依托“新工科”和機(jī)械制造課程體系的學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力全過程培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

許蓬子，劉強(qiáng)，程麗麗，馮美，周曉勤，呼詠，徐媛媛

（吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春）

一 引言

實(shí)踐與創(chuàng)新是國家發(fā)展的源動(dòng)力，發(fā)展源于創(chuàng)新，真知源于實(shí)踐，創(chuàng)新推動(dòng)實(shí)踐，實(shí)踐檢驗(yàn)創(chuàng)新。習(xí)近平總書記的公開講話和報(bào)道中，“創(chuàng)新”一詞出現(xiàn)超過千次，可見其受重視程度。正如習(xí)近平總書記在黨的十八屆五中全會(huì)上所說：“堅(jiān)持創(chuàng)新發(fā)展，就是要把創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置，讓創(chuàng)新貫穿國家一切工作，讓創(chuàng)新在全社會(huì)蔚然成風(fēng)。[1]”可見，在宏觀層面，實(shí)踐和創(chuàng)新這兩駕馬車影響著一個(gè)國家的發(fā)展、繁榮和興盛。在微觀層面，對(duì)當(dāng)代工科大學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)變得越來越重要。

隨著全球新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的不斷涌現(xiàn)，我國國家戰(zhàn)略發(fā)展出現(xiàn)了新需求，對(duì)實(shí)踐與創(chuàng)新型人才出現(xiàn)大量需求，“新工科”概念應(yīng)運(yùn)而生。其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，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?！靶鹿た啤毙枰攸c(diǎn)把握的任務(wù)之一就是“學(xué)與教”和“實(shí)踐與創(chuàng)新”[2]?？梢?，“新工科”的出現(xiàn)不僅為推動(dòng)工程教育的改革與發(fā)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力，還深刻影響了對(duì)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的變革。

從“新工科”概念提出至今，國內(nèi)眾多高校針對(duì)“新工科”建設(shè)背景下人才培養(yǎng)的方法和模式進(jìn)行了諸多的探索與實(shí)踐。北京航空航天大學(xué)探索了學(xué)生綜合素養(yǎng)導(dǎo)向的研究型教學(xué)與實(shí)踐模式，強(qiáng)化了學(xué)生知識(shí)、能力與綜合素養(yǎng)的形成性培養(yǎng)[3]。沈陽大學(xué)提出并構(gòu)建了基于校企深度融合的多維創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)境為核心內(nèi)容的“新工科”驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)型高校創(chuàng)新型人才的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)機(jī)制[4]。華中科技大學(xué)根據(jù)自身特色，對(duì)“新工科”工程科學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)進(jìn)行了探索與實(shí)踐，實(shí)踐啟示是：“新工科”工程科學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需吸收先進(jìn)工程教育理念、明確人才培養(yǎng)目標(biāo)，打造多模塊交叉學(xué)科課程與實(shí)踐體系，用國際化視野及舉措?yún)R聚優(yōu)質(zhì)資源[5]。江蘇師范大學(xué)結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展要求，根據(jù)“五大理念三大融合”制定創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方案，構(gòu)建成一體化教學(xué)體系，根據(jù)地方人才需求實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)科的交叉融合，不斷完善和擴(kuò)大多方協(xié)同育人機(jī)制[6]。

機(jī)械制造課程體系主要是以“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”這一基礎(chǔ)課為核心，還包括“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”和“機(jī)電傳動(dòng)控制”兩門專業(yè)選修課和“先進(jìn)制造技術(shù)”限選課。國內(nèi)高校對(duì)課程的教學(xué)改革、教學(xué)方法模式進(jìn)行了諸多的研究和探索。南京航空航天大學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性為目標(biāo)，提出了引導(dǎo)式教學(xué)方法，教學(xué)與實(shí)踐交替進(jìn)行，增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力[7]。吉林建筑大學(xué)基于OBE理念，探討了課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐、課程考核等環(huán)節(jié)的改革[8]。福建工程學(xué)院提出了機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程案例教學(xué)模式，對(duì)專題案例的總體規(guī)劃、案例類型、課程內(nèi)容“專題化”系統(tǒng)的建立、編寫規(guī)范、選題設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹[9]。

二 教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題

吉林大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系長期致力于學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探究，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)了如下問題：

