基于工程問題導向的機電類專業(yè)課程項目庫的建設和應用**

亞森江·白克力 ，吐爾遜·買買提 ，張佳喜 ，謝建華 ，史 勇

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

研究生群體是國家科技發(fā)展的重要儲備力量，這要求我們把握時代潮流和國家需要，勇于在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域開拓創(chuàng)新[1]。新工科建設在“四新”建設中發(fā)揮著“智能基座”和率先領(lǐng)跑作用[2]。為貫徹落實習近平總書記關(guān)于教育的重要講話精神，加快新工科建設背景下的內(nèi)外結(jié)合、產(chǎn)教融合是必由之路，新工科需要交叉融合再創(chuàng)新。

基于工程問題導向的教學策略強調(diào)以學生為中心，學生以小組為單位解決具有挑戰(zhàn)性、開放性的問題[2]。具有企業(yè)背景的授課教師或工程師負責適時引導學生，引導學生分析復雜問題的多面性解決思路，學生識別、發(fā)現(xiàn)并分組分析解決問題的思路，最終由教師評判解決問題的方案可行性。

新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院在2021—2022學年針對大三學生“機械制造實習”的課程實踐環(huán)節(jié)采用基于工程問題導向的教學策略，依托新疆農(nóng)業(yè)大學教研教改項目“基于工程問題導向的機電類專業(yè)課程群實訓項目案例庫建設”的支持，對數(shù)家新疆本地制造型企業(yè)進行調(diào)研與座談，收集并建立工程問題導向案例庫，采用線上+線下的授課方式，讓機電類學生將他們在大學課堂上所學專業(yè)課程與制造業(yè)領(lǐng)域的實踐聯(lián)系起來，作為正式實踐學習前的一部分引導，項目小組介紹了如何教授學生以及與設計和制造相關(guān)的實際工程技能的一個案例研究。目的是幫助機電類專業(yè)學生畢業(yè)后進入工作崗位前，能夠更有準備地迎接專業(yè)工程實踐的挑戰(zhàn)。

1 地方本科院校機電類學生專業(yè)能力調(diào)研

無論是社會還是企業(yè)，都希望畢業(yè)生剛?cè)肼毢缶湍芰⒓礊槠髽I(yè)作出貢獻[3-5]。畢業(yè)生不僅需要掌握專業(yè)課中教授的工程問題的解決方法，還要在工作崗位中學習解決問題的思路和技能。要想在畢業(yè)后成為一名優(yōu)秀的工程師，學生們需要將大學課堂上的理論與該領(lǐng)域的實踐聯(lián)系起來。筆者對352名新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院大三學生和20家新疆地方制造型企業(yè)的技術(shù)主管進行調(diào)研和巡訪，其中學生對自我專業(yè)知識以及企業(yè)對新入職畢業(yè)生在機械制圖、電路識圖、液/氣壓傳動、控制系統(tǒng)等方面的專業(yè)知識進行評判。結(jié)果顯示，學生對自己所掌握的專業(yè)知識及解決指定問題的能力過于自信，對所設計的零件如何實際制造和組裝成完整的系統(tǒng)缺乏整體綜合認識。

1.1 地方本科院校機電類專業(yè)人才培養(yǎng)存在不足之處

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地方本科機電類教育仍存在些許欠缺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）機電類專業(yè)實踐課程的多樣性和適用性不足。地方本科院校機電類專業(yè)學生具備獨立完成規(guī)定任務的能力，能在明確規(guī)定的任務框架內(nèi)進行。學生可以提供自己解決問題的方法，但沒有理論依據(jù)，不具備分析和批判性地理解任務內(nèi)容的能力；老師在布置每個任務時，并未結(jié)合各個任務的關(guān)聯(lián)性，聯(lián)動相似任務。

2）機電類工程實踐性教學缺失和實踐教學環(huán)節(jié)薄弱[6]。學生不知道如何在實際訓練中解決實際問題。主要表現(xiàn)：學生認為有些任務不重要，所以實踐時學生不能達到正確執(zhí)行一系列簡單任務的要求，又或者他們在實踐活動中進行一些不相干的操作。在培訓、訓練活動中，掌握專業(yè)技能的學生數(shù)量較少。教師們沒有充分理解和評估自我教育的目標和任務，課堂調(diào)控能力不高。

