新工科背景下機(jī)械專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革方法研究

樓飛，薛雪，沈巍，倪國林

（南京師范大學(xué)中北學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212300）

隨著新工科建設(shè)的提出，鐘登華院士給出了新工科的內(nèi)涵：以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、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)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]。

機(jī)械工程作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)，轉(zhuǎn)型升級已迫在眉睫。實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程是樹立職業(yè)道德和工匠精神，提高學(xué)生動手能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生工程與項(xiàng)目思維的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是將理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的橋梁。

本文著力于探究新工科背景下機(jī)械專業(yè)實(shí)踐類課程教學(xué)改革，通過開展實(shí)踐課程體系建設(shè)、搜集“項(xiàng)目式”課程教學(xué)素材、編寫實(shí)踐課程教學(xué)大綱和自編講義等工作，用半開放的項(xiàng)目式教學(xué)代替原有的學(xué)徒式教學(xué)方法，改變教學(xué)現(xiàn)狀，將“以生為本”落到實(shí)處，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，將教師的角色從“領(lǐng)路人”轉(zhuǎn)化為“指路人”，讓學(xué)生能夠自主在專業(yè)的道路上探索。在實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)和任務(wù)落實(shí)上以新工科理念為指導(dǎo)，構(gòu)建“項(xiàng)目邏輯與工程思維+課程融合與學(xué)科交叉+職業(yè)道德與工匠精神+書證融合與產(chǎn)教融合”的“四位一體”教學(xué)體系和理念。對提升學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感，樹立正確的價(jià)值觀和職業(yè)道德，培養(yǎng)工匠精神具有重要意義。

1 課程改革背景與現(xiàn)狀

目前，諸多高校和一線教學(xué)人員對新工科背景下的人才培養(yǎng)展開了深入研究。主要研究內(nèi)容和動態(tài)可以歸納為以下幾類：

（1）新工科背景下人才培養(yǎng)模式探究。這一類研究主要針對教學(xué)模式、培養(yǎng)方案、培養(yǎng)策略、保障機(jī)制等方面開展上層設(shè)計(jì)與規(guī)劃建設(shè)，在諸多工科類專業(yè)具有通用性。如：鄭州大學(xué)的李清富等[2]，根據(jù)現(xiàn)存的教學(xué)問題，以培養(yǎng)理論、能力、素質(zhì)相統(tǒng)一的綜合型人才為目標(biāo)，探索了全新的高等教育模式。江蘇科技大學(xué)機(jī)的周宏根、李濱城等[3]在新工科理念下，結(jié)合學(xué)校的行業(yè)背景和優(yōu)勢專業(yè)，針對船舶機(jī)械類人才數(shù)字化交融培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索與實(shí)踐。安徽工程大學(xué)的孫際超[1]等，提出了加強(qiáng)國際交流、引導(dǎo)學(xué)生參與教師科研項(xiàng)目、以學(xué)科競賽為抓手的培養(yǎng)模式和策略。

（2）新工科背景下工程訓(xùn)練體系研究與建設(shè)實(shí)踐。這一類研究多以學(xué)生實(shí)踐教學(xué)改革為突破口，重點(diǎn)針對如何改良實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、更新教學(xué)內(nèi)容、明確教學(xué)目標(biāo)等現(xiàn)存核心問題進(jìn)行探究。如：安徽審計(jì)職業(yè)學(xué)院的張逸飛[4]，研究了推行“1+X職業(yè)技能證書”制度背景下工程造價(jià)專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)體系構(gòu)建。河北建筑工程學(xué)院的陳永強(qiáng)[5]，針對應(yīng)用型本科院校，研究了工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)方法。

（3）課程體系建設(shè)。開展這一類研究的教師主要針對專業(yè)內(nèi)核心課程體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化和知識網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)進(jìn)行研究，加強(qiáng)課程思政與專業(yè)課程的有效結(jié)合。旨在提高專業(yè)課程的交融性，增強(qiáng)不同專業(yè)課程內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生工匠精神，引導(dǎo)學(xué)生樹立誠實(shí)守信、嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的職業(yè)道德觀。如：西南林業(yè)大學(xué)的王遠(yuǎn)[6]等，著重研究了如何在金工實(shí)習(xí)課程體系建設(shè)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)，為“雙創(chuàng)”教育理論在教學(xué)中的實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

