新工科背景下機械類課程教學創(chuàng)新與實踐

孫夢馨，鄭璐愷，馮 勇，成煥波

(1. 南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京，211167； 2. 常熟理工學院，江蘇 蘇州，215506)

電影《流浪地球》中，高功率的行星發(fā)動機被視作人類命脈，推動地球帶著文明的火種在宇宙中尋找宜居的新家園。現(xiàn)如今我國工業(yè)飛速發(fā)展，“天問一號”“華龍一號”“深海一號”“天宮一號”等大國重器，承載著民族崛起的希望，在制造領域打造著全球頂尖的工業(yè)體系。無論是文明命脈還是大國重器，都離不開機械學科的基礎與自主創(chuàng)新觀念的支撐。助力我國從制造大國向智能制造強國的轉變，高端機械大類人才的培養(yǎng)也成為了時代的使命。

為了應對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來的新機遇與新挑戰(zhàn)，2017年教育部發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，對高等教育教學提出大規(guī)模的革新需要，新工科成了高等教育“質量革命”的重要抓手[1]。自新工科概念被提出以來，從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，相關理論研究和改革實踐日漸增多，主要在人才培養(yǎng)、教學改革、實踐教學、產(chǎn)教融合等方面[2]，研究者為了實現(xiàn)核心目標——提升高等教育人才的培養(yǎng)質量，核心舉措的落腳點逐漸集中到提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力上。在落實新工科建設舉措的過程中，各個環(huán)節(jié)都應及時進行調整和更新，包括培養(yǎng)目標和專業(yè)方向的調整、培養(yǎng)規(guī)格和培養(yǎng)方案的修訂、課程體系和教學方式的創(chuàng)新改革，等等，保證新工科建設內容和人才培養(yǎng)內涵能夠與時俱進，培養(yǎng)符合我國經(jīng)濟轉型發(fā)展需求的卓越工程科技人才。項目化教學作為一種新興的教學方式[3]，突出以學生為中心，在培養(yǎng)學生的合作探究能力與創(chuàng)新思維素質方面具有傳統(tǒng)教學不可比擬的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)學科知識結構單一的現(xiàn)象，其理念與新工科理念對人才培養(yǎng)的需求不謀而合，因此新工科視域下的項目化教學改革研究成為當下研究的熱點。

在項目化教學方面，國外已有多個成熟的改革模式：學生能力為本位，個人能力為基礎進行模塊式、理實結合教學，督促學生自學的能力導向教育模式(CBE)[4]；以成果為目標導向，以學生為本，采用逆向思維的方式進行課程體系建設的成果導向教育(OBE)[5]；強調構建支撐聯(lián)系的一體化課程體系，以產(chǎn)品全生命周期為載體促使學生學習的構思—設計—實施—運行教育模式(CDIO)[6]。除了這些成熟模式以外，國外高校也在探索項目式教學、工程教育的新模式。麻省理工學院提出了國際科技計劃(MISTI)，促使學生在與工業(yè)生產(chǎn)緊密結合的學科領域，到海外或者名企進行交流實踐[7]；斯坦福大學向本科生全面開放實驗室，提供項目研究，并以項目為基礎進行交叉教學，讓學生為用而學[8]；歐林工學院提出了以項目為基礎，以設計為中心的工程教育模式，促使學生在項目實踐中跨學科團隊學習，提高自學和動手能力的同時，提升跨學科思維、雙創(chuàng)能力、團隊合作、全球視野和倫理道德，推動了工程科學范式向工程實踐范式的轉變，引領了世界工程教育改革和發(fā)展的方向[9]。

