工程訓(xùn)練課程多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)改革實(shí)踐

陳靜 朱華炳 李偉

摘? 要：為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求、具有解決復(fù)雜工程問題能力的高水平工程創(chuàng)新人才，針對目前我國大學(xué)生特點(diǎn)和大多數(shù)高校人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，充分發(fā)揮高校工程訓(xùn)練中心優(yōu)勢，以能力達(dá)成為導(dǎo)向，采用多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)課程，對新工科人才培養(yǎng)方式進(jìn)行改革，并給出實(shí)施建議，對于推動工程素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育改革、全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有參考價值。

關(guān)鍵詞：工程素質(zhì)教育;工程訓(xùn)練課程;項(xiàng)目式教學(xué);多學(xué)科交叉;復(fù)雜工程問題

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S2-0124-05

Abstract： In order to train high-level engineering innovative talents， who can meet the social needs and be able to solve the complex engineering problems， according to the current characteristics of the China college students and the personnel training status in most colleges， we should give full play to the advantages of engineering training centers in colleges. Taking ability achievement as the guidance and adopting project-driven teaching courses with multi-discipline integration， the training mode of new engineering talents is reformed， meanwhile the implementation suggestions are given. It has reference value for promoting the reform of engineering quality education and innovative education， and comprehensively improving the quality of talent training.

Keywords： engineering quality education; engineering training courses; project-driven teaching; multi-discipline integration; complex engineering problems

隨著社會的發(fā)展，越來越需要大量知識技能高超、具有解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才。當(dāng)前，我國高校本科人才培養(yǎng)教學(xué)模式創(chuàng)新性不足，現(xiàn)行專業(yè)教學(xué)中各學(xué)科封閉，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)與真實(shí)工業(yè)發(fā)展存在區(qū)隔，缺乏復(fù)雜工程問題教學(xué)情境，跨學(xué)科融合和多專業(yè)合作育人工作難以開展，工科學(xué)生的創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力普遍不強(qiáng)，在交叉學(xué)科領(lǐng)域具有解決復(fù)雜工程問題的高水平工程創(chuàng)新人才的數(shù)量和質(zhì)量難以滿足強(qiáng)國建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求[1]。

習(xí)近平總書記在2021年中央人才工作會議上發(fā)表重要講話時指出，“到2030年，適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展的人才制度體系基本形成，創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)能力顯著提升，對世界優(yōu)秀人才的吸引力明顯增強(qiáng)，在主要科技領(lǐng)域有一批領(lǐng)跑者，在新興前沿交叉領(lǐng)域有一批開拓者[2]”。培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，在交叉學(xué)科領(lǐng)域具有解決復(fù)雜工程問題能力的高水平工程創(chuàng)新人才是高校人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。建設(shè)多學(xué)科交叉實(shí)踐基地，開展多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)課程，將項(xiàng)目式教學(xué)融入新工科人才培養(yǎng)，使大學(xué)生在不斷的實(shí)踐中養(yǎng)成創(chuàng)新意識和解決復(fù)雜工程問題的能力是當(dāng)前高校人才培養(yǎng)的主要改革方向[3]。

一? 開展多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)的迫切性

《全國普通高校本科教育教學(xué)質(zhì)量報告（2020年度）》向高校本科教育教學(xué)工作提出大力加強(qiáng)學(xué)科專業(yè)交叉融合辦學(xué)的長效機(jī)制建設(shè)的建議[4]。工科高校應(yīng)適應(yīng)國家與社會的需求，深化教育教學(xué)改革，多樣化探索人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)滿足國家戰(zhàn)略需求的新工科人才。通過開展基于多學(xué)科交叉的項(xiàng)目式教學(xué)的研究與實(shí)踐，改變單一學(xué)科組織教學(xué)、單向輸入教學(xué)內(nèi)容的傳統(tǒng)模式，能夠提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，更快地推進(jìn)新工科建設(shè)，更好地服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。

近年來，合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)施“人才強(qiáng)?！睉?zhàn)略，充分發(fā)揮校友資源，匯聚人工智能、集成電路、先進(jìn)制造等相關(guān)學(xué)科優(yōu)勢，與知名企業(yè)開展深層次合作，緊密融合合肥工業(yè)大學(xué)人才培養(yǎng)優(yōu)勢和企業(yè)實(shí)際需求培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才，同時為畢業(yè)生迅速成長為行業(yè)人才打牢基礎(chǔ)[5]。

