基于數(shù)字技術的機械類專業(yè)教學體系創(chuàng)新研究

張紅麗

（青島工學院，山東 青島 266300）

0 引言

“四新”人才培養(yǎng)是數(shù)字化戰(zhàn)略下的主旋律，其中新工科是工科教育改革和創(chuàng)新的方向。新工科的出現(xiàn)是為了適應數(shù)字化時代和信息技術發(fā)展的需求，培養(yǎng)具備跨學科綜合能力、創(chuàng)新能力和實踐能力的工科人才。這種培養(yǎng)模式的推行將有助于滿足數(shù)字化時代對人才的需求，推動數(shù)字化戰(zhàn)略的實施。我國是一個制造大國，為了實現(xiàn)“制造強國”的夢想，我國機械制造業(yè)正在大力提高產(chǎn)業(yè)技術和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新能力，應用現(xiàn)代數(shù)字技術對傳統(tǒng)制造業(yè)進行改造，變革產(chǎn)品的設計方式和制造手段，提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。我國制造業(yè)要實現(xiàn)這一跨越式發(fā)展，迫切需要大量掌握現(xiàn)代新技術、新技能的創(chuàng)新人才，那么加快這類人才的培養(yǎng)就成為機械類各專業(yè)面臨的重大課題[1]。

1 數(shù)字技術在教學中的發(fā)展應用情況

在新工科建設目標的指引下，我國高校在數(shù)字化發(fā)展方面也取得了很多成果，如華中師范大學建有云端教室，包含資源平臺、云端一體化智慧教室等，利用云計算和智能技術，提供了更加便捷和高效的教學環(huán)境，為學生和教師提供了更多的資源和工具支持；西安電子科技大學通過智能技術與教育的深度融合，重構(gòu)了人才培養(yǎng)支撐體系，實現(xiàn)了教師和平臺的“雙師”授課和線上、線下的“雙空間”教學[2]，這種模式能夠更好地滿足學生個性化學習的需求，提供更靈活和多樣化的學習方式；廣西科技大學采用云計算思想與虛擬現(xiàn)實（VR）技術，創(chuàng)建了基于VR 技術的機械類實驗云教學平臺，這個平臺為機械類學生提供了全天候的交互式實操體驗，使學生能夠在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，提高實踐能力和學習效果。

通過引入云計算、智能技術和虛擬現(xiàn)實等先進技術，高校能夠提供更好的教學環(huán)境和資源支持，培養(yǎng)更具創(chuàng)新能力和實踐能力的工科人才。這些成果對于推動我國高等教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和提升教育質(zhì)量具有重要意義。

2 機械類專業(yè)教學體系目前存在問題

機械類專業(yè)教學體系是指為培養(yǎng)機械類專業(yè)學生所設計的一套教學計劃和教學方法。它包括了教學目標、課程設置、教學方法、教材教輔、實踐環(huán)節(jié)等方面。在具體實施過程中主要存在以下問題：

（1）理論與實踐脫節(jié)，教學內(nèi)容滯后，專業(yè)人才培養(yǎng)與社會、企業(yè)發(fā)展相適應的教育需求不匹配。機械類專業(yè)的教學過程中，理論知識與實踐操作往往脫節(jié)。學生在課堂上學習了大量的理論知識，但在實際操作中卻缺乏經(jīng)驗和技能[3]。這導致學生在實際工作中難以應對復雜的問題。還有隨著科技的不斷進步，機械行業(yè)的技術也在不斷更新，但教學內(nèi)容卻沒有及時跟進。這導致學生在畢業(yè)后需要進行額外的學習和培訓，才能適應行業(yè)的發(fā)展需求。

（2）課程之間缺乏關聯(lián)，項目實踐不足，無法培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊合作能力。目前課程體系中各個課程是孤立的，知識點是分散的，不夠系統(tǒng)，學生學完課程后達不到融合，與企事業(yè)所需人才的技能有所差距。學生缺乏實際操作的機會，無法將理論知識應用到實際工作中。

（3）教學方法單一，信息化教學不足，不能很好激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維，提高他們的綜合素質(zhì)。一些機械類專業(yè)的教學方法較為傳統(tǒng)，主要依靠課堂講解和實驗操作，限制了學生的發(fā)展空間。隨著數(shù)字化時代的到來，機械類專業(yè)的教學也需要與之相適應。然而，一些教學體系對信息化教學的應用不足，無法充分利用現(xiàn)代技術手段提升教學效果。

3 機械類專業(yè)教學體系創(chuàng)新設計

數(shù)字化時代的到來給人才培養(yǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇，為了培養(yǎng)“四新”人才，我國高等教育形態(tài)需要進行及時的變革推動。

