“虛實混合動力”賦能民族地方高校機械工程新工科人才培養(yǎng)的探索研究

摘 要：新工科承擔著為發(fā)展新質生產(chǎn)力培養(yǎng)急需人才的使命，在新工科背景下民族地方高校進行機械類專業(yè)建設時面臨先天不足、資源匱乏等困境。工業(yè)化與信息化的深度融合以及教育數(shù)字化的深入發(fā)展，促生了可觀的機械工程虛擬教學資源，有效彌補了民族地方高校機械類專業(yè)實體教學資源的不足。用好實體與虛擬兩種教學資源，增強兩種資源的聯(lián)動效應，匯聚虛實混合動力，實現(xiàn)虛實相濟，可為民族地方高校培養(yǎng)機械工程新工科人才提供實踐依循。

關鍵詞：民族地方高校 新工科 機械工程 教學資源

1 新工科背景下民族地方高校機械類專業(yè)建設的困境

民族地區(qū)是少數(shù)民族的集聚生活區(qū)，主要分布在西部與北部邊疆。當前，國家正在大力推動鞏固拓展脫貧攻堅成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接工作，西部大開發(fā)戰(zhàn)略將進入深化階段，產(chǎn)業(yè)轉移、轉型和升級同步發(fā)生，民族地區(qū)機械工業(yè)迎來了發(fā)展機遇期[1]。為對接區(qū)域人才需求，許多民族地區(qū)高校增設了機械工程方面的專業(yè)。吉首大學作為武陵山片區(qū)唯一的綜合性大學，為了更好的服務當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和對接區(qū)域人才需求，相繼開辦了機械設計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)，與其它民族地區(qū)高校發(fā)展機械類專業(yè)的情形類似，辦學遇到了諸多困難。

一方面，因地理、歷史原因，民族地區(qū)高校新辦機械類專業(yè)時存在先天不足。民族地區(qū)一般地處偏遠、交通不便，經(jīng)濟欠發(fā)達、產(chǎn)業(yè)單薄。民族地方高校在設立之初，往往是以培養(yǎng)少數(shù)民族教師、干部為主要目標，開辦機械類專業(yè)及其它工科專業(yè)的時間較晚。機械工程相關學科基礎不厚實，地方產(chǎn)業(yè)支持不給力，致使培養(yǎng)環(huán)節(jié)專業(yè)基礎理論知識與機械工程應用能力脫節(jié)，造成培養(yǎng)的機械類專業(yè)學生創(chuàng)新意識和工程實踐能力弱等突出問題[2]。

另一方面，在新工科深入實施的背景下[3]，民族地區(qū)高校在應對傳統(tǒng)機械專業(yè)改造工作時又備受觀念陳舊、資源匱乏的約束。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的推動下，以新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為主要特征的新經(jīng)濟已呈蔚為壯觀之勢。新工科建設必須回應產(chǎn)業(yè)所需，探索突破現(xiàn)有學科門類和專業(yè)的壁壘、重構人才培養(yǎng)模式。然而，民族地區(qū)高校機械類專業(yè)原有的課程體系很難適應智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術的快速發(fā)展，按照先前模式難以培養(yǎng)出適應未來產(chǎn)業(yè)變革的復合型、創(chuàng)新型人才。此外，新工科對先進實驗設備、師資力量、教學平臺、實踐基地的要求更高，民族地區(qū)高校探索機械類新工科專業(yè)建設受教學資源的約束將更加明顯。

工業(yè)化與信息化深度融合是中國機械工業(yè)高質量發(fā)展的重要特征，“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”催生了豐富的虛擬教學資源，為“教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動”在工程教育領域實施夯實了基礎，為破解民族地區(qū)高校培養(yǎng)機械工程新工科人才難題提供了新思路。