合肥工業(yè)大學(xué)工程素質(zhì)教育中心作為學(xué)校最大的實(shí)踐教學(xué)基地，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新意識為主要目標(biāo)，是具有準(zhǔn)工業(yè)化車間的新型綜合性工程訓(xùn)練中心，具有專業(yè)的教學(xué)場所、完備的教學(xué)設(shè)施、理論基礎(chǔ)扎實(shí)和項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的師資隊伍[6]。工程素質(zhì)教育中心積極響應(yīng)國家、社會和學(xué)校的人才培養(yǎng)需求，在當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)業(yè)背景下，依托原有傳統(tǒng)工程訓(xùn)練模塊，創(chuàng)新發(fā)展多學(xué)科交叉項(xiàng)目式工程訓(xùn)練模塊，建立以機(jī)為主、機(jī)電材管結(jié)合的涵蓋多專業(yè)的工程訓(xùn)練系列課程體系，打破學(xué)科之間的壁壘，創(chuàng)新開展多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)訓(xùn)練，改變以往的以老師為主，知識技能灌輸式的教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)，學(xué)生主導(dǎo)，依托課程設(shè)置的創(chuàng)新項(xiàng)目、大學(xué)生課外科技活動、各類競賽、企業(yè)橫向課題和教師縱向課題項(xiàng)目等[7]，學(xué)生從項(xiàng)目分析、方案設(shè)計、加工制作和裝配調(diào)試等方面自主完成整個訓(xùn)練過程，在公平開放、包容協(xié)作的環(huán)境里學(xué)習(xí)、體驗(yàn)、運(yùn)用本專業(yè)和相關(guān)專業(yè)的知識，拓展知識的深度和廣度，將實(shí)踐、科研、課程有機(jī)融合，對項(xiàng)目深度“挖掘”，不斷強(qiáng)化對工程的認(rèn)知和理解，主動進(jìn)行創(chuàng)造創(chuàng)新，提高學(xué)生工程素質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實(shí)、能力卓越、具有解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才的目標(biāo)[8]。

二? 教學(xué)理念及實(shí)施方案

（一）? 教學(xué)理念

多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)是以學(xué)生為主導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和綜合素質(zhì)為教學(xué)目標(biāo)，通過自行設(shè)計、自主研學(xué)、自由創(chuàng)造，完成一個完整的、多學(xué)科交叉的、具有實(shí)踐性的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動。依據(jù)工程訓(xùn)練課程的特點(diǎn)，老師給出一些項(xiàng)目供同學(xué)選擇，如果同學(xué)有和這次教學(xué)活動相關(guān)的項(xiàng)目，也可以和老師商討后另行選題。本次以“能源轉(zhuǎn)換利用與演示”項(xiàng)目為例，結(jié)合機(jī)械工程、電氣工程、計算機(jī)應(yīng)用工程、光電工程和能源與動力工程等各學(xué)科相關(guān)內(nèi)容，將設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試和測量融入實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目全過程，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新。項(xiàng)目以能源的轉(zhuǎn)換利用為研究目標(biāo)，設(shè)計并制作一套活塞斯特林能源轉(zhuǎn)換裝置，采用活塞式斯特林發(fā)動機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為動能，通過直流發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)換為電能，再通過直流電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為供風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的動能，體驗(yàn)熱能（酒精燈）—動能（斯特林發(fā)動機(jī)）—電能（發(fā)電機(jī)）—動能（風(fēng)扇）的能量轉(zhuǎn)化過程;采用PWM直流電機(jī)調(diào)速模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇無極變速;采用光電測速模塊實(shí)時測量風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，監(jiān)測能量轉(zhuǎn)換效率。斯特林能源轉(zhuǎn)換裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、啟動快、振動小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。組隊方式：學(xué)生自由組隊，每組4～5人[9]?；钊固亓帜茉崔D(zhuǎn)換裝置相關(guān)模塊如圖1所示。

（二）? 實(shí)施方案

1? 增加三維工程設(shè)計軟件實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，提高學(xué)生應(yīng)用軟件能力

