大工程視野的機(jī)械工程專業(yè)教育研究

宋朝省?羅遠(yuǎn)新?劉飛

摘 要：當(dāng)前高校工程學(xué)導(dǎo)論課程多通過新生研討課、采用課堂理論教學(xué)模式進(jìn)行，教學(xué)內(nèi)容偏重歷史回顧，缺乏對學(xué)生全局思維與大工程視野的培養(yǎng)。作為工科大類培養(yǎng)的核心骨干課程，本研究通過建立“大工程”視野的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)體系，重構(gòu)了多學(xué)科交叉融合的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容，開展了虛實結(jié)合、項目實踐牽引的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)模式研究，建立了基于全過程的工程學(xué)導(dǎo)論課程能力達(dá)成評價體系。教學(xué)改革實踐效果表明，開放式的虛實實踐項目充分提升了學(xué)生創(chuàng)新實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科；大工程觀；機(jī)械工程；工程學(xué)導(dǎo)論；形成性教育

一、引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)組織方式的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)與新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，學(xué)科交叉融合加速，傳統(tǒng)工科分類之間的壁壘和差異將變得模糊，產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代急劇加快，大型復(fù)雜工程問題不斷涌現(xiàn)，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和跨界整合能力的新型工程科技人才，對傳統(tǒng)工程人才培養(yǎng)教育提出了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前教育部和各高校圍繞嚴(yán)把畢業(yè)出口關(guān)出臺了一系列措施，然而僅有剛性的制度約束還不夠，如今的大學(xué)校園里，絕大多數(shù)學(xué)生已是“95后”和“00后”，他們的知識學(xué)習(xí)渠道更加豐富，不再盲目迷信權(quán)威，且興趣更容易被網(wǎng)絡(luò)吸引，傳統(tǒng)的教學(xué)方式無疑面臨巨大挑戰(zhàn)。對于經(jīng)歷了緊張的高考，剛剛進(jìn)入大學(xué)校門的機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生來講，“什么是機(jī)械工程？”“機(jī)械工程包含哪些內(nèi)容？”“為什么要選擇機(jī)械工程？”“機(jī)械工程師之路應(yīng)該怎么走？”等問題常常使他們困惑迷茫。不少學(xué)生對機(jī)械工程的學(xué)習(xí)提不起興趣，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課時不知道為何要學(xué)，選擇專業(yè)時不知道什么專業(yè)更適合自己。雖然傳統(tǒng)的培養(yǎng)計劃中設(shè)置了課程實驗、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但大多數(shù)學(xué)生還是不清楚機(jī)械專業(yè)的重要地位及作用。因此使學(xué)生了解所學(xué)專業(yè)及專業(yè)的內(nèi)容，克服思想障礙，認(rèn)識專業(yè)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的熱愛和耐得住寂寞的思想，建立專業(yè)感情和事業(yè)心，使新生逐漸具有專業(yè)意識，特別是幫助盲從的學(xué)生找到方向，變得尤為重要。

工程學(xué)導(dǎo)論是面向工程類學(xué)科低年級大學(xué)生開設(shè)的重要概論性專業(yè)認(rèn)知課程。針對大一新生，從人才培養(yǎng)方案、專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及學(xué)習(xí)方法等方面進(jìn)行系統(tǒng)講授，對機(jī)械專業(yè)的“過去”“現(xiàn)在”“未來”進(jìn)行概述，使他們認(rèn)識專業(yè)、了解專業(yè)、重視專業(yè)、熱愛專業(yè)。工程學(xué)導(dǎo)論課程在整個機(jī)械工程專業(yè)課程教學(xué)體系中發(fā)揮著重要的作用。然而傳統(tǒng)工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容陳舊且偏重歷史回顧，對新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新知識更新滯后，教學(xué)模式偏重課堂理論教學(xué)，缺乏科學(xué)合理的教學(xué)評價方式，缺乏對學(xué)生全局思維、大工程視野及解決復(fù)雜工程問題的能力的培養(yǎng)，在各個高校中一度淪為“水課”，“不學(xué)照樣可以拿高分，學(xué)過與沒學(xué)過幾乎沒區(qū)別”。本項目為具有大工程視野的機(jī)械工程專業(yè)知識構(gòu)架形成性教育研究，在當(dāng)前大型復(fù)雜工程問題不斷涌現(xiàn)的背景下，通過學(xué)科交叉，構(gòu)建基于“大工程”視野的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)體系，為培養(yǎng)具有大工程視野的未來優(yōu)秀工程師和領(lǐng)軍人才，適應(yīng)未來我國創(chuàng)新驅(qū)動需求和全球化的科技工程競爭環(huán)境，并引領(lǐng)高等院校構(gòu)建未來人才培養(yǎng)體系，具有重要的意義。