3）教師對創(chuàng)新教育和創(chuàng)新訓練重視不足。在實踐過程中，教師們遵循固有實踐模式，而不去分析和批判性地理解任務的用途，更多的是把實踐任務當作附帶動作。在實踐活動中，教師明確規(guī)定任務需在框架內(nèi)進行并清楚闡述實踐任務。學生可以提供他們自己解決問題的方法，但沒有理論依據(jù)。這樣學生的自我學習能力薄弱，不利于循序漸進。

1.2 機電類專業(yè)人才培養(yǎng)實踐課程改革設計

加強機電類專業(yè)的實踐教學模式改革與創(chuàng)新，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學方法向新工科教學方法的轉(zhuǎn)變，是有效提高教學質(zhì)量的根本途徑[7]。

1）緊密結(jié)合區(qū)域政策引導需求，及時調(diào)整新工科人才培養(yǎng)體系。實踐課程內(nèi)容設計改革需要立足實踐，面向西部的現(xiàn)代機械、農(nóng)機裝備，結(jié)合區(qū)域特色將“產(chǎn)教融合發(fā)展”作為國家級一流本科專業(yè)建設推進工程之一[8]，加快普通本科高校向應用型本科的轉(zhuǎn)變，同時推進學校實習實驗實訓環(huán)境、平臺和基地建設的轉(zhuǎn)型發(fā)展改革。

2）以新疆地方制造型企業(yè)實際復雜工程問題為導向，精心設計工程案例庫。地方制造型企業(yè)的技術(shù)需求大多是系統(tǒng)性復雜工程問題的綜合[9]，需要不同學科交叉融合，站在宏觀的角度去分析解決；面對社會上越來越綜合的應用型人才需求，制造型企業(yè)在招聘應屆畢業(yè)生時，也需要多學科實驗、多實踐背景的復合型人才。因此，走訪地方企業(yè)，結(jié)合科研前沿，在“秾大云上”網(wǎng)絡學習平臺建立機電類專業(yè)工程導向案例庫并運用于課堂教學，目的就是與企業(yè)用人需求精準對接，以企業(yè)需求為導向培養(yǎng)挖掘適合地方企業(yè)發(fā)展的對口人才。具體授課方式如圖1所示。

圖1 基于線上—線下工程問題導向授課方式

3）提升師資隊伍在工程實踐方面的企業(yè)經(jīng)歷，打造雙師雙能型教師人才。實踐案例涉及如何按理論課程分解，并以實現(xiàn)教學和學習實踐為目的設計教學。在理論課堂上，工程實踐的相關(guān)元素是獨立教授的，通常作為單獨的模塊或?qū)W科。機電類專業(yè)的學生通常學習一系列專業(yè)模塊[10]，與設計實踐相關(guān)的實踐分解，包括子技能的應用，如識別客戶需求、識別并遵守相關(guān)法規(guī)、審查現(xiàn)有和競爭產(chǎn)品、編寫清晰簡潔的產(chǎn)品設計規(guī)范、選擇最佳的方案等。這需要教師具有一定的工程背景或者實踐背景。

2 工程問題導向?qū)嵱栱椖扛母锛皯?/h2>

基于工程問題的授課方式是一種工程類實踐教學常用的教學策略，學生以小組為單位，在小組中解決具有挑戰(zhàn)性的開放性問題。這種授課方式是以學生為中心，由雙師型教師或者具有企業(yè)工作背景的工程人員承擔引導學生全面分析問題的角色。整個教授過程具有如下特點：1）案例的導入是由問題引發(fā)的；2）案例產(chǎn)生的問題基于復雜的專業(yè)背景和實際情況；3）學生識別、發(fā)現(xiàn)并使用適當?shù)谋尘百Y源；4）學生們分組工作；5）知識的學習是主動的、積極的、綜合的、逐步累積和相互關(guān)聯(lián)的。由于工程問題導向是一種互動式的、引人入勝的教育體驗，因此深受學生的歡迎。