國內在工程教育改革、項目化教學領域起步較晚，新工科建設行動計劃提出以來，我國工程院校紛紛從服務國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，探索實施了以實踐為主導的理實結合的教育理念和項目、問題驅動的教學模式，在認知邏輯、教學理念、授課方式、評價方式上展開研究，努力實現(xiàn)傳統(tǒng)課堂教學向面向項目的教學的轉變，在新工科背景下開展的項目化教學有了長足的進步。李津津針對機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了貫通式項目制研究型綜合實踐教學新模式，倡導從大一開始針對學生設計一個綜合性的實踐項目，以項目為主導，導師為指導，學生用3～4年完成實踐項目，為新工科建設提供了新思路[10]；李偉結合高等材料熱力學課程教學實踐基礎，在新工科理念下項目化學習的應用范式指導下，形成了“3+6”的教學應用范式，各步驟間存在內部邏輯關系又相互作用，為實現(xiàn)教學目標服務[11]；溫秀平立足專業(yè)內綜合能力培養(yǎng)、跨專業(yè)綜合能力培養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)3個維度，從課程、課程群、專業(yè)、工程4個層次，依據(jù)從簡單到復雜、從單一到綜合的能力進階式培養(yǎng)原則，創(chuàng)新性提出了“三維度、四層次”進階式項目化教學思路，構建了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目化教學課程體系，以課程實證進行了論述[12]。

從上述國內外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)專家學者開展的項目化教學實踐普遍需要一定的項目平臺、資金支撐和長周期規(guī)劃，在教師課程內開展項目式教學的探索還較少。機械類課程作為理論與實踐并重的專業(yè)基礎課，在踐行課堂項目化教學中也遇到了一系列的矛盾，主要表現(xiàn)在：教材中的基礎知識與工程實踐的聯(lián)系不夠緊密、傳統(tǒng)的教學內容較難滿足學生日益增長的知識需求以及固定的應試型評價無法衡量學生的能力思維提升程度。因此，對現(xiàn)有機械類課程進行教學創(chuàng)新以提高課堂項目化教學質量具有必要性。

一、傳統(tǒng)機械類課程教學困境

在新工科發(fā)展背景下的傳統(tǒng)機械類課程教學體系存在一系列的困境：

1.知識點呈現(xiàn)困境：形式單一，關聯(lián)性不足

對于新時代的近機類專業(yè)學生來說，機械是枯燥、刻板、過時的一代名詞，學習過程漫無目標，前期的力學、圖學類課程基礎水平不一，為理解機構原理、掌握零件應用平添困難，而傳統(tǒng)教學僅能提供吸引度不強的課件講義供學生自行關聯(lián)，流于形式，缺乏創(chuàng)新。

2.課堂氛圍營造困境：理實脫節(jié)，觸碰度不足

在課堂中，基本的知識講授式課堂與工程案例相去甚遠，一般的學生較難將理論與實踐有機聯(lián)系，舉例形式無法給予學生工程經(jīng)驗，先進技術、行業(yè)軟件的應用也不夠普遍，以至于學生在后期面對課程項目、課程群項目時無從下手。

3.達成考核評價困境：考評欠準，沉浸感不足

考評仍以終結性評價為主，對標知識—能力—素養(yǎng)的階梯式課程目標，僅僅完成了低階的知識目標，缺乏課程高階性的合理評價方法。課程外的發(fā)散模式不夠清晰，直接導致學生對課程內設置的各個環(huán)節(jié)缺乏參與熱情。

二、教學創(chuàng)新理念與舉措

(一)項目式工坊化教學理念

針對以上傳統(tǒng)機械類課程教學困境，課程團隊提出了項目式工坊化教學理念，主要從課程資源建設、教學方式轉變、考評發(fā)散探索3個方面對課程教學深化了改革，實施了“四化”資源支撐課程建設、“三入”課堂驅動教法改革、“一過程三發(fā)散”評價創(chuàng)設課程環(huán)境等舉措，力求資源吸睛、內容耐聽、學生顯水平，旨在建設匠心傳承、循循善誘、深入淺出、破繭成蝶的機械類課程。

(二)課程資源建設

面向行業(yè)和產(chǎn)業(yè)對本專業(yè)高水平應用型工程技術人才的需求，校企合作共同制定課程大綱與授課計劃，在能力目標中突出培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，使學生具有改進或開發(fā)新零部件及機械裝置的設計能力。在素質培養(yǎng)中，結合工程設計、智能制造等典型教學案例，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)、社會責任感、團隊合作精神和奉獻精神，課程團隊在以下4個方面建成了高豐富度的多維度課程資源。