2 新工科教學資源的形態(tài)與特征

從廣義概念而言，教學資源涵蓋能夠促進教師教學與學生學習的全部要素，包括但不限于教學材料、支持系統(tǒng)和教學環(huán)境[4]。高等機械工程教育的根本任務是為現(xiàn)代機械工業(yè)所涵蓋的各細分領域培養(yǎng)高素質應用型人才。對機械工程類大學生而言，創(chuàng)新意識的形成和工程實踐能力的培養(yǎng)有“虛”與“實”兩種動力驅動，前者指利用信息化、虛擬現(xiàn)實、人工智能等先進技術開展理論和實驗教學，后者指傳統(tǒng)實體的實驗和實踐環(huán)節(jié)。與之相對應，機械類新工科專業(yè)教學資源可分為虛擬教學資源、實體教學資源，二者在形態(tài)與特征方面存在明顯差異。

虛擬教學資源是“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”的產(chǎn)物，是新工科專業(yè)建設的必備支撐。當前，數(shù)字技術深刻改變著人類的思維、生活、生產(chǎn)、學習方式，國家制定了《提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能行動綱要》，將優(yōu)化完善數(shù)字資源獲取渠道、豐富數(shù)字教育培訓資源內容作為主要任務與重點工程。經(jīng)過多年積累，虛擬教學資源已頗為豐富，以電子書、信息化課程、虛擬仿真實驗、虛擬教研室等新形態(tài)涌現(xiàn)。這些虛擬教學資源具有經(jīng)濟、高效、便捷的優(yōu)點，可通過資源共享、學習空間延伸等方式，擴大受益面和影響范圍，能有效彌補民族地區(qū)高校的資源劣勢，提高機械工程新工科人才的培養(yǎng)質量。

實體教學資源與高等工程教育始終相伴而行，隨著高等工程教育的發(fā)展而演變，具備鮮明的時代特征，是開展高等工程教育的基礎性資源。實體教學資源包括但不限于紙質教材、實體校內實驗室與實訓中心、校外實踐基地，實體教學資源的優(yōu)點在于可全面地表現(xiàn)工程中的真實情境。

虛擬教學資源、實體教學資源的優(yōu)點得到了業(yè)界廣泛的認可，但其缺點也表現(xiàn)明顯，前者的體驗感欠佳，后者的更新速度慢且對人力、物力、財力消耗較大。近年來，還出現(xiàn)了一些虛實結合的教學資源，如立體教材、線上線下混合式課程、數(shù)字孿生實驗，這類教學資源在保留二者優(yōu)點的同時，一定程度上克服了二者的不足之處。

3 “虛實混合動力”賦能機械工程新工科人才培養(yǎng)的路徑初探

新工科建設具有時代特征鮮明、內涵豐富、多學科交融、多主體參與等特點。在辯證而統(tǒng)一地對虛擬與實體教學資源進行比較分析的基礎上，吉首大學牢牢把握新工科本質要求和機械工程新工科人才培養(yǎng)規(guī)律，結合自身辦學資源、辦學定位及服務面向的實際，對機械設計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)進行了新工科教學改革的探索研究，制定了具有吉首大學特色的機械工程新工科人才培養(yǎng)系統(tǒng)方案，形成了如圖1所示的“虛實混合動力”賦能民族地方高校機械工程新工科人才培養(yǎng)的新模式。