2.1 工程問題導向案例庫的建立

新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院機械科學與工程學系課程組，深入走訪新疆地方制造型企業(yè)，如中糧屯河番茄有限公司、新疆溢達紡織有限公司、新疆眾和股份有限公司、特變電工股份有限公司、上汽大眾新疆汽車有限、缽施然農(nóng)機有限公司等數(shù)十家本地制造型企業(yè)。調(diào)查、整理、匯總典型工程問題，并經(jīng)過課題組研討、篩選、組建了典型工程問題案例庫，運用于先期實踐教學。案例庫定期更新，已實現(xiàn)與企業(yè)的緊密聯(lián)系。案例庫的教學由具有企業(yè)工作背景的“雙能”“雙師”型教師承擔，前期的實踐教學對象為機電工程學院的機電類專業(yè)“力行班”（拔尖班）的學生。案例庫實踐教學改革，致力于培養(yǎng)掌握機械工程自動化基礎(chǔ)知識、農(nóng)業(yè)裝備構(gòu)造原理、作物生產(chǎn)基礎(chǔ)知識、農(nóng)機運用管理知識、專業(yè)技術(shù)知識，具有在農(nóng)機應用管理、農(nóng)機設計制造兩個應用型領(lǐng)域解決專業(yè)問題能力的人才，尤其是適應基層工作環(huán)境、具備較強技術(shù)整合和動手能力的適應企業(yè)行業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)復合應用型人才。

案例庫每組案例的設計包括使用增材制造、激光切割、鈑金成型、銑削和車削工藝，適當?shù)臋C電元件和控制器設計，傳動機構(gòu)設計能力、執(zhí)行機構(gòu)選型能力、PLC或單片機編程開發(fā)能力、機電一體化設計綜合能力。將案例庫教學貫穿于“機械制造實習”的綜合性實踐環(huán)節(jié)，以實際工程問題為導向，與學生所學的理論課程相結(jié)合，如機械、電子、計算機技術(shù)、控制理論、信號檢測技術(shù)、材料科學等，培養(yǎng)機電類學生機電一體化意識和分析實際復雜系統(tǒng)問題的能力。

2.2 工程問題導向案例庫的應用及評價

以工程問題導向案例庫的授課方式主要解決以下幾個方面的問題：1）介紹工程設計過程的主要步驟，以及如何成功地利用這些過程；2）個人如何在團隊的工作中發(fā)揮作用，以實現(xiàn)共同目標；3）如何通過工程設計過程使用的管理工程工具來解決問題；4）如何進行書面或口頭的溝通，并將所設計內(nèi)容信息準確清晰地傳達給他人。實際上，這些內(nèi)容正是“工科學生的工具箱”，這些目標通過單獨思考、任務分工、課堂活動來實現(xiàn)。

案例庫中的7個案例難度逐漸增加，用于逐步引入某些概念或者技能，學生需要在整個實踐學習過程中使用這些概念或技能。目的是逐步建立他們的技能儲備，此外，每個項目都側(cè)重于一些特定的專業(yè)知識主題，如結(jié)構(gòu)設計、材料力學、流體力學、液壓傳動或熱力學等。每個后續(xù)案例都強調(diào)新引入的技能。任務初期以線上作業(yè)的形式開展，可以以個人或小組的形式在幾個小時內(nèi)完成，每項任務的難度相對較低。后續(xù)任務復雜度上升，每次作業(yè)的難度也越來越高，需要更多的思考和創(chuàng)造力，其中就包括工程設計過程的使用和有效的團隊合作，如口頭、書面和圖紙的交流。最終的綜合項目需要使用所有這些關(guān)鍵技能才能成功完成，需要更多的理論知識和更強的團隊協(xié)作能力。

