适应新工科建设的机电专业实践教学改革与探索

　　摘 要: 新工科重视实践型、复合型、具有创新精神的人才培养，强调工程、科学、人文等的相互交叉，意在推动专业技术与经济社会融合。创新人才的培养对实践教学提出了新的要求，机电工程专业作为典型的传统工科专业，理应跟上时代步伐。本文通过分析新工科背景下的机电专业特点与实践教学理念转变，以专业实践课程、课外学术科技创新活动、毕业设计 3 个典型的实践环节为例，逐步深入，阶段推进，重点把握学与教、实践与创新创业、产教融合，探索新工科背景下的机电专业实践教学改革的新思路和新方法。

 

　　关键词: 新工科; 实践教学; 学术科技创新活动; 毕业设计; 机电工程

 

　　0 引 言

 

　　科技创新能力是国际竞争力的主要体现，一个国家的经济实力、国防实力、民族凝聚力、综合国力，最终取决于科技水平、人才素质、创新能力; 科技进步是社会发展的内生要素。产学融合既是产业发展的产物也是推进产业发展的必然途径。追溯历史，产学融合并非新概念，教育与产业从未分离[1]。

 

　　从 20 世纪末开始，国际工程教育改革风起云涌。 “回归工程”“工程教育范式转移”“再造工程教育”等口号的提出，无不反映出创新工程教育的国际发展趋势[2-3]。在这一意义上，“新工科”的提出为工程教育的理论和实践探索提供了一个全新的视角，为机电专业未来的发展创造了更好的契机。

 

　　设计与实践课程体系是以学习实验技术理论和培养技术实践应用能力为主要功能的课程组合系统。该课程体系的建立是指根据人才培养目标和相关学科知识和能力要求，按一定比例和逻辑关系设计课程结构、课程内容和组织教育教学活动，使理论课程与实践课程间的比例达到优化组合与动态平衡。目前高校主要以传统课堂讲授为主，问题讨论和知识应用实践等环节较少; 考核方式以期末考试为主，对学生的动手能力以及创新实践能力的考核较少，导致部分高校毕业生的能力与国家和企业的要求存在一定差距，刚毕业的大学生的专业技能、实践能力、创新意识、动手能力还不能满足企业用人单位的要求，学生到企业或单位后需要较长的实践学习适应期。因此为了培养具有较强工程技术能力的“零适应期”的机电工程类专业人才，依托教育部产学合作协同育人项目，探索适合本校机电专业实践教学的产学融合的新工科建设。

 

　　1 加强实践课程的建设

 

　　在全面推进新时期工程教育改革和发展过程中，树立创新型、综合化的工程教育新理念，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业新结构，强调创新，实践[4-5]。从加强实践课程入手探索实施机电工程教育人才培养的新模式。

 

　　1. 1 启发式、引导式教学法

 

　　启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习[6]。以“学生为主体，教师为主导”，学生的学习积极性在很大程度上和教师的激励有直接关系。因此在教学中进行启发式教学，提出一些来自于企业的实际问题和同学一起探讨解决方案，一方面促进学生探索，另一方面企业也得到一些解决问题的新思路，达到合作双赢的效果。

 

　　很好地运用启发式教学方法，可以培养学生分析问题、解决问题的能力，通过问题的解决过程，激发学生的自主学习热情，提高学习兴趣，而且通过对解决问题的方法的探索，可以激发学生的创造热情，培养创新能力。

 

　　现在流行做手机 APP 的小程序开发，如果大学也专门开设一门课程来教授小程序开发会怎么样? 也许等一切准备就绪的时候可能小程序已过时了。其实把已有的知识运用好，加上一些新思路，这些问题也就迎刃而解。在这个过程中启发学生通过已学的知识，解决现有问题，创造新的成果。新的成果也可以用于新的实践教学指导书中的内容。

 

　　1. 2 理论实践一体化理实一体化

 

　　教学模式旨在使理论教学与实践教学交互进行，融为一体。① 提高理论教师的实践能力，实训教师的理论水平，培养一支高素质的师资队伍; ② 教师将理论知识融于实践教学中，让学生在学中干、干中学，在学练中理解理论知识、掌握技能，拉近教师与学生的距离，这种方式可大大激发学生学习的热忱，突出学生动手能力和专业技能的培养，充分调动和激发学生学习兴趣，学生边学边练边总结，能达到事半功倍的教学效果。经费不足的情况下，实训这块如何建设呢? 采用下面的口袋实验室建设方案。口袋实验室建设分三步走: 虚拟仿真[7-8]、单片机开发系统、机械结构设计及加工。

 

　　( 1) 虚拟仿真实验平台建设。通 过 Maplesim、 Matlab、LabVIEW 等软件的仿真实验能够实现实验平台的多元化，学生只需一台电脑可随时随地学习开发，提高同学们的研究热情和独立分析解决实际问题的能力。这些虚拟仿真技术的应用能够使学生更深入地理解课堂所学知识，为后期的研究奠定了基础。