1.數(shù)字化建設

在知識與技能層面上，以偏重知識講解的慕課資源結合偏重于個性定制的學習通在線資源作為支撐，幫助學生通過線上學習，掌握機械設計基礎中基本機構設計原理與典型零件選型校核的知識，構建基本認知體系，了解機械設計流程。

2.多元化建設

在課程教學中，課程團隊融合機械類課程群，申報獲批各類教改項目并建設完成“有限元仿真案例庫”“機械制造車間虛擬仿真實驗”“原理分析程序庫”和“機械機構運動仿真案例庫”，搭配實驗教具共同使用，虛實結合，助力學生理解機械原理與設計，貫通學科知識，體會創(chuàng)新方法。

3.動態(tài)化建設

根據(jù)每年學生產(chǎn)出的優(yōu)秀成果(競賽獲獎作品、優(yōu)秀畢業(yè)設計、優(yōu)秀課程設計等)，課程團隊動態(tài)更新以上案例資源庫，同時引入科技熱點(如冬奧會機器人、中國空間站機械臂等)更新案例庫，緊跟時事，融入思政，調動學生學習興趣。

4.合作化建設

課程團隊加強與企業(yè)的產(chǎn)學研深度融合，共同培養(yǎng)滿足現(xiàn)代行業(yè)需求的應用型人才；針對課程知識點，由合作企業(yè)提出工程需求，進行項目化驅動教學，如：由企業(yè)提出軌道門輔助鎖的設計要求，教師引導學生利用機械設計基礎中齒輪+凸輪的機構原理知識提出可行方案，以項目合作形式真正做到“人員互通，資源共用，成果共享”的產(chǎn)教融合機制。

(三)教學方法改革

課程團隊以傳統(tǒng)教授式課堂為基礎，引入故事串聯(lián)+工坊實踐+化雨思政相結合的興趣式、踐行式、啟發(fā)式教學模式，打造強參與度的致用型互動課堂。

1.故事串聯(lián)引入

對教學知識點進行重構，采用起承轉合的故事型教學模式，以情境代入、案例教學形式激發(fā)學生的學習興趣。例如：

螺紋自鎖：與科研結合，以軌道門閉合螺旋傳動科研項目引入，引導學生思考變導程絲杠為何可以實現(xiàn)無鎖鎖閉，帶著問題講授新知識，在理論知識完成后，啟發(fā)學生利用螺紋自鎖的多個狀態(tài)解釋引入的科研問題，層層引導，強調主題，理清螺紋自鎖從書本理論到實際應用的脈絡。

鏈傳動：與工程結合，以花生收割機的鏈傳動摘取機構引入，促使學生感受鏈傳動的優(yōu)勢，同時跟隨收割機故事的發(fā)展，體會摘取原理，根據(jù)故事轉折——掉鏈子的發(fā)生，分析鏈傳動的缺陷所在，并提出改進方案與故事中的方案做對比，最終以故事的完滿結局收官課程理論部分內容。

死點位置：與生活結合，課名“死點伴我行”，“行”指代機器人行走及各種交通出行方式，以機器狗為何設計成彎曲的作為引入問題，講授四桿機構的死點知識，引導學生用死點知識來解釋問題，發(fā)現(xiàn)生活中火車、汽車、自行車、飛機、地鐵中的死點存在的位置，以所學死點的克服與利用知識解釋生活中的現(xiàn)象。

平面機構運動簡圖：與藝術結合，以小提琴的演奏以及鋼琴擊弦機構的演示引發(fā)學生的好奇心，將藝術氣息帶入課堂，以機械中的平面機構運動簡圖對演奏小提琴的動作以及擊弦機構的運動進行描述，指導學生逐步建立機械圖形思維，啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)機械之美。

齒輪加工根切現(xiàn)象：與實驗結合，通過范成儀手繪實驗和小程序分析實驗，闡明漸開線齒廓成形過程及根切現(xiàn)象發(fā)生原理，將實驗引入課堂，提升學生課堂參與度，鍛煉其獨立思考能力和動手能力。

