工程教育認(rèn)證背景下專業(yè)實驗課程教學(xué)改革與實踐

馬秀清，韓 穎，汪曉男，畢 超，于洪杰

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院 北京 100029）

工程教育認(rèn)證對推進(jìn)工程教育改革、提高本科教育質(zhì)量有著極為重要的作用，已成為我國高等工程教育的評判標(biāo)準(zhǔn)。在“工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1]”的12 項畢業(yè)要求中，“1 工程知識”“2 問題分析”“3 設(shè)計/開發(fā)解決方案”“4 研究”“5使用現(xiàn)代工具”“6 工程和社會”“7 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展”“10溝通”8 項畢業(yè)要求中均涉及“復(fù)雜工程問題”的描述，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力[1]。

北京化工大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在工程教育認(rèn)證背景下，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為抓手，針對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)評價方法進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整和優(yōu)化，對專業(yè)實驗課程進(jìn)行教學(xué)改革與實踐，以期通過改革與實踐提升學(xué)生利用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程實際問題的能力，對高素質(zhì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)具有重要的意義。

1 專業(yè)實驗課程教學(xué)內(nèi)容的整合

1.1 原有專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容方面存在的問題

與專業(yè)相關(guān)的實驗原來一直是開設(shè)在各門理論課程中，主要實驗內(nèi)容有單螺桿擠出成型實驗、注塑成型實驗（對應(yīng)課程是高分子材料加工機械設(shè)計）、模具和機頭結(jié)構(gòu)實驗（對應(yīng)課程是橡塑制品及模具設(shè)計）、高分子材料改性實驗（對應(yīng)課程是混合理論及設(shè)備）、控制類相關(guān)實驗（對應(yīng)課程是控制工程基礎(chǔ)和可編程控制器等）等四類。存在的主要問題為實驗項目相互獨立沒有關(guān)聯(lián)，具體如下：一般在對應(yīng)理論知識講授后進(jìn)行相關(guān)的實驗，實驗穿插于理論課程中。由于實驗是依附于課程開設(shè)的[2]，因此每個實驗項目是獨立的且關(guān)聯(lián)性不強，遇到復(fù)雜問題的時候?qū)W生很難將獨立的實驗關(guān)聯(lián)起來，因此不利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程實際問題的能力。

鑒于以上原因，為培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程實際問題的能力，專業(yè)實驗獨立開設(shè)課程，并對實驗項目和內(nèi)容進(jìn)行了整合。

1.2 專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容的整合

機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)實驗課程獨立開設(shè)后進(jìn)行了實驗內(nèi)容的整合和重構(gòu)[3]，實驗項目包括流變性能測試實驗、擠出造粒實驗、混煉實驗、模具和機頭結(jié)構(gòu)實驗、單螺桿擠出成型實驗（包括擠出吹膜和擠出流延）、模壓實驗、注塑成型實驗、性能測試實驗、控制類實驗、模擬仿真等十多類實驗，對應(yīng)的實驗項目和實驗內(nèi)容如表1 所示。

表1 專業(yè)實驗課的實驗名稱及實驗內(nèi)容

由表1 可以看出，實驗項目涵蓋了從材料、工藝、設(shè)備、性能檢測到設(shè)備控制系統(tǒng)的全面系統(tǒng)的實驗內(nèi)容，通過實驗，學(xué)生可獲得機械設(shè)備、材料加工工藝及設(shè)備控制三方面的知識，即可得到一機（材料成型加工機械）兩翼（材料和控制）系統(tǒng)全方位的訓(xùn)練，同時還可通過虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合的方式開展實驗。

2 專業(yè)實驗課程教學(xué)方式的優(yōu)化

2.1 原有專業(yè)實驗教學(xué)方式存在的問題

原有專業(yè)實驗通常采用以教為主的教學(xué)方式：即指導(dǎo)教師結(jié)合實驗設(shè)備講解設(shè)備的工作原理、實驗?zāi)康?、實驗步驟，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書的每一個步驟完成實驗，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并撰寫實驗報告。這樣的教學(xué)方法不利于學(xué)生對所學(xué)知識的鞏固和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主性和探索精神。因此，專業(yè)實驗的教學(xué)需要從“以教為主”的“我學(xué)會”轉(zhuǎn)變到“以學(xué)為主”的“我會學(xué)”。

2.2 專業(yè)實驗教學(xué)方式的優(yōu)化

專業(yè)實驗是學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程理論知識后獨立開設(shè)的實踐類課程，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作精神，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，除對實驗項目和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行擴充和優(yōu)化組合，形成從工藝參數(shù)的確定、模擬仿真實驗、材料改性、材料的成型加工制品的性能測試這樣系統(tǒng)而全面的實驗項目外，在實驗的設(shè)計和實施方面更是從培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜問題的解決能力方面著手，采取教師提出要求、學(xué)生自主設(shè)計實驗并實施的教學(xué)方法，即教師提出制品的性能要求，從選擇材料一直到最后制品的性能測試均由學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識進(jìn)行實驗方案的設(shè)計和實施，學(xué)生實驗設(shè)計的大概流程如圖1 所示，圖中右側(cè)虛線框內(nèi)為設(shè)計流程，左側(cè)虛線框內(nèi)為對應(yīng)的實驗方法。

