王卿源，鄒德芳，楊姝揚(yáng)，郝瑞琴

（沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017 年2 月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，旨在培養(yǎng)一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐[1]。

機(jī)械專業(yè)是傳統(tǒng)的工科專業(yè)，在新工科建設(shè)中面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。全國各個層次高校都深刻的意識到，陳舊的課程體系和培養(yǎng)計(jì)劃已不再適應(yīng)新形勢下的人才培養(yǎng)要求，必須創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、優(yōu)化課程設(shè)置，大膽闖進(jìn)教學(xué)改革的“無人區(qū)”[2]。很多學(xué)校進(jìn)行了積極的探索。例如，天津大學(xué)“智能制造工程”專業(yè)形成了以項(xiàng)目制、模塊化和交叉性為特色的課程體系建設(shè)。以“設(shè)計(jì)與建造”課程為例，教師圍繞項(xiàng)目任務(wù)開展教學(xué)，每個小組都要拿出符合考核指標(biāo)的“物流派送小車”，不再通過期末閉卷考試評定成績，而是實(shí)行包括演講、交流、合作、實(shí)踐等在內(nèi)的全過程多維度評價[3]。長春理工大學(xué)建設(shè)了“KEEPS 發(fā)展室”制造課程智慧教室，將老師的科研項(xiàng)目外化為教學(xué)手段、內(nèi)化為教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生‘學(xué)中做’和‘做中學(xué)’，打破理論知識傳授與實(shí)踐能力培養(yǎng)的時間和空間壁壘，加速對學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 傳統(tǒng)機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

機(jī)械學(xué)科不同于數(shù)學(xué)、物理等理論性非常強(qiáng)的自然科學(xué)，機(jī)械學(xué)科具有極強(qiáng)的應(yīng)用性與實(shí)踐性，也因其這個特點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生解決工程復(fù)雜問題能力和實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)方面，機(jī)械學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程比理論課程承擔(dān)著更重要的職責(zé)。但實(shí)際現(xiàn)狀是，實(shí)驗(yàn)課沒有引起學(xué)校和學(xué)生的足夠重視，教師和學(xué)生普遍把實(shí)驗(yàn)課程看作理論課程的附屬內(nèi)容，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課無足輕重。在新工科建設(shè)中，實(shí)驗(yàn)課程有幾類問題亟待解決：實(shí)驗(yàn)課程從屬于理論課，課程內(nèi)容不成體系，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間缺乏聯(lián)系;實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容更新緩慢，落后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度;驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)較少；實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、功能單一，自主研發(fā)占比少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏獨(dú)創(chuàng)性。

2 “設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)改革路徑

實(shí)驗(yàn)課程的滯后發(fā)展已不能滿足新工科的人才培養(yǎng)要求。新工科旨在培養(yǎng)具有解決工程復(fù)雜問題能力的創(chuàng)新型卓越工程人才，這對實(shí)驗(yàn)課程提出了更高的發(fā)展要求[4]。沈陽建筑大學(xué)在新工科建設(shè)過程中做出了突破性的嘗試。沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院辦學(xué)基礎(chǔ)雄厚，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)于2018 年通過國際工程教育專業(yè)認(rèn)證，有效期6 年，同年機(jī)械工程學(xué)科入選遼寧省一流學(xué)科重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科（A 類）。我校機(jī)械工程學(xué)院具有鮮明的辦學(xué)特色，以混凝土機(jī)械、水泥機(jī)械、盾構(gòu)機(jī)械、吊裝機(jī)械、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)機(jī)械等工程裝備為教學(xué)和科研方向。沈陽建筑大學(xué)地處東北老工業(yè)基地，東北區(qū)域的工程裝備企業(yè)都面臨著傳統(tǒng)技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的迫切需求。因此，沈陽建筑大學(xué)肩負(fù)著為區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步培養(yǎng)卓越工程人才的雙重使命。在新工科建設(shè)的過程中，結(jié)合機(jī)械專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科特點(diǎn)，以本科實(shí)驗(yàn)課為切入點(diǎn)，對實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)改革，現(xiàn)已搭建起綜合實(shí)驗(yàn)課程體系框架，形成“設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)、“設(shè)計(jì)與制造”綜合實(shí)驗(yàn)、“機(jī)電液一體化”綜合實(shí)驗(yàn)等5 門單獨(dú)設(shè)課且具有工程裝備特色的綜合實(shí)驗(yàn)課程。這5 門課程獨(dú)立成課，課程內(nèi)容自成體系，有各自對應(yīng)的教學(xué)大綱。