2.工坊實踐植入

針對故事串聯(lián)中設計的知識點和科學問題進行相應的隨堂工坊實驗剖析與探討，以翻轉課堂的形式開展工坊實踐項目，以啟發(fā)教學的形式，培養(yǎng)學生探索與解決問題的能力，鍛煉動手能力與設計能力。工坊項目植入課內外教學全過程：

課內項目式工坊化教學形式：課內主要環(huán)節(jié)包括理論教學、實驗教學和項目設計。理論教學中融入情境創(chuàng)設式項目，在課堂中模擬工程背景，應用任務驅動、案例探究、問題研討等教學方法，引導學生在面對真實場景時提煉、質疑并討論；實驗教學中引入教儀探究項目，引導學生根據(jù)企業(yè)真實需求，運用成品或半成品教學儀器創(chuàng)意組合，完成企業(yè)大項目中拆解出的小而精的小項目，階梯式提升學生動手實踐能力；項目設計為實踐制作式項目，主題來源于產(chǎn)業(yè)研究院與企業(yè)的真實工程案例，由企業(yè)導師和主講、指導教師共同拆解優(yōu)化課題為具備實踐性、挑戰(zhàn)性、高階性的課程項目課題，需要集合上述各個子項目的小成果，在企業(yè)需求的指示與企業(yè)導師的引導下，由學生分組形成團隊共同完成。多元實施、多方參與、理實一體、階梯遞進的項目化教學實施，有效地激發(fā)學生學習潛能，提高了學生的動手實踐能力，提升了教學效率與教學質量。

課外項目式工坊化教學形式：課外主要環(huán)節(jié)包括線上學習和虛擬訓練。線上學習在課后運用思辨解析式項目，針對多定義多零件型號的記憶環(huán)節(jié)，引入企業(yè)真實選型任務，啟發(fā)學生于完成任務中復習與鞏固課堂知識；虛擬訓練在課后運用實景模擬式項目，將工程設計與研究環(huán)境通過開發(fā)的虛擬仿真平臺展現(xiàn)出來，強化學生的工程認知意識和對知識點的理解和掌握。

3.化雨思政融入

在課程的各知識點與工坊項目中融入思政內涵，顯隱結合，互促互補，具體實施方式如下。

課程思政隱性融入，立德樹人貫穿全課程知識點：充分挖掘思政育人目標并有效融入課程目標，緊跟地區(qū)前沿高端裝備產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展，建立課程思政矩陣，修訂授課計劃，編纂包含多方多元項目化教學的教案，有效滿足產(chǎn)業(yè)對應用型人才的需求；在課程內容方面，以工匠精神、自主創(chuàng)新為線索，將五維度思政資源(家國情懷、國際視野、職業(yè)規(guī)范、倫理安全、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè))有效融入課程內容，實現(xiàn)核心知識點的思政元素全覆蓋，運用四引導方式展開如鹽化水的思政育人模式：一是知識引導，以知識本身為主體，引申人生道理；二是教師引導，教師全程參與學生思維過程，出謀劃策形成師生共同體；三是企業(yè)引導，以企業(yè)項目為主體，在產(chǎn)教融合中體會產(chǎn)業(yè)技術魅力與國家戰(zhàn)略意義；四是前沿引導，以科研項目為主體，在觸碰前沿科技中領悟機械行業(yè)需求。

工程項目顯性驅動，學以致用內置產(chǎn)教融合項目：在項目式工坊化教學中注重加強基于企業(yè)工程項目的實踐課程內容開發(fā)，由合作企業(yè)提出前沿工程需求，依據(jù)企業(yè)真實情景的真實項目，依靠校內外導師共同進行課程化改造，自主研發(fā)智能制造實訓平臺、智能搬運機器人平臺、智能制造車間虛擬仿真項目以及全景AR在線教學平臺等虛擬實驗室平臺，化零為整優(yōu)化課程內容，模擬真實工程環(huán)境，強化工程認知意識；依托校內產(chǎn)業(yè)技術研究院，開發(fā)產(chǎn)教融合項目，建立零件設計選型、智能化機械設計工程案例庫，通過案例驅動加深知識點的學習、理解與掌握，培育學生分工協(xié)作意識、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、團隊管理意識等核心素養(yǎng)。