二、存在的主要問題

1．“未來工程師”能力需求的轉(zhuǎn)變

我國擁有世界最大的工程師隊伍，然而當(dāng)前世界級工程領(lǐng)軍人才和拔尖人才不足，大國工匠緊缺，基礎(chǔ)、新興、高端領(lǐng)域工程科技人才短缺，工程技術(shù)人才支撐制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級能力不強(qiáng)，傳統(tǒng)工程人才相對過剩，制造業(yè)人才結(jié)構(gòu)過剩和短缺并存，企業(yè)“用工荒”與畢業(yè)生“就業(yè)難”并存。傳統(tǒng)的工程師培養(yǎng)，主要致力于培養(yǎng)某一專業(yè)（專業(yè)面很窄）領(lǐng)域的技術(shù)人才，這類人才對大而復(fù)雜的工程產(chǎn)品（如：深海探測、大飛機(jī)、航天飛船、智能裝備、自動化生產(chǎn)線、高端數(shù)控機(jī)床等）缺乏大工程觀系統(tǒng)性認(rèn)識，缺乏把握大工程、解決復(fù)雜問題的能力。“未來工程師”除工程素養(yǎng)和管理思維外，還應(yīng)具備多學(xué)科視野、科學(xué)與基礎(chǔ)理論素養(yǎng)、一定的人文情懷、宏大或復(fù)雜的工程視野（見圖1）。

2．工程大類招生帶來的挑戰(zhàn)

國內(nèi)北京大學(xué)2002年起就開始實行大類招生，如今大部分重點(diǎn)高校已經(jīng)實行大類招生。重慶大學(xué)于2018年實施機(jī)械大類招生，2021年起實施工程與能源大類招生，工程與能源大類包括機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院、土木工程學(xué)院、航空航天學(xué)院、能源與動力工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、資源與安全學(xué)院6個二級學(xué)院，共計21個專業(yè)（見圖2）。學(xué)生在經(jīng)過1年、1.5年、2年或者3年的通識教育后再進(jìn)行專業(yè)分流，根據(jù)學(xué)習(xí)成績、職業(yè)規(guī)劃、興趣志愿，選擇大類下的專業(yè)繼續(xù)學(xué)習(xí)。大類招生背景下，打破了原有專業(yè)邊界，極易出現(xiàn)“熱門專業(yè)越來越熱、冷門專業(yè)越來越冷”的馬太效應(yīng)，使得原有依據(jù)單一專業(yè)設(shè)置的教學(xué)體系難以適應(yīng)大類招生帶來的挑戰(zhàn)。

3．課程教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容不符合一流機(jī)械工程專業(yè)的培養(yǎng)需求

一流機(jī)械工程專業(yè)需要培養(yǎng)學(xué)生在具備扎實的數(shù)理基礎(chǔ)和寬厚的專業(yè)知識的同時，具備較強(qiáng)的機(jī)械工程實踐能力和創(chuàng)新意識。培養(yǎng)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識交叉融合能力，能在多學(xué)科背景下理解和解決機(jī)械工程領(lǐng)域的復(fù)雜問題，具備在機(jī)械工程及交叉學(xué)科領(lǐng)域從事研究開發(fā)的能力，畢業(yè)學(xué)分分布要求實踐環(huán)節(jié)占比達(dá)26%以上?！吨貞c大學(xué)本科教育2029行動計劃》指出，要積極開展實踐教學(xué)，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，推進(jìn)學(xué)生自主實踐，推進(jìn)開放式教學(xué)組織模式。傳統(tǒng)的教學(xué)模式單一，重知識傳授，輕能力和素質(zhì)發(fā)展，學(xué)生自我體驗、自主學(xué)習(xí)、自由創(chuàng)造的環(huán)境配備還不充分，教學(xué)內(nèi)容未能及時更新，嚴(yán)重影響教育的有效性，不符合一流機(jī)械工程專業(yè)的培養(yǎng)需求。