1.傳統(tǒng)的機(jī)械制造課程體系，雖然知識(shí)內(nèi)容豐富、覆蓋面廣，但是內(nèi)容之間聯(lián)系較為松散，且內(nèi)容相對(duì)陳舊，未能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新；各教學(xué)環(huán)節(jié)之間也缺乏有效的鏈接。這就導(dǎo)致雖然學(xué)生有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，但是知識(shí)向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力的轉(zhuǎn)化度不高，學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力不強(qiáng)，制約了其實(shí)踐與創(chuàng)新能力的形成和發(fā)展，難以滿足“新工科”的要求。

例如：學(xué)生雖然知道如何將服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量轉(zhuǎn)化成服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量，但卻不知道在統(tǒng)計(jì)分析加工誤差時(shí)利用到該知識(shí)點(diǎn)；學(xué)生雖然知道A/D和D/A轉(zhuǎn)換這一知識(shí)點(diǎn)，但在講解切削力測(cè)量時(shí)，卻不知道如何利用。在老師提示之前，可謂“不知有漢，無論魏晉”，而在老師提示之后才“豁然開朗”。

2.學(xué)生動(dòng)手能力不足，對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)不夠重視，使理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練脫節(jié)。學(xué)生創(chuàng)新脫離實(shí)際和實(shí)踐現(xiàn)象明顯，往往是為了創(chuàng)新而創(chuàng)新，創(chuàng)新多流于形式，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，學(xué)生自信心和挑戰(zhàn)困難的勇氣不足。

例如：某創(chuàng)新比賽，一組學(xué)生的想法是研制單車式洗衣機(jī)，即在人騎單車時(shí)將人體自身的生物能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)的機(jī)械能，在鍛煉身體的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了洗衣，想法貌似新穎，但是實(shí)際上費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法洗凈，更達(dá)不到甩干的轉(zhuǎn)速和功率，根本不具備應(yīng)用前景。

三 解決問題的教學(xué)方法和理念

為解決上述問題，本文以“新工科”理念為指導(dǎo)，以機(jī)械制造課程體系為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力、培養(yǎng)出更多實(shí)踐創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，并結(jié)合課程思政建設(shè)，提出旨在依托“新工科”和機(jī)械制造課程體系的學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力全過程培養(yǎng)的教學(xué)理念和模式。

(一) 運(yùn)用融合凝練知識(shí)，構(gòu)建有效鏈接，運(yùn)用多元手段，結(jié)合課程思政的教學(xué)方法

針對(duì)第一個(gè)問題，本文提出“融合凝練知識(shí)，構(gòu)建有效鏈接，運(yùn)用多元手段，結(jié)合課程思政”的教學(xué)方法，以提高學(xué)生的知識(shí)向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)化度。將該方法運(yùn)用到課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、工程訓(xùn)練、考試考核等各個(gè)環(huán)節(jié)，以夯實(shí)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和綜合素養(yǎng)，為學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的全過程培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具體措施包括：

1.為解決課程體系內(nèi)容之間聯(lián)系松散的問題

（1）組織教師細(xì)分并遴選出機(jī)械制造課程體系中的主要知識(shí)點(diǎn)，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行凝練，精心設(shè)計(jì)并融合知識(shí)內(nèi)容，形成具體案例。

（2）按照“新工科”的要求，補(bǔ)充了“新工科”中與機(jī)械制造密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，形成機(jī)械制造系列課程新的知識(shí)內(nèi)容體系，并動(dòng)態(tài)更新相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

（3）在新的知識(shí)內(nèi)容體系中，注重強(qiáng)化提升對(duì)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的要求。

例如：①將“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)”的A/D、D/A轉(zhuǎn)換、傳感器與“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”的切削力、切削溫度、加工精度和表面質(zhì)量等知識(shí)點(diǎn)融合，在講解具體的切削力和切削溫度的測(cè)量，尺寸/形狀/位置精度和表面粗糙度檢測(cè)等實(shí)例的同時(shí)，講解上述知識(shí)點(diǎn)。

②將“機(jī)電傳動(dòng)控制”中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩與“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中的裝配精度、固定調(diào)整法等知識(shí)點(diǎn)融合。在講解固定調(diào)整法中通過測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩，來判斷是否達(dá)到裝配精度這一實(shí)例的同時(shí)，講解上述知識(shí)點(diǎn)。

③將“先進(jìn)制造技術(shù)”中的微細(xì)加工、光刻、電子束/離子束加工等知識(shí)點(diǎn)，與“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”中的加工精度和表面粗糙度等知識(shí)點(diǎn)融合。

④增添了如智能制造、新材料、新工藝、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+和機(jī)器人等，作為課堂內(nèi)容的補(bǔ)充和拓展。