 

　　( 2) 单片机开发。现在单片机的开发套件很多，学生可以购买相关套件，整合自己的学习时间、业余时间完成实验内容，在此基础上根据自己的想法开发新的实验内容。学生可以在自己家中、宿舍制作，不需一定要到规定的实验室在规定地点完成，有时候灵感来了，需要很快抓住。采用口袋实验室可以改变以往传统实验在规定的时间、指定地点完成规定内容的实验，实现时间、空间上的开放，更大程度拓展开发空间。

 

　　( 3) 机械结构设计及加工。机电类的学生首先学会的是绘图，学生使用 SolidEdge、SolidWorks、Inventor 等软件设计的图纸，设计好了装配在一起能否正确合理的运动还有待考究，虽然可以借助动画仿真，但真实效果如何还有待检验。当然也可以送出加工，但成本太高，通过在学院内建设共享 3D 打印机，学生就可以制作一下实物，检验一下设计的合理性。

 

　　1. 3 完善“自组织”团队学习形式

 

　　孔子云: “三人行，必有我师焉”。所谓自组织型团队，是一种新出现的组织形式，与传统的用指令和权力组织起来的团队不同，自组织团队是由一群志向和理念接近，为了共同的目标走到一起来的人主动结成的团队[9]。这些人兴趣爱好相同，相互可以弥补彼此的不足，通过这种方式能够有效提高学生实验与研究的积极性，培养同学们的团队合作意识。

 

　　1. 4 加强“能力本位”为主导

 

　　学生到大学学习想要得到的不仅只是要分数，更多地关注分数背后的东西--能力的提高。“能力本位” 其核心是从职业岗位的需要出发，确定能力目标。按照岗位群的需要，层层分解，确定从事行业所应具备的能力[10-11]。与传统的教学模式相比，“能力本位”教育具有四方面的优势: 其教学目标明确，且针对性和可操作性强; 把理论知识与实践技能训练结合起来，打破了僵化的学科课程体系; 重视学习者的学习，以学习者的学习活动为中心，注重“学”而非注重“教”; 反馈及时，评价客观。从而培养具有较强工程技术能力的“零适应期”的机电工程类专业人才。

 

　　本文从 4 个方面着手开展了机电系统设计综合实验，同时借鉴了斯坦福大学开放办学的教学经验[12]，和企业商议所拟定的题目紧跟时代发展，在初步设定实验的基础上，学生可根据自身实践，开发新实验，完善修订新的实验内容。通过开展该活动可增强学生专业技能，提高同学们的综合设计能力，创造性设计能力、培养学生对机电系统的分析设计能力，加强对专业技能知识的学习与了解。

 

　　2 鼓励学生积极参加课外科技活动，开拓新实验、新领域

 

　　“创新”这个词，最早是 1911 年由约瑟夫·熊彼特提出来的。把生产要素综合在一起，把没有做成的事情做成，就叫创新。没有人能够左右变化，唯有走在变化之前，才能赢得先机，未来的工作生活所面临的都是新问题，需要用创新精神去解决。这个过程中，创新包含的是一个链条的概念。以前的学科设置，工科、理科各要素是脱节的。现在讲创新，要把这个链条连起来。现在大数据、智能化，单一的传统工科如机械工程、电子信息是不够的，需要知识的融合，因此更需要打造从“创意—创新—创业”完整链条的创新人才培养模式。作者通过自身教学的积累，也借鉴国内外一些研究型大学的经验，组织鼓励学生在有余力的情况下积极参与课外科技活动[13]。

 

　　( 1) 建立分管部门，专职服务课外科技活动。通过学生会、团委组织成立学生科技协会，指导老师和学生共同探讨，彼此调动思维、发挥想象，积极创新，搞一些小发明、报一些项目，写一些专利和小论文，学生通过取得一些小的成就，积少成多，积累经验。

 

　　( 2) 依托科研资源与基础，鼓励学生参加学科竞赛。以科研为基础，鼓励学生运用已学知识、发挥想象，多参加全国大学生机械产品数字化设计大赛、无碳小车等创新性比赛以及互联网 + 等创业类的比赛，将自己的小制作、小发明产业化，通过商业计划书的写作，学习跨专业、跨学科的知识，鼓励横向学习。通过参加比赛实现以赛促学，学赛相辅。

 

　　( 3) 开展大创活动。2007 年教育部推出“国家大学生创新创业计划”( 大创) ，学校和学院设有本科生创新基金，积极组织学生申报从院级到国家级的大创项目。有些项目源自导师的课题，或是学生自己通过学习生活的感悟提出来，有些项目来自于企业。导师自己对基础科学研究拟定的项目，学生不太容易深入下去，因为学习者有一个知识积累过程，不能依靠短期内的拔苗助长; 而学生自拟的课题虽然和时代同步，学生也有热情，但是视野不够开阔，不能解决社会亟待解决的问题; 而和企业共同探索的一些人工智能、机器人开发的项目，既是当下研究的热点，而且学生的热情也容易调动，还能解决实际问题，激发出来的效果最好。经过多年的积累，跟踪调查，发现参加过课外科技活动的同学对专业知识的理解更深入，动手实践能力更强，思维更活跃，更善于表达自己的想法; 取得一些成果后，自信心大幅度提升。