（4）核心課程教學(xué)改革與實(shí)踐。在新工科背景下，改革傳統(tǒng)的面授方式，以“學(xué)生為中心”，充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，突出課程學(xué)習(xí)目標(biāo)和應(yīng)用價(jià)值，讓啟發(fā)式教學(xué)、課堂互動式教學(xué)、混合式教學(xué)、課題討論式教學(xué)、開放式考核試題成為課程教學(xué)的常態(tài)。如：常州大學(xué)的譚鄒卿、上海電機(jī)學(xué)院的邵兵、華北電力大學(xué)的張新春分別對理論力學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程開展了教學(xué)改革與實(shí)踐[7]～[9]。

綜上，針對機(jī)械類相關(guān)專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)改革的研究較少，通過開展研究，對緊跟智能制造、工業(yè)互聯(lián)的發(fā)展趨勢，推動專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型升級具有重要作用。

2 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程改革方法探索

專業(yè)教學(xué)改革團(tuán)隊(duì)在開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程改革過程中，以區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和行業(yè)需求為導(dǎo)向，結(jié)合本校辦學(xué)宗旨和專業(yè)特點(diǎn)，旨在提升實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)效果，更好地服務(wù)于理論教學(xué)，培養(yǎng)具有更強(qiáng)實(shí)踐能力和專業(yè)技能的創(chuàng)新復(fù)合型工程人才。通過課程改革，以實(shí)現(xiàn)如下建設(shè)成效：以新工科建設(shè)為導(dǎo)向，優(yōu)化實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程體系；增加半開放項(xiàng)目式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新潛能；加強(qiáng)理實(shí)一體化教學(xué)，促進(jìn)課程融合與學(xué)科交叉；搭建混合式教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)資源共享，分享成果經(jīng)驗(yàn)。鑒于此，開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程改革方法探索，制定如圖1所示的總體研究路線。

圖1 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程改革方法研究路線圖

以項(xiàng)目式教學(xué)為手段，充分利用專業(yè)教師、企業(yè)導(dǎo)師、校企合作單位、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)生的優(yōu)秀項(xiàng)目和創(chuàng)意，在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程體系的指導(dǎo)下，構(gòu)建實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目混合式課程教學(xué)平臺，探索課程改革方法。

2.1 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程體系建設(shè)

在新工科建設(shè)背景和應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)需求下，機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要性日益凸顯。我院機(jī)械工程專業(yè)在2020版培養(yǎng)方案修訂過程中，提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)，使之占總學(xué)時(shí)50%以上，除去課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，集中開展的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程學(xué)時(shí)占總學(xué)時(shí)的28%。涉及課程包含機(jī)械制圖測繪、金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、PLC控制技術(shù)實(shí)習(xí)、數(shù)控實(shí)習(xí)、CAD/CAM實(shí)習(xí)、先進(jìn)制造技術(shù)訓(xùn)練、“1+X”工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維實(shí)訓(xùn)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等。在課程體系建設(shè)過程中，重點(diǎn)梳理各門實(shí)訓(xùn)課程之間的關(guān)系，構(gòu)建更加合理的課程結(jié)構(gòu)，讓理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，為“理實(shí)一體化”教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

例如：我們可以在“機(jī)械制圖測繪”“1+X工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維實(shí)訓(xùn)”“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)”四門集中實(shí)踐課程之間建立緊密聯(lián)系?？紤]到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵之一，同時(shí)為了響應(yīng)《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，實(shí)現(xiàn)本科教學(xué)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變，我院已啟動“學(xué)歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”制度試點(diǎn)工作，“1+X工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維實(shí)訓(xùn)”成為學(xué)生將要完成的核心實(shí)踐課程。因此，以培養(yǎng)具有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用能力的機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生為目標(biāo)，將“機(jī)械制圖測繪”“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)”適當(dāng)?shù)叵蚬I(yè)機(jī)器人技術(shù)傾斜，改變傳統(tǒng)的齒輪減速器測繪與設(shè)計(jì)、零件夾具設(shè)計(jì)與工藝卡片編制等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，針對機(jī)器人核心部件RV減速器、諧波減速器，開展測繪、拆裝、機(jī)械設(shè)計(jì)校核、關(guān)鍵部件制造工藝分析及其夾具設(shè)計(jì)將更有意義。