三、基于大工程視野的工程學(xué)導(dǎo)論課程建設(shè)策略

1．基于大工程觀的課程教學(xué)體系建設(shè)

課程組研究了工程學(xué)導(dǎo)論課程總體教學(xué)體系：通過網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)、國內(nèi)外調(diào)研和調(diào)查、座談研討等方式研究大工程觀的必要性以及如何在工程教育中體現(xiàn)大工程觀，形成了理論教學(xué)+項目實踐相互結(jié)合的教學(xué)體系頂層設(shè)計（見圖3）。

通過調(diào)查分析美國麻省理工、普渡大學(xué)、上海交通大學(xué)等工程學(xué)導(dǎo)論課程建設(shè)經(jīng)驗，課程組立足于“新工科”契機(jī)與學(xué)校“雙一流”建設(shè)對教學(xué)改革的需求，通過探索基于學(xué)研融合的課程教學(xué)內(nèi)容集中建設(shè)機(jī)制，研究工程學(xué)導(dǎo)論課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)學(xué)時分布，建立了學(xué)生、項目、工具、材料過程管理機(jī)制，形成了課程結(jié)課實踐項目評審管理機(jī)制（見圖4）。

2．多學(xué)科交叉融合的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

遵循“學(xué)科前沿、交叉融合”的原則，結(jié)合機(jī)械工程學(xué)科的前沿研究熱點(diǎn)，課程組將人文、數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料、設(shè)計學(xué)、電氣等多學(xué)科知識與機(jī)械工程學(xué)科交叉融合，從機(jī)械工程歷史、前沿?zé)狳c(diǎn)、科學(xué)思維、設(shè)計方法、設(shè)計理論、零件認(rèn)知、項目實踐等層面對工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)研究（見表1）。

同時，在調(diào)研國內(nèi)外工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析專業(yè)基礎(chǔ)與專業(yè)課程，如工程制圖、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、電工電子等課程，調(diào)整傳統(tǒng)工程學(xué)導(dǎo)論課程主題教學(xué)內(nèi)容，以項目實踐為牽引，進(jìn)而對各教學(xué)內(nèi)容的邊界再設(shè)計，完成了導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)（見表2）。

3．虛實結(jié)合、項目實踐牽引的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)模式

為探索回歸工程教育本質(zhì)，在實踐中探究知識、鞏固知識的教育途徑，課程圍繞以需求與創(chuàng)新為驅(qū)動的導(dǎo)論課程實踐項目選題研究，采用多種模式探索實踐選題。（1）由學(xué)生結(jié)合日常需求自主提出產(chǎn)品開發(fā)項目主題；（2）由任課教師結(jié)合科研課題與工程經(jīng)驗背景提出產(chǎn)品開發(fā)項目主題；（3）基于企業(yè)實際工程需求，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合提出產(chǎn)品開發(fā)項目主題；（4）結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽、國創(chuàng)大賽提出產(chǎn)品開發(fā)項目主題。

同時，課程建立了基于理論教學(xué)、虛擬項目、實物項目相結(jié)合的工程學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)新模式。實踐項目采用課上理論教學(xué)、課下虛擬建模設(shè)計、課上實物制作模型完成課程項目實踐的方式，使學(xué)生掌握一門三維機(jī)械設(shè)計建模軟件，提升學(xué)生在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中自主學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜問題的能力。

4．基于全過程的工程學(xué)導(dǎo)論課程能力達(dá)成評價體系

課程組通過探索教材、教案知識點(diǎn)、問題設(shè)計等環(huán)節(jié)，跨課程集中研討，對課程內(nèi)、課程之間的關(guān)聯(lián)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，提出引導(dǎo)學(xué)生建立問題空間及其相互關(guān)聯(lián)的新方法；同時，探索課堂教學(xué)中如何啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生形成關(guān)聯(lián)模式，并研究教學(xué)環(huán)節(jié)與能力的映射關(guān)系。此外，通過調(diào)查國際一流大學(xué)對項目制課程的考核方法，引入項目展制度和評價方法，據(jù)此建立促進(jìn)創(chuàng)新能力達(dá)成的質(zhì)量監(jiān)控體系。