實(shí)訓(xùn)課程項(xiàng)目開始階段，通過老師引導(dǎo)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)Inventor、SolidWorks等三維設(shè)計軟件，在學(xué)習(xí)并掌握項(xiàng)目裝置的原理后，以小組為單位，制定整體設(shè)計方案，使用三維設(shè)計軟件完成模型搭建，并完成零件工程圖、裝配圖、仿真動畫等，制定零部件加工方案，根據(jù)現(xiàn)有加工設(shè)備加工出零件，完成整體裝配和調(diào)試。充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，在項(xiàng)目實(shí)施中邊自主組織學(xué)習(xí)知識內(nèi)容，邊動手實(shí)踐操作，邊對所學(xué)所用知識及時反思與總結(jié)，高效地提升學(xué)生操作工程軟件的技術(shù)水平，培養(yǎng)真正適應(yīng)市場及社會需求的技術(shù)人才。使用Inventor建立的活塞斯特林能源轉(zhuǎn)換裝置三維模型如圖2所示。

2? 多學(xué)科交叉，激發(fā)學(xué)習(xí)能力、思維能力和創(chuàng)新能力

在全面推進(jìn)工程教育改革創(chuàng)新的新形勢下，多學(xué)科交叉激發(fā)和提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、專業(yè)能力，滿足新工科建設(shè)提出的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造思維和創(chuàng)新人格的根本要求。本項(xiàng)目首先是與電氣工程學(xué)科交叉，采用PWM直流電機(jī)調(diào)速模塊對風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速，并設(shè)計傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速模塊進(jìn)行對比，在相同的項(xiàng)目目標(biāo)下，靈活采用不同的實(shí)現(xiàn)方式，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?；钊固亓帜茉崔D(zhuǎn)換裝置采用的PWM調(diào)速原理如圖3（a）所示，其中，Uin為DC/DC模塊的輸入電壓，機(jī)械調(diào)速與PWM調(diào)速結(jié)構(gòu)對比如圖3（b）所示。

3? 增加光電測速工藝，培養(yǎng)“閉環(huán)”的工程思維

采用先進(jìn)的光電測量速度技術(shù)，豐富工程訓(xùn)練課程內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電的學(xué)科交叉。光電測速傳感器，具有非接觸、精度高、測量范圍大和靈敏度高等特點(diǎn)，其輸出通常為脈沖信號，然后利用單片機(jī)，可將電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時計算出來，以此反映系統(tǒng)的整體水平，為系統(tǒng)優(yōu)化升級提供了指導(dǎo)。設(shè)置光電測速模塊測試能源轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)，與預(yù)期結(jié)果比對驗(yàn)證，加深了學(xué)生對“閉環(huán)”思維的理解。活塞斯特林能源轉(zhuǎn)換裝置光電測速原理和實(shí)物如圖4所示。

4? 以項(xiàng)目的全流程為框架，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力

項(xiàng)目的實(shí)施流程由4個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成：概念環(huán)節(jié)、開發(fā)環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)和反思環(huán)節(jié)。概念環(huán)節(jié)引入項(xiàng)目，結(jié)合社會熱點(diǎn)問題，研究將熱能如何高效轉(zhuǎn)化為電能，體驗(yàn)工程技術(shù)的綜合實(shí)踐，充分調(diào)動學(xué)生對工程訓(xùn)練的興趣。開發(fā)環(huán)節(jié)，將項(xiàng)目進(jìn)行工作分解，制定進(jìn)度實(shí)施計劃、項(xiàng)目溝通計劃、項(xiàng)目成本管理預(yù)案和風(fēng)險管理預(yù)案，以確保項(xiàng)目能在規(guī)定的時間和預(yù)算內(nèi)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。執(zhí)行環(huán)節(jié)，在了解常見加工設(shè)備操作方法，掌握相關(guān)加工工藝基礎(chǔ)上，注意知識沉淀、團(tuán)隊管理和風(fēng)險管控，以確保項(xiàng)目正常進(jìn)行，注重解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。反思環(huán)節(jié)，為了能確保項(xiàng)目計劃的順利實(shí)施，必須時刻對項(xiàng)目的整體進(jìn)度、資源和成本使用、風(fēng)險任務(wù)及人員表現(xiàn)等各個方面進(jìn)行評估和反思，及時采取有效的措施并作出必要的調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)施項(xiàng)目全流程，領(lǐng)會從系統(tǒng)到局部再到系統(tǒng)的設(shè)計思維。