 

　　3 完善毕业设计

 

　　高等工科院校的毕业设计是完成教学计划达到本科生培养目标的非常重要的一个环节。它通过深入实践、了解社会、完成毕业设计任务或撰写论文等诸环节，着重培养学生综合分析和解决问题的能力、独立工作能力、组织管理和社交能力; 同时，对学生的思想品德，工作态度及作风等诸方面都会有很大影响。对于增强事业心和责任感，提高毕业生综合素质具有重要意义[14]。也是真正打通实践教学的“最后一公里”的关键一步[15]。

 

　　3. 1 重视毕业设计的选题

 

　　选题的好坏直接关系到论文的学术价值和使用价值、新颖性、实用性、创新性及最终完成的难易程度。课题的工作量和难度要适当。工作量既不能过重，也不能过轻，避免选题过大、过难，要使绝大多数学生经过努力在规定的时间内能够完成。

 

　　课题类型要多样化，工作量要均衡适中，学生可以针对各自的情况选题，发挥学生的主动性和积极性，有条件的情况下最好进行师生间的双向选择，更有利于因材施教。通过产学合作，将企业的真实课题放到毕业设计中，可以充分调动学生的创新思维，多查资料，积极开动脑筋，有些项目和当今高速发展的人工智能领域紧密结合，更能促进学生和现代社会的融合。

 

　　3. 2 加强毕业设计的过程管理

 

　　加强毕业设计的管理过程，加强师生间交流沟通，切忌导师放羊式的指导方式，和学生交流太少，使学生无从下手。指导教师除了每周多和学生见面交流以外，应和企业导师共同指导交流，还应做好全程管理。

 

　　( 1) 初期检查。让学生了解毕业设计的目的、意义，考虑分析将要面临的困难及解决途径。也要让学生根据自身的兴趣爱好，就业导向选好题。做好课题的实习调研等工作，多查资料，写好开题报告。

 

　　( 2) 中期检查。课题进展有无滞后情况，设计进展如何? 存在哪些难点，给学生做出合理引导。对工作不努力、表现差达不到教学要求的学生应给予适当批评、警告、指出努力方向; 对优秀学生予以注意培养，充分发挥其积极性和潜能。

 

　　( 3) 末期检查。准备好答辩事宜，组织师生进行答辩，完成成绩评定，成绩的评定需要建立合理的评判机制[16]，条件允许的情况下，应聘请企业导师也参与答辩。答辩结束后，对毕业设计进行总结，教师需做好教学反思的过程，以便完善下一轮的毕业设计。

 

　　4 结 语

 

　　“中国制造 2025”“互联网 +”“一带一路”等国家重要战略对我国高等教育改革发展提出新的要求，传统工科专业面临新机遇、新挑战，使得“新工科”建设成为当务之急和长远之策，能否及时更新教学理念，培养具有核心能力的新人才，是适应时代发展的需要。大学是授人以渔，教学生怎么解决问题的地方。在机电专业实践类课程的教学与改革中，需注意以下几点:

 

　　( 1) 进一步加强教学内容与教学方法的改革。采取问卷调查和访谈的方式对学生的学习特征与学习需求进行认真调查和分析，结合学生的学习特点以及本专业最新技术、工程案例和企业真正需求，借助虚拟仿真技术和口袋实验室建设，提高实践动手能力。在教学中，将各种先进的教学方法有机融合，提 高 教 学效果。

 

　　( 2) 师生合力，共同参与创新创业。年青人的想法有些时候天马行空，其中有些构想肯定会成为未来发展的方向，应鼓励学生努力将这些想法付诸实现。当然这个过程是枯燥且艰难的，而且还伴随着巨大的压力，所以这个过程能够很好地培养吃苦耐劳的精神。鼓励学生多走出去多参加学科竞赛，观看别的队伍的参赛作品，增长自己创新能力。在去比赛的时候，虽然可能没有抱得一个大奖回来，但是见识了来自全国各地的参赛队伍，可以感悟“原来还可以这样设计”，也给自己增加了一些设计经验。

 

　　( 3) 校企合作，共建更高水平的实验、实训基地。通过产教融合，校企合作，把握行业发展动态，服务行业进步的需求，使传统机电专业迸发新动能，促进高等教育融入国家创新体系和新型城市化的建设，推动学科专业建设和产业转型升级相适应。力争把学生培养成为具备良好的家国情怀、工程素养、全球视野、法治意识、领导能力、实践能力，成为一个横跨工程和人文科学的领袖人物。

 

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