通過將過程評價與結(jié)果評價相結(jié)合，提出了“課堂教學(xué)+課下虛擬樣機(jī)項目+實物項目海報+實物項目報告+實物項目展”全過程教學(xué)評價方法，充分關(guān)注學(xué)生個性差異，發(fā)揮評價啟發(fā)激勵作用，以增強(qiáng)學(xué)生的自信心，提高學(xué)生的實際應(yīng)用技能。評價的內(nèi)容、方式和標(biāo)準(zhǔn)力求客觀、科學(xué)、完整，以激勵師生創(chuàng)新型的教與學(xué)。本課程以兩次實踐項目和平時考核評價綜合評定學(xué)生成績（見表3）。其中，實踐項目一虛擬樣機(jī)項目占25%，實踐項目二實物制作項目占60%，平時成績占15%。綜合成績=實踐項目一成績×25%+實踐項目二成績×60% +平時成績×15%。

四、建設(shè)成效

重慶大學(xué)工程學(xué)導(dǎo)論課程自2018年開課至今已完成3次教學(xué)，組織舉辦2018年、2019年、2020年三屆重慶大學(xué)“工程學(xué)導(dǎo)論課程”實物展，三年共計1500余名學(xué)生、40個教學(xué)班參與其中。課程2018年至2020年共計完成虛擬實踐項目1500余項，實物項目300余項。

以某班級為例，通過課程學(xué)習(xí)，班級課程目標(biāo)達(dá)成分析如圖5所示，學(xué)生個體各課程目標(biāo)達(dá)成分析如圖6所示。

可以看出，班級各項課程目標(biāo)均大于0.7的期望值，但課程目標(biāo)2和3評價值稍低，主要原因是學(xué)生剛進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)階段，對機(jī)械工程產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的思想、流程與方法屬于初次接觸，對數(shù)學(xué)、力學(xué)等科學(xué)知識的工程應(yīng)用能力稍弱，還未開始相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，需要大力進(jìn)行課程改革，提高學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作解決一般工程問題的能力和自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的意識。學(xué)生個體課程目標(biāo)1中，所有同學(xué)得分均在0.80以上，表明學(xué)生在團(tuán)隊協(xié)作和技術(shù)交流能力方面掌握得較好。學(xué)生個體課程目標(biāo)2整體達(dá)成情況好，均在0.80以上，說明通過授課和實踐項目等環(huán)節(jié)學(xué)生基本已經(jīng)掌握了機(jī)械工程產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的思想、流程與方法，得到了較好的鍛煉。學(xué)生個體課程目標(biāo)3整體達(dá)成情況好，成績分布也比較合理，均在0.80以上，說明學(xué)生較好地理解了理論科學(xué)知識與機(jī)械工程問題的關(guān)聯(lián)關(guān)系，具備了運(yùn)用現(xiàn)代信息工具進(jìn)行文獻(xiàn)資料檢索的能力，形成了對數(shù)學(xué)、力學(xué)等科學(xué)知識的工程應(yīng)用能力。

五、結(jié)論

當(dāng)下，科教興國被提高到新時代高等教育改革發(fā)展的核心任務(wù)地位，使學(xué)生了解所學(xué)專業(yè)及專業(yè)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的熱愛和耐得住寂寞的思想，系統(tǒng)性全局思維、大工程視野及解決復(fù)雜工程問題的能力顯得尤為重要。工程學(xué)導(dǎo)論是一門基于理論與實踐項目學(xué)習(xí)的概論性核心骨干專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要面向工程類專業(yè)大學(xué)一年級學(xué)生。課程為學(xué)生提供工程問題及其解決方案的基礎(chǔ)知識，同時培養(yǎng)學(xué)生能夠正確認(rèn)識多學(xué)科背景下的團(tuán)隊合作對解決機(jī)械工程復(fù)雜問題的意義和作用，通過發(fā)散思維、深層思考、多方討論等方式培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，通過課上理論教學(xué)、課下虛擬建模設(shè)計、課上實物制作模型完成課程項目實踐，提升學(xué)生在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中解決復(fù)雜問題的能力，真正做到“讓學(xué)生忙起來、讓教學(xué)活起來”。

[基金項目：教育部新工科研究與實踐項目“面向新工科的學(xué)生交叉創(chuàng)新中心建設(shè)與實施（E-XTYR20200656）”、重慶市教學(xué)研究項目“具有大工程視野的機(jī)械工程專業(yè)知識構(gòu)架形成性教育研究（193015）”]

[責(zé)任編輯：余大品]