“設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)依托齒輪減速器中的經(jīng)典模型——軸系，將“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械精度設(shè)計(jì)與測量”“機(jī)械制圖”三門機(jī)械專業(yè)核心課程的知識點(diǎn)整合凝練起來，引導(dǎo)學(xué)生以綜合性、設(shè)計(jì)性思維習(xí)慣進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)改革路徑見圖1。課程分為3 個部分：（1）階梯軸測繪、制造工藝規(guī)劃、精度測量、軸系部件設(shè)計(jì)與分析綜合實(shí)驗(yàn)；（2）齒輪測繪、制造工藝規(guī)劃、精度測量綜合實(shí)驗(yàn)；（3）典型工程機(jī)械（錘式破碎機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、雙齒輥破碎機(jī)、回轉(zhuǎn)窯等）傳動系統(tǒng)方案創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

圖1 “設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)改革路徑

3 “設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)課程特色

3.1 深化產(chǎn)教融合，突出工程裝備行業(yè)特色

新工科建設(shè)和“雙一流”建設(shè)都強(qiáng)調(diào)，不能走“千校一面”的道路。由行業(yè)高校轉(zhuǎn)型發(fā)展的地方行業(yè)高校要突出自身行業(yè)優(yōu)勢，突出辦學(xué)特色，樹立良好的行業(yè)聲譽(yù)，擴(kuò)大社會影響力，走差異化發(fā)展道路[5]。沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院以混凝土機(jī)械、水泥機(jī)械、盾構(gòu)機(jī)械、吊裝機(jī)械、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)機(jī)械等工程裝備為主要的教學(xué)和科研方向，具有鮮明的辦學(xué)特色。理論課和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛深入的產(chǎn)教融合，但實(shí)驗(yàn)課程一直是產(chǎn)教融合的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多缺乏實(shí)際工程背景，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合工程能力。我校創(chuàng)新性地將行業(yè)元素引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，構(gòu)建工程裝備行業(yè)特色鮮明的實(shí)驗(yàn)課程體系，補(bǔ)齊產(chǎn)教融合育人短板，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

以“軸系部件設(shè)計(jì)與分析”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，任務(wù)卡片中的“重載”“高速”這些工況，對學(xué)生來說只是生澀的名詞，無法映射到具體的生產(chǎn)案例上，與業(yè)界真實(shí)生產(chǎn)場景是脫節(jié)的。教學(xué)團(tuán)隊(duì)給任務(wù)卡片中的每一種抽象工況都設(shè)定了實(shí)際工程背景，如“重載、低速”的工況，對應(yīng)的是顎式破碎機(jī)偏心軸軸系。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有了實(shí)際的工程背景，之前懸浮的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到了落地，學(xué)生的綜合工程能力得到極大提升。

3.2 發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)新型實(shí)驗(yàn)臺研發(fā)

綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的順利開展，必須有與課程相匹配的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。以機(jī)械傳動實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動實(shí)驗(yàn)臺功能單一，只能測試一種傳遞形式的性能參數(shù)，而在實(shí)際生產(chǎn)中，通常是多種傳遞形式組合疊加在一起使用，因此傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺與實(shí)際生產(chǎn)場景脫節(jié)嚴(yán)重，更無法達(dá)成綜合工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