⑤堅(jiān)持參加兩年一屆中國國際機(jī)床展，遴選并歸納展會(huì)上與課程體系相關(guān)的新展品、新技術(shù)，總結(jié)形成課程內(nèi)容向?qū)W生展示講解，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)興趣。

通過以上措施擴(kuò)大并穩(wěn)固了學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)其對(duì)知識(shí)向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)化的引領(lǐng)和支撐。

2.為解決教學(xué)環(huán)節(jié)之間的缺乏的鏈接的問題

（1）旨在打破“流水線”式教學(xué)，組織教師分析了各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之間的可鏈接點(diǎn)，并建立了合理有效的鏈接，將凝練后的知識(shí)內(nèi)容分配到相關(guān)環(huán)節(jié)。

（2）教學(xué)過程中綜合運(yùn)用了多元教學(xué)方法，如線上線下課堂教學(xué)，翻轉(zhuǎn)課堂、智慧課堂、現(xiàn)場(chǎng)觀摩、虛擬實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性開放實(shí)驗(yàn)、慕課、工程訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練、工程軟件培訓(xùn)等，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、實(shí)踐與創(chuàng)新能力的一體化培養(yǎng)。

（3）在培養(yǎng)實(shí)踐和創(chuàng)新能力的同時(shí)，教學(xué)全過程融合了課程思政元素，注重凝練典型的本土案例，弘揚(yáng)大國工匠精神，培養(yǎng)工程倫理意識(shí)，啟發(fā)和激勵(lì)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)和精神。

例如：①采取小班授課的方式，根據(jù)每節(jié)不同的教學(xué)內(nèi)容，選擇在教室、實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行教學(xué)。

②簡單易懂的知識(shí)點(diǎn)，先布置預(yù)習(xí)，再讓同學(xué)們通過在線課堂、慕課等途徑自學(xué)。較難理解的內(nèi)容通過現(xiàn)場(chǎng)觀摩、工程訓(xùn)練的形式教學(xué)。

③在講解“刀具標(biāo)注角度”這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，原來的教學(xué)模式是在課堂上講理論，實(shí)驗(yàn)課上在看實(shí)物、測(cè)量角度。經(jīng)過改進(jìn)，直接在刀具實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，首先通過刀具實(shí)物和刀具模型，讓同學(xué)認(rèn)識(shí)各種切削用刀具，講解如前刀面、主切削刃、基面等知識(shí)點(diǎn)；再利用刀具和刀具角度測(cè)量儀講解前角、刃傾角等知識(shí)點(diǎn)，之后直接測(cè)量出各個(gè)刀具角度。

④在講解銑削時(shí)，原來是在課堂上講理論，在下學(xué)期的實(shí)習(xí)當(dāng)中看實(shí)物。經(jīng)過改進(jìn)，選擇直接在生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地上課，通過不同的銑床和銑刀，講解如端銑、周銑、順銑、逆銑、圓柱銑刀、面銑刀、機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠螺母副等知識(shí)點(diǎn)。

⑤課程的考核環(huán)節(jié)同時(shí)注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容和課程思政內(nèi)容的考查。

通過上述措施，提升了學(xué)生的工科素養(yǎng)，進(jìn)一步助推學(xué)生實(shí)現(xiàn)其知識(shí)向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力的轉(zhuǎn)化。

（二） 貫徹實(shí)施精通工軟，賽研融合，能力疊加，協(xié)同發(fā)展的教學(xué)理念

針對(duì)第二個(gè)問題，本文提出貫徹并實(shí)施“精通工軟，賽研融合，能力疊加，協(xié)同發(fā)展”的教學(xué)理念。具體的措施如下：

1.落實(shí)近幾年以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為典型的教改項(xiàng)目成果，先引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)三維建模、有限元分析、數(shù)學(xué)分析等常用的典型工具軟件，再通過參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從真實(shí)應(yīng)用案例中體會(huì)如何運(yùn)動(dòng)工軟，打牢學(xué)生使用功底，最終達(dá)到精通工軟，并將其熟練運(yùn)用到今后的實(shí)踐和創(chuàng)新訓(xùn)練中的目的。例如，學(xué)生通過利用工軟仿真模擬了“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”課程中切削變形區(qū)、切屑形態(tài)等知識(shí)點(diǎn)。

