jié)合實驗平臺，拓展學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計視野，學(xué)習(xí)機械產(chǎn)品設(shè)計方法，建立機械設(shè)計創(chuàng)新思維方法。

1.2.3 "機械電子實驗教學(xué)平臺改革與建設(shè) "涵蓋專業(yè)基礎(chǔ)課程機械控制工程基礎(chǔ)、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)、電液控制工程以及機械電子工程專業(yè)課程模塊的虛實結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容。平臺基于遠(yuǎn)程仿真實驗系統(tǒng)的開放接口，具有遠(yuǎn)程開發(fā)性架構(gòu)，通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)實現(xiàn)基于萬維網(wǎng)的實驗設(shè)備共享，實現(xiàn)24小時完全開放的實驗教學(xué)。

1.2.4 "虛實結(jié)合學(xué)生課外實踐和科技創(chuàng)新平臺建設(shè) "該平臺提供全開放的自主學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)環(huán)境，同時通過參與教師科研項目、設(shè)置學(xué)生課外創(chuàng)新實踐項目、校企聯(lián)合實驗室，使之成為實驗教學(xué)不可或缺的部分。通過貫穿學(xué)生大學(xué)四年的公共基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)技術(shù)課程的實驗教學(xué)以及課外實踐和科技創(chuàng)新活動的拓展訓(xùn)練，學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)的各個階段都能得到良好的實踐學(xué)習(xí)和實踐能力訓(xùn)練。在實驗教學(xué)中把設(shè)計研究性教學(xué)的思想貫穿始終，使學(xué)生獲得創(chuàng)新意識和工程實踐能力的培養(yǎng)。

1.3 "虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)模式構(gòu)建

將互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的虛擬仿真實驗與基于硬件操作的實驗相結(jié)合，研究探討智能制造模式下機械產(chǎn)品設(shè)計制造、企業(yè)管理信息化、生產(chǎn)過程控制智能化、生產(chǎn)裝備數(shù)字化等新技術(shù)實驗教學(xué)的新架構(gòu)。融合虛擬仿真實驗和基于硬件實驗的教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建機械制造虛實結(jié)合實驗教學(xué)平臺、機械設(shè)計虛實結(jié)合實驗教學(xué)平臺和機械電子實驗教學(xué)平臺三大課程平臺，涵蓋機械工程專業(yè)實驗教學(xué)體系主干課程的實驗教學(xué)內(nèi)容，利用學(xué)生科技創(chuàng)新活動和校企聯(lián)合實驗室充分拓展學(xué)生課外實踐和科技創(chuàng)新領(lǐng)域。同時，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建“自主開放學(xué)習(xí)平

臺+多重交互自學(xué)平臺”兩大平臺為載體的開放式自主學(xué)習(xí)環(huán)境。借助自主開放式學(xué)習(xí)平臺，注重不同層次的開放實驗項目與課堂教學(xué)內(nèi)容聯(lián)動。建設(shè)由實驗智能導(dǎo)學(xué)軟件、虛擬仿真軟件、實驗規(guī)范操作視頻和實驗教學(xué)互進(jìn)系統(tǒng)組成的課前、課中、課后多重交互自學(xué)平臺[7]。最終形成一個優(yōu)勢互補、互依共存的“虛實結(jié)合、課內(nèi)外結(jié)合”開放式實驗教學(xué)新模式，如圖2所示。

1.4 "虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)組織方式

結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真實驗技術(shù)，利用自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)、虛擬仿真實驗和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛實結(jié)合實驗等網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源，通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)、互進(jìn)系統(tǒng)生—生和師—生間協(xié)作學(xué)習(xí)、復(fù)雜問題現(xiàn)場師生探究式深層次學(xué)習(xí)，實現(xiàn)以學(xué)生為中心的課內(nèi)課外深度融合的實驗教學(xué)組織方式，如圖3所示。

1.5 "實驗教學(xué)計劃安排

實驗教學(xué)內(nèi)容包括涵蓋機械設(shè)計學(xué)、機械制造學(xué)、機械電子工程等機械工程專業(yè)主干課程的多學(xué)科綜合所設(shè)置的十個教學(xué)模塊，以實驗獨立設(shè)課作為必修、必選和選修學(xué)分，納入本科生培養(yǎng)計劃。每個實驗功能模塊根據(jù)不同專業(yè)對象的需要提供基本必修實驗項目，并開發(fā)大量綜合設(shè)計和創(chuàng)新研究的選修實驗。實驗教學(xué)包括必修實驗和選修實驗，總實驗學(xué)時滿足課時要求，經(jīng)考核合格后可獲得學(xué)分。

實驗教學(xué)中，必修實驗是根據(jù)每門課程的教學(xué)大綱設(shè)置的?；ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境提供24小時完全開放的實驗教學(xué)，大量研究性、設(shè)計性和綜合性選修實驗更具有學(xué)習(xí)的高階性和挑戰(zhàn)度的特征。利用實驗獨立設(shè)課單獨計學(xué)分、單獨安排進(jìn)度、單獨考核的方式引起學(xué)生對實驗足夠的重視；利用課內(nèi)和課外相結(jié)合的實驗教學(xué)模式給學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)的時間和機會，使學(xué)生有更多自由成長的空間。