國內(nèi)開設(shè)“工程裝備”綜合實(shí)驗(yàn)的高校較少，缺乏成熟的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。因此教學(xué)團(tuán)隊(duì)與專業(yè)廠家深度合作，共同對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原創(chuàng)性?，F(xiàn)已研發(fā)了“機(jī)械傳動系統(tǒng)方案創(chuàng)意設(shè)計(jì)立體教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺”，并與企業(yè)合作生產(chǎn)出樣機(jī)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)單級與多級傳動裝置性能測試，以及典型工程裝備傳動系統(tǒng)搭建與性能測試，如錘式破碎機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、雙臥軸混凝土攪拌機(jī)等，如圖2 所示。

圖2 機(jī)械傳動系統(tǒng)方案創(chuàng)意設(shè)計(jì)立體教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺樣機(jī)

該實(shí)驗(yàn)臺是一種模塊化、多功能、開放式、具有行業(yè)特色的新型機(jī)械傳動綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要由動力模塊（庫）、傳動模塊（庫）、典型工程裝備模塊（庫）、支承聯(lián)結(jié)及調(diào)節(jié)模塊（庫）、測試模塊（庫）等部分組成，通過對各模塊（庫）的選擇和裝配搭接功能完善，不但可以實(shí)現(xiàn)單級與多級傳動裝置性能測試，還能夠完成錘式破碎機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、雙臥軸混凝土攪拌機(jī)等典型工程裝備傳動系統(tǒng)搭建與性能測試的綜合實(shí)驗(yàn)。同時該實(shí)驗(yàn)臺配備了在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)對實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識、實(shí)驗(yàn)臺的具體操作和實(shí)驗(yàn)的考核進(jìn)行全方位的輔助教學(xué)與效果跟蹤。

圍繞該實(shí)驗(yàn)臺，現(xiàn)已搭建起難度遞進(jìn)式的課程體系，包括典型工程裝備構(gòu)造認(rèn)知實(shí)驗(yàn)（感知型），軸系零件結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)型），軸系結(jié)構(gòu)創(chuàng)意組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)綜合型）、機(jī)械傳動系統(tǒng)性能方案比較與研究實(shí)驗(yàn)（研究型）。教學(xué)團(tuán)隊(duì)和企業(yè)發(fā)揮“教”和“產(chǎn)”的各自優(yōu)勢，讓教師對實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)想落地生根，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，鍛煉學(xué)生的綜合能力。

3.3 搭建突出工程裝備行業(yè)特色的綜合實(shí)驗(yàn)課程體系

優(yōu)化課程設(shè)置，形成綜合性強(qiáng)、知識點(diǎn)集成度高的課程體系。以階梯軸為例，階梯軸實(shí)際生產(chǎn)流程主要有設(shè)計(jì)、制圖、制造、精度檢測四個步驟，這四部分內(nèi)容分散在“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制圖”“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”“機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測基礎(chǔ)”等多門機(jī)械專業(yè)主干課當(dāng)中，學(xué)生很難站在全局的視角上將這些知識點(diǎn)串聯(lián)起來?！霸O(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)，以厚通識、寬口徑為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將階梯軸上承載的知識點(diǎn)整合起來[6]。作為一個綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，掌握典型零件設(shè)計(jì)制造的全周期流程，并能夠舉一反三，以零件生產(chǎn)全周期流程的思路對其他零件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

3.4 改良教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和終生學(xué)習(xí)精神

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，促使不同學(xué)科交流碰撞，催生出大量新知識和新技術(shù)。但哪些學(xué)科會碰撞在一起，產(chǎn)生什么樣的知識，這是無法預(yù)知的。學(xué)生在課堂上學(xué)到的知識可能遠(yuǎn)不能支持他們將來在工作崗位上的需求，學(xué)生必須具備終生學(xué)習(xí)的精神和能力。因此以知識傳授為本位的傳統(tǒng)課堂已不再適應(yīng)新時代對人才的要求，需要形成以能力培養(yǎng)為本位的新型教學(xué)模式。“設(shè)計(jì)與測量”團(tuán)隊(duì)教師引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，自主分析各類典型工程裝備的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動傳遞路線等知識點(diǎn)，并進(jìn)行簡短匯報。以學(xué)生的“獨(dú)立思考”代替教師的“侃侃而談”，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主思考、主動學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)的能力。