5? 開展項(xiàng)目驗(yàn)收，強(qiáng)化團(tuán)隊分工協(xié)作、工程意識培養(yǎng)

在這個階段要審查項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)情況，確定達(dá)到評估要求后，整理項(xiàng)目成果，總結(jié)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)得失并完成信息歸檔，提升大學(xué)生的工程意識。項(xiàng)目驗(yàn)收采用答辯的方式，學(xué)生明確分工、相互配合，答辯主要內(nèi)容包括：項(xiàng)目背景、實(shí)施過程、遇到的關(guān)鍵問題及解決辦法、工程創(chuàng)新和主要收獲。答辯后進(jìn)行交流總結(jié)，反思項(xiàng)目實(shí)施過程中的獲得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，持續(xù)完善，不斷進(jìn)步。

三? 多學(xué)科交叉促進(jìn)能力達(dá)成

（一）? 項(xiàng)目式教學(xué)課程知識結(jié)構(gòu)合理，有效契合了實(shí)訓(xùn)目標(biāo)和能力達(dá)成要求

本課程滿足國家和行業(yè)發(fā)展前沿的要求，結(jié)合不同專業(yè)的培養(yǎng)計劃，對活塞斯特林能源轉(zhuǎn)換裝置所涵蓋的“小項(xiàng)目”進(jìn)行了合理劃分，堅持專業(yè)知識、能力、素質(zhì)有機(jī)融合，注重提升課程水平，突出課程創(chuàng)新，加大課程挑戰(zhàn)，既有效保障課程專業(yè)教學(xué)計劃順利實(shí)施，又契合學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維養(yǎng)成要求。多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)課程結(jié)構(gòu)見表1。

（二）? 多學(xué)科交叉激發(fā)學(xué)生主觀能動性，快速高效提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力

本課程深度變革學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計制作實(shí)踐，如使用不同的材料和加工工藝加工同一種零件，設(shè)計不同的調(diào)速模塊完成相同速度的調(diào)節(jié)，采用不同的測量方式提升測量的準(zhǔn)確性，對系統(tǒng)升級優(yōu)化方案提出創(chuàng)新的設(shè)計建議，對儲能技術(shù)整合和深化提升。學(xué)生在有限的時間內(nèi)學(xué)習(xí)更多不同專業(yè)的知識，獲取實(shí)踐動手經(jīng)歷和科學(xué)探究方法的機(jī)會，展現(xiàn)出較強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

四? 結(jié)束語

面向未來高度復(fù)雜、集成的工程技術(shù)發(fā)展趨勢，新工科教育要以激發(fā)學(xué)生求知本性、培養(yǎng)知識技能高超、具有解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才為目標(biāo)，努力創(chuàng)新教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)課程，提升培養(yǎng)平臺，打造全新工程教育場景。

合肥工業(yè)大學(xué)工程素質(zhì)教育中心以全面創(chuàng)新為導(dǎo)向，對新工科人才培養(yǎng)方式進(jìn)行探索，通過開展多學(xué)科交叉項(xiàng)目式教學(xué)，更好地發(fā)揮了工程訓(xùn)練在本科人才培養(yǎng)中的價值與優(yōu)勢，并給出實(shí)施建議，有效鍛煉了學(xué)生的自我管理能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力及跨學(xué)科解決復(fù)雜問題的能力[10]，提升了學(xué)生的機(jī)械設(shè)計的邏輯思維、閉環(huán)思維以及工程整體意識，在推動工程素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育改革、培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才方面進(jìn)行了積極的探索。

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基金項(xiàng)目：安徽省重大教學(xué)研究項(xiàng)目“新時代工程素質(zhì)教育研究與實(shí)踐探索”（2021jyxm1177）

第一作者簡介：陳靜（1986-），女，漢族，河南商丘人，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣こ虒?shí)踐與工程創(chuàng)新。

*通信作者：朱華炳（1963-），男，漢族，安徽懷寧人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楦咝?shí)踐與創(chuàng)新教育，機(jī)械工程應(yīng)用技術(shù)。