在案例教學開始前，教師首先總結(jié)該案例所涉及的所有知識點，形成理論上的課程體系，提前做好案例的準備工作。通過案例分析，學生可以提前在“秾大云上”預習與案例相關(guān)的知識點，為課前做準備。然后在課堂上以小組為單位討論案例，引出相應的知識點，帶學生回顧專業(yè)課中相關(guān)的知識點，加深學生對知識點的回憶理解。在實驗室或?qū)嵙晥鏊鎸ΜF(xiàn)有設備進行案例分析和討論。與此同時，使用多媒體課件、圖像或視頻形式，結(jié)合理論知識教學，更緊密地將實際擺在學生面前。在案例設置的過程中，穿插一些小實驗可以加深學生對知識的掌握程度。授課結(jié)束后，通過案例驅(qū)動的課程設計和后續(xù)畢業(yè)設計，強化學生的專業(yè)基礎(chǔ)，提高學生的系統(tǒng)設計能力，形成以實踐為一體的立體化教學。

授課期間發(fā)現(xiàn)，遇到工程性問題時學生很難計劃和整合他們的任務。在項目初期，給學生提供適當?shù)捻椖抗芾砑夹g(shù)，以及如何一步步推導出團隊的最終方案。一開始學生似乎不愿做計劃，害怕出錯，又或者無從下手。這主要是源于對專業(yè)性強的問題沒有一個宏觀的分析和站位。工程問題一般都有許多解決方案，鼓勵學生完善他們的理論專業(yè)知識，并論證他們選擇的解決方案。學生必須學會為自己做出的方案提供理論依據(jù)并記錄自己的方案，這也是未來作為工程師的一項重要技能。

經(jīng)過兩個學期的教學實踐，為了評估學生的技能使用在整個學期中是否有變化，根據(jù)學生取得的進步，課題小組采用問卷調(diào)查法對提出的措施進行了分析和調(diào)查。讓每位學生在完成每個案例項目時都完成了一份“工程問題清單”的調(diào)查問卷。學生上課滿意度對比調(diào)查結(jié)果如圖2所示。

圖2 學生上課滿意度對比

從圖2可以看出，對于課堂教學而言，教學改革后學生的滿意度比改革前提高了很多。基于工程問題的案例教學法提高了學生對實踐的學習興趣和專業(yè)知識的系統(tǒng)性認識，取得了較好的教學效果。這種教學方法真正調(diào)動了學生的主動性和積極性，受到了同學們的歡迎。學生既可以在大量的信息流中找到并突出主要內(nèi)容，也具備良好的能力去理解和應用所收到的信息。他們掌握了解決復雜實際問題的必要邏輯思路，可以完成創(chuàng)造性的任務。在培訓期間，他們掌握專業(yè)知識的能力提高，知道如何規(guī)劃自己未來的工作，這樣，學生能迅速對方案做出響應，在理論和實踐上培養(yǎng)創(chuàng)造力，使他們能夠在學習過程中進行自我訓練和反思。

3 結(jié)語

新疆農(nóng)業(yè)大學教研教改項目對本文的教學改革給予大力支持，機械科學與工程系對機電類專業(yè)課程的實踐環(huán)節(jié)和課程設計環(huán)節(jié)的教學模式進行了改革初探。研究表明，基于工程問題導向的項目案例教學法對提高機電類專業(yè)教學效果起到了很大的作用，這是一種實用、有效、易被學生接受的教學方法。

基于工程問題導向的教學方法利用理論與實踐整合的優(yōu)勢，提高學生的學習和參與度，為學生提供真實而富有挑戰(zhàn)性的學習體驗，與地區(qū)制造型行業(yè)建立間接聯(lián)系，讓學生參與真正有意義的工作實踐。

項目案例的設計使學生將理論知識和每個能力單元“嵌入”到綜合項目中，提高了工作效率，減少了重復工作，并將理論知識與實際操作相結(jié)合，很好地驗證了系統(tǒng)設計結(jié)果。工程問題導向的案例化教學作為教與學的有機整體，對培養(yǎng)學生的專業(yè)能力和提高專業(yè)素質(zhì)起到了關(guān)鍵作用。此教學法有更大的潛力來推動新興的職業(yè)認同和對專業(yè)實踐理解的擴展，學生能夠在學習過程中進行自我訓練和反思。學生在完成最終項目后對工程設計過程的使用有了更好的理解。使機械工程專業(yè)的學生在進入最后一年的學習并在進入職業(yè)崗位時，更加自信、機智和積極，在設計、制造和優(yōu)化真正的工程機械方面具有明顯的經(jīng)驗。