3.1 創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式

基于“新工科”背景的機械工程學科發(fā)展新形式下人才培養(yǎng)的需求，實施技術技能雙層次，開設新技術、特色技能和復合技能等多個專業(yè)崗位培養(yǎng)方向。一方面，培養(yǎng)學生掌握新技術和特色技能，如智能制造、數(shù)字化設計與制造、機器人技術等。另一方面，也要注重培養(yǎng)學生的復合技能，使其具備跨領域的綜合能力。同時，注重跨學科的融合，將機械工程與電子工程、計算機工程等學科進行交叉，實現(xiàn)跨學科的融合。通過打通校內(nèi)學科交叉融合通道，重組內(nèi)部資源，建立滿足數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)升級和學生多元發(fā)展需求的“機械專業(yè)+”的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和跨領域的能力，使機械工程學科的人才培養(yǎng)更加適應數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求[4]。

3.2 教學內(nèi)容體系數(shù)字化

以工程教育理念為指導，緊跟行業(yè)發(fā)展動態(tài)，對機械類專業(yè)的課程設置進行更新和調(diào)整，引入新興的技術和知識領域，建立機械類專業(yè)模塊化課程教學內(nèi)容體系，將專業(yè)課程與數(shù)字化輔助設計、制造、分析等課程有效結(jié)合，重組內(nèi)部資源，形成數(shù)字化設計、智能制造、自動化控制系統(tǒng)教學模塊，以滿足市場對新型人才的需求。在課堂教學、實驗教學、實踐教學、實習實訓等教學環(huán)節(jié)過程中對學生進行專業(yè)培養(yǎng)，形成專業(yè)理論與方法應用一體的教學內(nèi)容體系，實現(xiàn)了新興知識補充和能力要求提升的雙重目標，反映了課程教學改革的前沿性和時代性。

本研究以機械設計類模塊課程群及數(shù)字化設計為例（圖1）。將機械設計類課程中設計理論與計算機輔助設計、建模、分析等知識點相融合，將理論學習延伸到企業(yè)實際需求，能夠?qū)ζ髽I(yè)機電產(chǎn)品進行虛擬設計和仿真分析，培養(yǎng)學生的數(shù)字化設計、工程分析和優(yōu)化能力。

圖1 機械設計類模塊課程群及數(shù)字化設計應用

3.3 教學資源數(shù)字化

教學資源的數(shù)字化是指將教學所需的各種資源，包括教材、課件、教學視頻、練習題等，轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，以便于在數(shù)字化環(huán)境下進行教學和學習。

（1）搭建專業(yè)課程云平臺，利用各種MOOC 平臺資源，對專業(yè)課程教學資源進行整合和優(yōu)化，包括電子教材、課件、動畫、視頻、仿真軟件、練習庫等教學資源，建設服務本校課程教學的優(yōu)質(zhì)云端教學資源，引入線上課堂和學習社區(qū)，為學生提供便捷的學習環(huán)境和資源共享平臺。同時在學生登錄平臺的學習過程中，該平臺可以記錄學生學習的足跡并進行測評分析，這些數(shù)據(jù)都可以作為課程評估和教學改進的依據(jù)。通過將課堂教學與云平臺有機融合，把傳統(tǒng)的課堂進一步向外拓展與延伸，提供了更加豐富的教育教學形式，為學生差異化培養(yǎng)提供了保障。

（2）利用數(shù)字網(wǎng)絡技術、虛擬仿真技術等，對機械專業(yè)教學體系中實驗教學資源進行數(shù)字化建設，將實驗項目進行分析、分類，根據(jù)實驗項目性質(zhì)，將一些實驗項目利用虛擬現(xiàn)實技術，建設虛擬仿真實驗教學平臺。虛擬實驗的開展使學生的實驗教學更加靈活，不再需要等待實驗室開放或受限于實驗室的容量，減少實驗事故的發(fā)生；同時虛擬實驗的應用還可以提供更多的實驗機會和實驗資源，讓學生進行多次實驗和反復實踐，加深對機械實驗的理解和掌握。這不僅提升實驗教學質(zhì)量，而且提高學生的實踐能力，大大提高了實驗教學的效率及資源利用率。

（3）通過調(diào)研區(qū)域內(nèi)同類高校機械工程教學體系建設、教學資源情況，及相關企事業(yè)單位的需求及技術發(fā)展情況，建立學校與企業(yè)的常態(tài)化交流機制，及時吸收企業(yè)發(fā)展的最新技術，利用學校和企業(yè)雙重資源，運用遠程視頻教學、微視頻、虛擬仿真軟件等數(shù)字化工具與企業(yè)聯(lián)通搭建現(xiàn)場實踐教學場景，模擬真實的工程實踐環(huán)境。

（4）培養(yǎng)教師的數(shù)字化教學能力，提供教學設計和教學方法的培訓，使其能夠靈活運用數(shù)字化工具和資源進行教學。同時，鼓勵學生參與自主學習和合作學習，通過線上討論、團隊項目等方式，培養(yǎng)學生的合作能力和創(chuàng)新能力。