1.6 "建立多元的實驗考核方法

實驗考核是檢查和評價教學(xué)效果的重要手段，實驗教學(xué)改革必須以有效的考核體系保證實驗教學(xué)的質(zhì)量。實驗考核方式強化實驗過程和實驗結(jié)果質(zhì)量的考核，注重創(chuàng)新實踐能力評價與培養(yǎng)，采取實驗課程理論考試、實驗操作考試、平時學(xué)習(xí)、實驗報告、開放實驗學(xué)習(xí)考核、課外科技創(chuàng)新活動考核等。成績評定采取多元化的考核方法，結(jié)合平時成績和考試成績、實驗過程和實驗結(jié)果、操作技能和創(chuàng)新素質(zhì)，全面、客觀、綜合地評價學(xué)生的成績。

2 "改革實踐應(yīng)用及效果分析

2.1 "本科生實驗教學(xué)質(zhì)量極大提高

經(jīng)過多年探索，嘗試互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下虛實結(jié)合的新型實驗教學(xué)模式。該模式是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)有效進(jìn)行工學(xué)結(jié)合人才培養(yǎng)的教學(xué)模式，通過機械設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、加工制造、檢測控制等各環(huán)節(jié)，開展虛實結(jié)合實驗和網(wǎng)絡(luò)化自主實踐教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛實實驗優(yōu)勢互補、課內(nèi)課外教學(xué)有機結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)建最佳的學(xué)習(xí)環(huán)境和情境。

廣西大學(xué)機械工程專業(yè)已經(jīng)針對本科生開展多年虛實結(jié)合的全方位開放式實驗教學(xué)。廣西大學(xué)機械工程實驗教學(xué)中心每年開放性實驗學(xué)時數(shù)達(dá)全部實驗學(xué)時的39%，大量貫穿本科生四年各個學(xué)習(xí)階段的個性化選修實驗?？萍紕?chuàng)新實踐項目可以極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，本科生實驗和實踐教學(xué)的質(zhì)量極大提高。

2.2 "有效培養(yǎng)學(xué)生的自主實踐能力

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化實驗可以實現(xiàn)24小時完全開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，形成包括“基礎(chǔ)性驗證性實驗+綜合性設(shè)計性實驗+研究性創(chuàng)新性實驗”的多層次虛實結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容。從機械工程專業(yè)學(xué)生在校的成長經(jīng)歷和畢業(yè)后工作狀況來看，開放式教學(xué)模式能夠極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的工程實踐和創(chuàng)新能力。

如機械工程及自動化專業(yè)2015級韋俊東是虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)模式進(jìn)行研究和實踐的本科生，該生積極參與課內(nèi)外各項實驗和實踐活動，在開放式實驗教學(xué)培養(yǎng)模式下，學(xué)習(xí)虛擬樣機設(shè)計方法，參與“遙控自走式多自由度機構(gòu)機械手”和“農(nóng)業(yè)植保拉管機”等樣機設(shè)計與開發(fā)，參與申請發(fā)明專利六項，參加各類大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽獲獎多項，獲國家勵志獎學(xué)金、李寧獎學(xué)金等獎項。目前，該生免試推薦攻讀研究生。新模式下類似的案例還有很多，近年來，廣西大學(xué)機械工程專業(yè)學(xué)生就業(yè)率高達(dá)95%。

2.3 "學(xué)生科技創(chuàng)新能力逐年提高

與學(xué)科前沿和工程實際緊密結(jié)合的科技創(chuàng)新實踐項目能夠激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的實踐動手和創(chuàng)新設(shè)計能力。學(xué)生參加各類創(chuàng)新設(shè)計大賽獲獎量和科研成果數(shù)量快速增長，實驗教學(xué)改革前后學(xué)生的獲獎情況如表1所示。

3 "結(jié)論

虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)模式改革具有鮮明的特色，應(yīng)用成效顯著。

1）通過融入互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真技術(shù)，可以極大地拓展學(xué)生自主實踐的學(xué)習(xí)環(huán)境和師生交流互動的渠道，有助于形成“學(xué)生自主學(xué)習(xí)、師生現(xiàn)場深層次交流、互進(jìn)系統(tǒng)協(xié)作學(xué)習(xí)”的突破時空限制的三位一體開放式實驗教學(xué)，能夠極大提升機械工程實驗教學(xué)中心的實驗教學(xué)水平。

2）通過科研成果轉(zhuǎn)化、自主研發(fā)和與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)模式，建立必修與選修實驗相結(jié)合、課內(nèi)和課外相結(jié)合的開放性虛實結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容。虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺在注重學(xué)生課內(nèi)學(xué)習(xí)的同時，結(jié)合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及學(xué)生課外實踐環(huán)節(jié)，以漸進(jìn)思想與知識構(gòu)建的思路相對應(yīng)組織自主實踐內(nèi)容，促使學(xué)生在不同階段自主學(xué)習(xí)相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠有效解決本科生自主學(xué)習(xí)實踐能力弱的問題。

3）通過互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下虛實結(jié)合的教學(xué)資源和大型設(shè)計分析軟件提供一個全開放的自主學(xué)習(xí)實踐教學(xué)環(huán)境，同時通過參與教師科研項目、設(shè)置學(xué)生課外創(chuàng)新實踐項目、校企聯(lián)合實驗室，使之成為教學(xué)體系不可或缺的部分，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合、實踐與創(chuàng)新相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、學(xué)校與社會相結(jié)合。

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