圖1 實驗設(shè)計流程

具體做法如下：專業(yè)實驗課首先由學(xué)生了解每一個實驗項目的實驗設(shè)備和實驗?zāi)康囊约懊總€獨立實驗的實驗過程和可能得到的結(jié)果，同時學(xué)生通過部分仿真實驗了解實驗過程和解決實際問題的方法。其次由指導(dǎo)教師提出最終制品的性能（如力學(xué)性能）要求，學(xué)生以小組為單位，根據(jù)性能要求選擇材料、工藝和設(shè)備，設(shè)計實驗方案，通過小組討論分析得出最佳實驗方案進(jìn)行實驗，得到最終制品，測試最終制品的相關(guān)性能，與指導(dǎo)教師提出的性能要求進(jìn)行對比，如果滿足性能要求，則實驗結(jié)束；如果不能滿足性能要求，分析可能的原因，修訂實驗方案，對材料、工藝、成型方法進(jìn)行調(diào)整，再一次進(jìn)行實驗，直到最終制品滿足指導(dǎo)教師提出的性能要求為止，要求學(xué)生至少做兩種制品，同時對兩種制品的同一性能進(jìn)行比較，分析不同成型方法對制品性能的影響。對于控制類實驗，根據(jù)指導(dǎo)教師所講述的實驗中所用設(shè)備的控制系統(tǒng)，畫出對應(yīng)的控制系統(tǒng)圖加以仿真；或者分析對應(yīng)設(shè)備現(xiàn)有控制系統(tǒng)的不足，提出并設(shè)計新的控制系統(tǒng)，對新的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真來驗證新設(shè)計的系統(tǒng)是否能夠滿足設(shè)備的相關(guān)控制要求，真正把所學(xué)的控制方面的知識用來解決實際設(shè)備的控制問題。通過從傳統(tǒng)的“以教為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)為主”，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高了專業(yè)實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果，同時材料、工藝和設(shè)備系統(tǒng)全面系統(tǒng)的實驗實施使學(xué)生對復(fù)雜工程問題有了更深入的理解，解決復(fù)雜工程問題的能力也得到了提升。

3 教學(xué)評價方法的重構(gòu)

3.1 原有專業(yè)實驗教學(xué)評價方法存在的問題

專業(yè)實驗獨立設(shè)課之前是穿插于理論課程之中的，因此大多以學(xué)生獨立完成的實驗報告及其出勤情況為主進(jìn)行實驗部分的考核評價，即采用的是結(jié)果性評價方式，這種評價方式難以了解和判斷學(xué)生是否積極參與并掌握了相關(guān)實驗流程，難以體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)和參與實驗的過程，教學(xué)效果也欠佳。因此專業(yè)實驗獨立設(shè)課后應(yīng)重構(gòu)教學(xué)評價方法，即采用學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果并重的教學(xué)評價方法，這也是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動力的主要舉措之一。

3.2 專業(yè)實驗教學(xué)評價方法的重構(gòu)

專業(yè)實驗獨立設(shè)課后采用學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果并重的考核評價方法。專業(yè)實驗課的成績主要由實驗方案的確定、實驗的實施及實驗報告三部分組成。其中實驗方案確定部分的成績按照如下方式判定：由于專業(yè)實驗課是分組進(jìn)行的，要求實驗實施之前組內(nèi)每位同學(xué)提出實驗方案、組內(nèi)講解實驗方案，組內(nèi)同學(xué)通過聽取每位同學(xué)的講解選擇最優(yōu)實驗方案或者將組內(nèi)同學(xué)提出的部分最優(yōu)實驗方案進(jìn)行整合形成每組的實驗方案，制作PPT，每組派一位代表對自己小組的實驗方案進(jìn)行講解，教師在聽取學(xué)生講解的過程中通過提問進(jìn)行引導(dǎo)和指導(dǎo)。因此在實驗方案確定部分可結(jié)合組內(nèi)每位同學(xué)實驗方案的提出和貢獻(xiàn)進(jìn)行自評互評、組間針對實驗方案及講解進(jìn)行自評互評、教師對實驗方案的評價等形式來綜合給定實驗方案確定的部分的成績；實驗實施部分的成績是針對每個實驗的實施過程中學(xué)生實際操作能力、動手能力、創(chuàng)新思維方面的考查，也可在實驗過程中有針對性地對學(xué)生進(jìn)行抽查，進(jìn)而考查學(xué)生對知識點的掌握程度和解決實際問題的能力；實驗報告部分的成績包括撰寫規(guī)范、實驗結(jié)果分析等方面的考查。通過這樣的鍛煉，學(xué)生有了相互交流和相互學(xué)習(xí)的過程，同時在實際實驗中可及時發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程實際問題的能力和創(chuàng)新思維能力。

4 結(jié)語

機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)實驗課程的改革與實踐既進(jìn)行了實驗內(nèi)容的整合、實驗教學(xué)方式的優(yōu)化，也進(jìn)行了實驗教學(xué)評價方法的重構(gòu)，通過教學(xué)改革既有利于學(xué)生對已有知識進(jìn)行系統(tǒng)的歸納整理，又有利于提高學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力，這樣的改革與實踐激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提升了學(xué)生利用所學(xué)知識解決復(fù)雜問題的能力，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。專業(yè)實驗課程教學(xué)改革與實踐的特點如下：

①教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)全面、虛實結(jié)合：實驗項目系統(tǒng)全面地涵蓋了材料、工藝、設(shè)備及控制的教學(xué)內(nèi)容，同時注射成型和擠出成型既有虛擬仿真實驗，也有現(xiàn)實實際實驗，形成了虛實結(jié)合的實驗體系。

②教學(xué)方式以學(xué)為主，自主設(shè)計：在教學(xué)過程中采用以學(xué)為主的教學(xué)方式，通過學(xué)生自主設(shè)計實驗并加以實施，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向的專業(yè)認(rèn)證理念，取得了良好的效果。

③評價方式過程結(jié)果并重、多元綜合：教學(xué)評價方面采取學(xué)生組內(nèi)自評互評、組間自評互評、操作動手能力評價、教師評價等綜合學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果的多元化評價方式，激勵學(xué)生主動積極地參與到實驗的每一個環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。