2.以學(xué)生為中心，以虛擬實(shí)驗(yàn)、學(xué)科競(jìng)賽、科研項(xiàng)目的部分內(nèi)容為能力提升的進(jìn)階載體。注重各載體與機(jī)制課程體系知識(shí)點(diǎn)的協(xié)同度，把握好各載體的可行性、可操作性、難度的層次性和考核指標(biāo)。相關(guān)內(nèi)容重點(diǎn)關(guān)注“新工科”所涉及的仿生、智能制造、機(jī)器人和精密醫(yī)療器械等領(lǐng)域，以滿足機(jī)械制造課程體系內(nèi)容的要求。讓學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新有機(jī)銜接起來，并產(chǎn)生共振和激勵(lì)效應(yīng)，引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生在實(shí)踐和創(chuàng)新等多方面的品質(zhì)。

例如：①教師在科研項(xiàng)目中提取可以參賽的研究內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生參加如互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造、挑戰(zhàn)杯和大創(chuàng)等與“新工科”內(nèi)容密切相關(guān)的競(jìng)賽。學(xué)生得到磨練的同時(shí)，不僅有機(jī)會(huì)取得可喜的成績，教師也能完成了部分科研任務(wù)，達(dá)到了師生共贏、協(xié)同發(fā)展的目的。

②在教學(xué)上采取上述載體驅(qū)動(dòng)，將知識(shí)、實(shí)踐、創(chuàng)新、能力用載體有機(jī)貫穿于教學(xué)全過程。在全過程中，學(xué)生及其團(tuán)隊(duì)主要完成包括：產(chǎn)品材料和驅(qū)動(dòng)模塊的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，工藝規(guī)程的安排，產(chǎn)品制造、安裝、調(diào)試，經(jīng)濟(jì)性分析等。從而重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力等，實(shí)現(xiàn)能力的疊加。

例如：a.在參加互聯(lián)網(wǎng)+和挑戰(zhàn)杯等比賽所研制的撲翼飛行器，學(xué)生在選擇材料時(shí)選擇了重量輕、強(qiáng)度高的碳纖維，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)解決了撲翼要需實(shí)現(xiàn)多自由度振動(dòng)等關(guān)鍵問題。之后，完成了樣機(jī)的制造、調(diào)試等任務(wù)并獲獎(jiǎng)。

b.在參加智能制造比賽過程中，學(xué)生則重點(diǎn)完成了工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床和檢測(cè)等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃與控制、數(shù)據(jù)的采集或輸出等任務(wù)并獲獎(jiǎng)。

c.教師根據(jù)教學(xué)全過程中學(xué)生表現(xiàn)出的基本素養(yǎng)、投入程度、進(jìn)階載體的難易度和最終結(jié)果，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力進(jìn)行多元的考核評(píng)價(jià)。

通過上述措施加速提升學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的全過程培養(yǎng)和協(xié)同發(fā)展。

四 結(jié)語

機(jī)械制造課程體系包含的課程是工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，吉林大學(xué)每學(xué)年有近1300多名本科生參與學(xué)習(xí)。結(jié)合“新工科”理念，吉林大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系經(jīng)過多年的實(shí)踐與探索，提出并實(shí)施了依托“新工科”和機(jī)械制造課程體系的學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力全過程培養(yǎng)的教學(xué)模式，從而探索出了學(xué)生的知識(shí)向?qū)嵺`與創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)化的有效途徑，使學(xué)生的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、競(jìng)賽、科研、實(shí)踐、創(chuàng)新能夠協(xié)同發(fā)展，解決了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力不足，盲目創(chuàng)新，學(xué)習(xí)缺乏目標(biāo)引領(lǐng)的問題，為更多地培養(yǎng)出實(shí)踐創(chuàng)新型人才提供了范例和參考。

通過實(shí)踐本文提出的教學(xué)模式，使學(xué)生在扎實(shí)系統(tǒng)地掌握機(jī)械制造課程體系知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，能夠在具體的實(shí)踐、創(chuàng)新訓(xùn)練或活動(dòng)中將其靈活運(yùn)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)全過程中的表現(xiàn)和結(jié)果能夠反映出學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力得到了明顯的強(qiáng)化和提升，在學(xué)科競(jìng)賽中多次獲獎(jiǎng)。同時(shí)，也磨練了學(xué)生的意志品質(zhì)，增強(qiáng)了學(xué)生的使命感、責(zé)任感、歸屬感和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，對(duì)其今后的繼續(xù)深造或參加工作有積極的影響。學(xué)生普遍反映雖然參與的過程較為艱辛，但是在這個(gè)過程中不但理清了實(shí)踐和創(chuàng)新的思維模式，增強(qiáng)了實(shí)踐和創(chuàng)新的能力，也深深鍛煉了自己心理承受能力和抗壓能力，使自己更自信、更沉穩(wěn)、不浮躁、有耐心，與伙伴配合得更加默契，潛移默化中也學(xué)會(huì)了理解、包容。