(四)考評發(fā)散探索

在考評中，注重過程性評價，引入線上資源自測以及課中工坊項目評價，同時營造以工程、競賽、前沿引領的廣發(fā)散性的氛圍感執(zhí)行環(huán)境。

1.過程性評價方式

在考評方面，依據(jù)建設的新課程資源，引入線上自測的評分環(huán)節(jié)，通過學習通分章節(jié)發(fā)布在線資源，并指導學生完成慕課理論測試題，同時鼓勵學生完成學習通平臺的各類思考探索作業(yè)；在課堂的工坊項目中，采用自評與互評結合的方式，以自評快速構建學生在項目完成過程中的學習觀，提高學生學習的主觀能動性，以互評促使學生分組間產(chǎn)生競爭合作意識，以旁觀認知的方式理解理論知識與踐行項目的內在聯(lián)系，潛移默化訓練工程評判能力。自主開發(fā)項目化教學云端自評互評系統(tǒng)，并投入試運行。

2.工程發(fā)散

將各行業(yè)相關工程項目引入課程與項目，促使學生在接觸新知識后可以及時靈活應用所學知識，并能就相關機械問題與企業(yè)資深工程師進行有效溝通與交流，鞏固知識技能，提供創(chuàng)新方案，解決實際問題，營造解決工程問題的責任感。

3.競賽發(fā)散

在課程中利用小組以競賽形式進行自評互評，同時邀請歷年省級校級得獎項目團隊到課堂進行成果與感悟介紹，幫助課程學員拓展思維，以榜樣形式激發(fā)課程與競賽參與積極性，營造積極參與競賽項目的學習交流感氛圍。

4.前沿發(fā)散

在課堂中啟發(fā)學生思考行業(yè)前沿的重點難點工程問題(輪系無損檢測、飛輪儲能應用等)，促使學生接觸科技前沿，培養(yǎng)學生的研究思維，鼓勵學生在學習通及課程項目官方網(wǎng)站中進行交流探討，營造對科技前沿和學術研究的研討氛圍。

三、成效與反思

機械類課程教學創(chuàng)新實施至今，課程團隊取得了一定的成效：建成案例庫、虛擬實驗室等多項教學資源，課程創(chuàng)新模式得到了高校與媒體的肯定與推廣；小項目課堂競爭合作模式的形成，學生動手能力得到顯著提高，形成了創(chuàng)新團隊，激發(fā)了學生參加機械類競賽的熱情，提高了其各類競賽的參與度并取得豐富的競賽成果；依托本教學模式，團隊教師獲得包括全國創(chuàng)新教學大賽一等獎、江蘇省高校教師教學競賽一等獎在內的多項教學競賽獎項，實現(xiàn)了教學相長，相輔相成，師生互助的成長模式。

課程教學創(chuàng)新在實施過程中仍存在一定的問題，主要為如何科學評價企業(yè)工程項目的課程化拆解是否合理以及各類課程案例庫及虛擬線上平臺如何在課程教學中更好地應用。改進措施包括：更新課程教學內容和教學資源，依據(jù)區(qū)域集群產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展方向，適當增加高端智能裝備、軌道交通裝備中典型通用零件與定制零件的知識點，滿足高等工程教育改革對應用型人才培養(yǎng)的需求；建設新型課程資源庫，開展數(shù)字化資源建設，實現(xiàn)借助新媒體和通信技術的即時學習和交流，為師生提供便利。

機械類課程歷史悠久，是近機類專業(yè)學生必不可少的專業(yè)基石類課程，在新工科思想引導下，課程團隊利用多維度資源建設、致用型內容重構以及發(fā)散性氛圍營造的方式，促使學生秉承求知意志，踐行工匠精神，期望在他們心中開啟一臺永葆創(chuàng)新動力的“永動機”。