3.1 以助力地方特色機械產(chǎn)業(yè)發(fā)展為宗旨，不斷完善加強應用能力培養(yǎng)的人才培養(yǎng)方案

以機械設計制造及其自動化專業(yè)為例，該專業(yè)在設立之初就結合國家戰(zhàn)略需求與中西部地區(qū)特別是武陵山片區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展需要，制訂了培養(yǎng)農(nóng)礦機械應用型人才的培養(yǎng)方案，開設了與地方產(chǎn)業(yè)相關的農(nóng)業(yè)機械學、礦山機械學等特色課程。在人才培養(yǎng)過程不斷完善培養(yǎng)方案，經(jīng)過多年的人才培養(yǎng)實踐，并綜合學校辦學定位、專業(yè)特色以及武陵山片區(qū)行（企）業(yè)的需求，對人才培養(yǎng)方案進行了三輪修訂。修訂的人才培養(yǎng)方案更加注重人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的工程應用能力培養(yǎng)，完善了各課程的教學計劃、實踐教學大綱和實踐課程的教學內容，強化專業(yè)課程的技術科學屬性，解決了專業(yè)理論與農(nóng)礦機械實踐脫節(jié)的問題，充分發(fā)揮了學校理科基礎堅實的優(yōu)勢，增設了虛擬樣機技術、數(shù)字化設計與制造等虛擬仿真與實踐的課程，創(chuàng)新了虛實結合的實踐教學新模式。新的人才培養(yǎng)方案以機械設計制造及其自動化專業(yè)綜合評價指標體系與評價辦法為基礎，并對接國家專業(yè)認證要求和行業(yè)標準。

3.2 以“立足湘西，服務武陵，領跑邊區(qū)”為指導思想，整合民族地方高校機械類專業(yè)實踐教學資源

吉首大學機械類專業(yè)在建設過程中不斷建設實習實踐平臺，建成了覆蓋機械專業(yè)所有基礎課程實驗的機械設計與制造實驗室，建立了穩(wěn)固的實踐基地，成立了省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心，依托吉首大學教務處科技實踐創(chuàng)新中心成立了以集專業(yè)學科競賽、學術交流、創(chuàng)新性項目研究等于一體的學生科技創(chuàng)新平臺——機械科技創(chuàng)新工作室，同時為了對接武陵山片區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需求成立了先進裝備輕量化與智能化研究中心。

以提升學生的工程應用能力和創(chuàng)新實踐能力為核心，緊密對接區(qū)域人才需求和行業(yè)標準，主動適應信息化、智能化的機械行業(yè)發(fā)展趨勢是衡量當前機械專業(yè)學生的主要標準?；谶@一標準，結合武陵山片區(qū)經(jīng)濟發(fā)展需求和工業(yè)基礎等方面的特點，構建了“五整合、四層次”以校內專業(yè)實驗室與校外實踐基地為主體的綜合實踐體系，既滿足了機械專業(yè)基礎課程實驗教學所需，又彰顯了“立足湘西、面向湖南、領跑邊區(qū)”人才培養(yǎng)效益?！拔逭稀奔磳⒔⒌母采w機械專業(yè)所有基礎課程實驗的機械設計與制造實驗室、武陵山片區(qū)的實踐基地、省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心、機械科技創(chuàng)新工作室、先進裝備輕量化與智能化研究中心等五類校內外實踐平臺進行資源整合，統(tǒng)一安排學生實踐內容和時間，有效利用社會資源辦學，彌補了學校機械工程實踐平臺短缺的不足，將各實踐平臺資源利用最大化。“四層次”即將整合的實踐教學平臺按照基礎型、專業(yè)型、綜合型、創(chuàng)新型分為四個層次，其中綜合型和創(chuàng)新型實踐項目所占比例超過80%，著重培養(yǎng)學生工程應用能力。

3.3 以省級“力學與工程虛擬仿真實驗教學中心”為載體，構建虛實結合的機械類專業(yè)工程應用型人才培養(yǎng)體系

省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心集成了機械裝備虛擬仿真模塊、流體力學與液壓氣壓虛擬仿真模塊、機械原理虛擬仿真模塊、機械設計虛擬仿真模塊、機械制造技術基礎虛擬仿真模塊等。采用虛擬仿真技術開展的虛擬實驗，可以節(jié)約成本，切實解決民族地方高校機械工程學生人數(shù)多與實驗設備少的矛盾，尤其是解決了農(nóng)礦機械裝備大型實驗設備資金投入大的難題。