2.2 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)“項(xiàng)目庫”建設(shè)

開展“項(xiàng)目式”教學(xué)，是基于新工科的教學(xué)改革的關(guān)鍵內(nèi)容之一。因此，建立實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)“項(xiàng)目庫”，是開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革的主要任務(wù)。與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容相比，“項(xiàng)目”的設(shè)立應(yīng)當(dāng)具有一定的創(chuàng)新性、較強(qiáng)的系統(tǒng)性和良好的實(shí)踐性。例如：用工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)、汽車差速器、變速箱等工業(yè)生產(chǎn)和生活中常見的核心機(jī)械部件作為機(jī)械制圖測繪課程項(xiàng)目，代替原有的傳統(tǒng)齒輪減速器測繪；金工實(shí)習(xí)課程項(xiàng)目可以用簡單機(jī)械產(chǎn)品代替原有的錘頭、軸、金屬塊的加工，充分利用車、銑、刨、磨、鉗、焊和3D打印技術(shù)等。在項(xiàng)目資源庫的建設(shè)過程中，需要借助廣泛力量，其中項(xiàng)目素材的主要來源有4個(gè)：（1）專業(yè)教師日常教學(xué)、科研項(xiàng)目中的部分內(nèi)容或是通過文獻(xiàn)搜集獲得的一些優(yōu)秀案例；（2）校企合作單位日常生產(chǎn)實(shí)際中的產(chǎn)品、加工制造的部分工藝流程、初試的樣機(jī)等；（3）企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中具有實(shí)踐價(jià)值的部分內(nèi)容；（4）參加“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃”學(xué)生的優(yōu)秀作品或想法。

在搜集到素材之后，組織相關(guān)專業(yè)教研室的專業(yè)教師、實(shí)驗(yàn)員、企業(yè)導(dǎo)師等進(jìn)行項(xiàng)目的可行性分析。核心目標(biāo)和任務(wù)為：項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)理論分析論證、實(shí)踐價(jià)值與可操作性論證、對理論課程的支撐情況分析、項(xiàng)目實(shí)施周期與工時(shí)計(jì)算、經(jīng)費(fèi)預(yù)算等。在可行性論證過程中，針對較難進(jìn)行準(zhǔn)確評估的項(xiàng)目，可以由專業(yè)教師通過指導(dǎo)“大創(chuàng)項(xiàng)目”、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及申報(bào)院級科研立項(xiàng)等方式，率先進(jìn)行研究和孵化，篩選切實(shí)可行的優(yōu)秀項(xiàng)目。例如：目前開展的管道機(jī)器人、氣動電梯、風(fēng)力發(fā)電裝置、仿生步行機(jī)器人等校級科研項(xiàng)目，均為實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)“項(xiàng)目庫”的建設(shè)提供豐富的資源。除此之外，“項(xiàng)目庫”的建設(shè)不可能一蹴而就，不僅要有能夠?qū)嵤┑捻?xiàng)目來保障實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作順利開展，還要對項(xiàng)目內(nèi)容和實(shí)施方法不斷進(jìn)行優(yōu)化與完善，以順應(yīng)行業(yè)發(fā)展和社會需求，盡可能地運(yùn)用新技術(shù)和新方法提升創(chuàng)新性。這是一項(xiàng)需要組織教師共同努力的長期性、不間斷性的工作，在這項(xiàng)工作的實(shí)施過程中，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量和教師科研水平的同步提升，對形成獨(dú)具特色的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)體系、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力、形成教學(xué)與科研團(tuán)隊(duì)具有重要意義。

2.3 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)“混合式”教學(xué)平臺建設(shè)

在建立“項(xiàng)目庫”之后，首先根據(jù)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程體系建設(shè)成果，由參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教師編寫項(xiàng)目實(shí)施的細(xì)則，通過統(tǒng)一編撰形成自編講義。講義主要包含項(xiàng)目介紹、項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目實(shí)施要求、項(xiàng)目實(shí)施方法、可能出現(xiàn)的問題和解決方法、成功案例展示等。然后，通過探索實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)方法，分析項(xiàng)目實(shí)施的可行性和工藝，編寫相應(yīng)的課程教學(xué)大綱，制定教學(xué)計(jì)劃。通過課題實(shí)施，不斷積累完善線下教學(xué)資源，結(jié)合線上和線下教學(xué)的優(yōu)勢，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺（超星、MOOC、自建網(wǎng)絡(luò)平臺等）搭建線上教學(xué)資源庫，與線下教學(xué)共同構(gòu)成混合式教學(xué)平臺，在實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)的過程中，適時(shí)地開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