通過以上措施，可以構(gòu)建完整的專業(yè)實踐教學體系，提升機械工程課程的教學質(zhì)量和學生的實踐能力。同時，數(shù)字化教學平臺的建設也為學生提供了更加靈活和便捷的學習方式，促進了線上線下教學的融合。

3.4 教學方法多元化

根據(jù)工程師培養(yǎng)定位，基于數(shù)字化學習環(huán)境，按照現(xiàn)代教育觀“學生中心、經(jīng)驗中心、活動中心”三中心的理念，在課程教學中融入實際工程項目或案例，將課程內(nèi)容拓展到實際項目應用中，采用多元化的教學方法，引入多種教學方法，如問題導向教學、案例教學、小組討論、項目實踐等。在教學中注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力?？梢酝ㄟ^開展創(chuàng)新競賽、組織創(chuàng)新實驗、設計創(chuàng)新課程等方式，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛力。也可以引入虛擬仿真實驗、實踐實習等教學手段，提高學生的實踐操作能力，使課程授課與工程師培養(yǎng)理念相結(jié)合。

在教學中引入教師承擔的科學技術研究項目，就可以將科研與教學進行融合。這樣不僅可以提升教師的專業(yè)素養(yǎng)，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的科研能力，并推動教學和科研的互動發(fā)展[5]。如研究的“單立柱桁架式全自動上下料裝置”項目是基于傳統(tǒng)數(shù)控車床，進行自動上下料功能改造，保留原有機床本體及功能，設計增加機床的自動上下料裝置。根據(jù)項目應用目標分解為三個設計任務：自動送料裝置設計、自動上下料裝置設計、與機床匹配的控制系統(tǒng)設計。項目涉及了機械設計、機械原理、數(shù)控加工與編程、電氣控制與PLC、液壓與氣壓傳動、機械制造工藝學等多門課程知識點，可以作為這些課程提供多個項目教學案例。在研究過程中，分析項目研究方案，可拓展學習機械設計、機械制造及電氣控制課程群多門課程知識點。這種融合模式有助于培養(yǎng)更多能夠應對數(shù)字化挑戰(zhàn)的人才，推動數(shù)字化戰(zhàn)略的實施。

3.5 教學考評機制創(chuàng)新

考評方式與教學過程相配合，優(yōu)化基于信息管理平臺的全程全要素考評機制。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)對課程教學目標要求，系統(tǒng)梳理各教學環(huán)節(jié)考評要求。明確每個環(huán)節(jié)的目標和評價指標，確?？荚u與教學目標相一致。構(gòu)建基于過程數(shù)據(jù)的全員、全程、全要素課程教學考核機制和能力評價方法，精準評價學生的專業(yè)創(chuàng)新能力和素質(zhì)。綜合運用隨堂練習、網(wǎng)絡測試、課內(nèi)實驗、實踐項目（含建模分析、編程求解、運行仿真、報告撰寫和匯報答辯等環(huán)節(jié)）、期末考試等考核方式，考察學生獲得解決實際問題的能力，形成了完善的課程質(zhì)量保證體系。

依托網(wǎng)絡教學平臺和數(shù)字化信息管理平臺，構(gòu)建了面向產(chǎn)出的機械類專業(yè)能力和綜合素質(zhì)評價指標體系，設置設計、制造、控制三模塊的能力要素觀測點，實現(xiàn)學生發(fā)展過程和目標達成的實時觀測與過程管理，以全面評估學生的專業(yè)能力和綜合素質(zhì)。依教學進程推進，計算每個培養(yǎng)環(huán)節(jié)的課程目標達成度并綜合計算每項畢業(yè)要求達成度指標。最后獲得每項畢業(yè)要求所有學生總體達成度指標和每位畢業(yè)生所有畢業(yè)要求達成度指標。

4 結(jié)語

為適應國家重大戰(zhàn)略及社會經(jīng)濟發(fā)展需要，“新工科”建設速度加快，我國高等教育形態(tài)需要進行及時的變革推動。首先，高校需要加強對“新工科”專業(yè)群的建設，提升教學水平和科研能力，為學生提供更好的學習環(huán)境和資源支持。其次，高校需要調(diào)整課程設置，增加與“新工科”相關的課程，培養(yǎng)學生的專業(yè)知識和實踐能力。

在智能制造背景下，數(shù)字化設計與制造自動化是機械類專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢。數(shù)字化教學技術的發(fā)展為教學體系數(shù)字化、教學模式的改革、學科差異化教學、個性化教學的實現(xiàn)提供了良好的方法和平臺，可以提高教學效率，促進學生對知識的理解掌握，形成多學科交叉融合，推動學生個性化發(fā)展，所以在“新工科”背景下，基于數(shù)字技術的機械類專業(yè)教學模式創(chuàng)新研究推廣應用具有重要的意義。