為了充分利用省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心和傳統(tǒng)機械基礎實驗室的資源互補性，盡可能發(fā)揮兩大平臺的優(yōu)點，將具有開設實驗條件的機械基礎實驗項目，采用先虛擬實驗后實體實驗的教學模式，以提高學生實踐教學效果。而對于實驗室不具備開設的實驗項目在省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心開設虛擬實驗教學，以減小實驗條件與人才培養(yǎng)相沖突的影響。依托省級力學與工程虛擬仿真實驗中心，實現(xiàn)了虛擬仿真實驗與實體實驗、實踐教學、工程案例等方面的有機結合，有效提高了民族地方高校機械專業(yè)大學生的工程實踐應用能力。同時，通過構建“虛實結合”的人才培養(yǎng)模式，解決了民族地方高校在“時間緊、任務重”的約束條件下如何選擇機械專業(yè)新工科建設路徑的難題，緩解了辦學所需師資、場地、經(jīng)費有限的困境。

3.4 以工程應用型人才培養(yǎng)為目標，堅持“虛實混合動力”驅動的應用型人才培養(yǎng)機制

學生工程應用能力不足的原因主要是學校提供的實驗設備資金投入少、實踐教學平臺不足且沒有整合、學生參與科研和學科競賽的積極性不高等。學生作為工程應用能力培養(yǎng)的主體，具備一定的自主學習、動手實踐、創(chuàng)新設計、研究探索的能力，將學生的課程實驗、課程設計、畢業(yè)設計、課程見習、生產(chǎn)實習等固定培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的實踐應用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)整合到校內外實踐資源進行合理安排，并通過教師個人科研項目、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、機械類學科競賽項目、大學生開放性實驗項目等自由實踐項目，引導學生進行大膽的創(chuàng)新設計。

在培養(yǎng)過程中融入虛擬實踐手段，結合技術科學化的課程體系、省級力學與工程虛擬仿真實驗教學中心，采用虛擬手段對機械專業(yè)基礎實驗原理細節(jié)進行展示、對實驗設備的操作方法和安全事項進行說明，使其成為機械專業(yè)理論教學和實踐教學的重要手段。同時，利用教師科研項目、學科競賽項目、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、開放實驗項目等創(chuàng)新研究平臺資源，以吸引學生積極進行機械產(chǎn)品開發(fā)應用，以培養(yǎng)學生的工程應用能力。開發(fā)的產(chǎn)品通過實體實驗室、實踐基地，并結合力學與工程虛擬實驗平臺，在虛擬環(huán)境下對作品或產(chǎn)品進行設計評估和改進，在獲得實體實驗驗證的基礎上，到實踐基地參與制造、裝配、調試等過程，實現(xiàn)機械產(chǎn)品開發(fā)的全程實踐。學生也通過虛實結合設計的作品可用來參加機械類學科競賽或者申報專利以完成知識產(chǎn)權的轉換。

4 結語

依托四方面改造，吉首大學機械類專業(yè)形成了虛實混合動力驅動、共同賦能機械工程新工科人才培養(yǎng)的新格局，學生培養(yǎng)質量明顯提高。學生的跨學科知識結構特色鮮明，工程實踐能力突出，近三年在大學生機械創(chuàng)新設計大賽、大學生電子設計大賽、大學生先進成圖技術與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽、中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽等單科性學科競賽中表現(xiàn)出彩，在“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等綜合性學科競賽中亦表現(xiàn)出眾，獲得省級及以上獎勵百余項。在升學就業(yè)方面，一大批學生進入國防科技大學等雙一流大學深造或成長為龍頭企業(yè)的青年技術骨干。綜合利用實體與虛擬兩種教學資源，匯聚虛實混合動力，有效支持了民族地方高校機械類專業(yè)新工科建設與人才培養(yǎng)。

基金項目：湖南省新工科研究與實踐項目（20209027），吉首大學教學改革研究項目（2022JSUJGB15）。

參考文獻：

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