以基于切比雪夫連桿的仿生步行機(jī)器人實(shí)習(xí)項(xiàng)目為例，利用“混合式”教學(xué)平臺，開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法和流程，如圖2所示，敘述如下：（1）編撰項(xiàng)目實(shí)施說明書，用于介紹實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容和方法，指導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)。（2）梳理理論知識點(diǎn)，錄制理論串講的教學(xué)視頻并上傳網(wǎng)絡(luò)平臺，其中包含了和《機(jī)械原理》課程相關(guān)的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程相關(guān)的傳動部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，《機(jī)械制造》課程相關(guān)的零部件加工工藝規(guī)程，三維建模、虛擬樣機(jī)相關(guān)的CAD、CAE技術(shù)等內(nèi)容以及基礎(chǔ)的自動控制與電工知識。學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間，提前了解項(xiàng)目概況和所需要的知識儲備。（3）在線下開展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，組織學(xué)生參照線上教學(xué)資源的內(nèi)容，開展線下的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、分析報(bào)告和工藝卡片；然后，利用學(xué)校自有硬件設(shè)施（車床、銑床、鉆床、鉗工實(shí)訓(xùn)臺、3D打印機(jī)等），用實(shí)物展現(xiàn)理論設(shè)計(jì)成果。（4）開展小組答辯環(huán)節(jié)，由指導(dǎo)教師綜合考慮學(xué)生課堂表現(xiàn)、成果水平、答辯表現(xiàn)等因素后，給出總評成績。并將典型案例上傳線上平臺留存，作為后期教學(xué)的參考和范例。

圖2 基于切比雪夫連桿的仿生步行機(jī)器人實(shí)習(xí)項(xiàng)目流程

2.4 建立評價(jià)體系

為了解教學(xué)改革的成效，需要開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)評價(jià)體系建設(shè)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和評價(jià)體系是了解教學(xué)質(zhì)量的重要手段。在每一次課程結(jié)束之后，根據(jù)學(xué)生、教師以及企業(yè)導(dǎo)師的反饋和意見，綜合評估實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升度，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和評價(jià)體系。由評價(jià)體系的反饋情況優(yōu)化課程體系建設(shè)與教學(xué)大綱，以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

3 結(jié)語

綜上所述，開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程教學(xué)改革，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工科教學(xué)模式向新工科轉(zhuǎn)化的必經(jīng)之路。目前，校內(nèi)建設(shè)有“工程實(shí)訓(xùn)中心”“1+X工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)室”以及各類專業(yè)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)室近20個(gè)，能夠開展校企合作的企業(yè)10余家。通過整合教學(xué)資源，繼承傳統(tǒng)并改革創(chuàng)新，新工科背景下機(jī)械專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革有利于推行“項(xiàng)目式”實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)；促進(jìn)教師主動發(fā)掘并實(shí)施項(xiàng)目，在一定程度上促進(jìn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)科研水平的提升；有利于引導(dǎo)學(xué)生樹立誠實(shí)守信、嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的職業(yè)道德觀，培養(yǎng)學(xué)生的“項(xiàng)目思維”；通過“混合式”教學(xué)平臺形成可以共享的教學(xué)資源，為實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程改革提供參考。

綜上，在教學(xué)改革的實(shí)施過程中，用實(shí)踐課程內(nèi)容去引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論，有利于形成專業(yè)整體課程體系，提升實(shí)踐類課程教學(xué)效果，更好地服務(wù)于理論教學(xué)。傳統(tǒng)與創(chuàng)新并重，利用傳統(tǒng)教學(xué)方法和案例夯實(shí)基礎(chǔ)，創(chuàng)新建設(shè)實(shí)踐項(xiàng)目和教學(xué)方法，為我院機(jī)械工程及其相關(guān)專業(yè)的發(fā)展助力。