4 教學(xué)改革思路

4.1 推進(jìn)產(chǎn)教融合、促進(jìn)校企協(xié)同育人

將國內(nèi)工程裝備企業(yè)前沿的技術(shù)和最優(yōu)秀的工程師等資源以各種形式引進(jìn)學(xué)校，帶入課堂。探索產(chǎn)教深度融合的長效機(jī)制，與企業(yè)協(xié)同探索面向新工科的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式[7]。充分發(fā)揮“產(chǎn)”和“教”的各自優(yōu)勢，打造校企深度融合跨學(xué)科創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺，推進(jìn)構(gòu)建互動互聯(lián)、共建共享的教育新生態(tài)。

4.2 優(yōu)化課程設(shè)置，形成階梯式實(shí)驗(yàn)課程體系

在課程體系框架的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化課程設(shè)置，逐步形成綜合性強(qiáng)、知識點(diǎn)集成度高的課程體系。以典型機(jī)械零件為載體，打破課程間壁壘，按照其實(shí)際生產(chǎn)流程整合課程內(nèi)容，形成以新工科理念為引領(lǐng)、具有鮮明行業(yè)特色的綜合實(shí)驗(yàn)課程體系。

同時，增添新生課程引導(dǎo)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，形成階梯式課程體系。傳統(tǒng)工科課程體系是，學(xué)生大一和大二年級先要學(xué)習(xí)“高等數(shù)學(xué)”“畫法幾何”“理論力學(xué)”“機(jī)械原理”等基礎(chǔ)性課程，到了大三年級才開始接觸專業(yè)課程。這樣的課程設(shè)置造成學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)的時間點(diǎn)較晚，不利于學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的形成。階梯式實(shí)驗(yàn)課程體系的設(shè)想是，在大一學(xué)年設(shè)置新生認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)課開課之前，自主進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索，為大三學(xué)年的專業(yè)課做好先期準(zhǔn)備。

4.3 以新工科育人理念為引領(lǐng)，注重學(xué)生非技術(shù)能力培養(yǎng)

工業(yè)4.0 的蓬勃發(fā)展對工科人才的能力和素養(yǎng)都提出了新的要求。新一代工程師不但要恪守工程倫理，勇挑職業(yè)擔(dān)當(dāng)，更要培養(yǎng)家國情懷、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、批判性思維和團(tuán)隊(duì)合作的意識，以及養(yǎng)成自主終生學(xué)習(xí)習(xí)慣。新工科建設(shè)旨在培養(yǎng)一批擁有專業(yè)能力和綜合工程素質(zhì)的新型工科人才，因此學(xué)生非技術(shù)能力的培養(yǎng)也是其中重要的內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)課程不但要教書，更要育人。綜合實(shí)驗(yàn)系列課程改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容雜亂分散的狀態(tài)，課程內(nèi)容逐步形成體系。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程缺乏典型工程案例，課程思政的開展更是缺乏抓手?！霸O(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)以典型工程裝備機(jī)械為依托，以其核心部件的實(shí)際生產(chǎn)全周期為主線開展教學(xué)，這種教學(xué)模式可以更好的承載思政元素，達(dá)到潤物無聲的育人效果。深度挖掘知識點(diǎn)蘊(yùn)含的思政元素，同時結(jié)合學(xué)生普遍的性格特點(diǎn)、認(rèn)知特點(diǎn)和興趣愛好，深入淺出、觸類旁通地引導(dǎo)學(xué)生感受機(jī)械之美、大國重器的精良、大國工匠的風(fēng)范。

4.4 探索產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、課賽結(jié)合的人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)

新工科的教學(xué)理念是，認(rèn)為工程的本質(zhì)是“造物”，提倡學(xué)生在“做中學(xué)”。在如今知識爆炸的時代，需要培養(yǎng)學(xué)生對知識活學(xué)活用的能力，這個前提是需要先知道解決什么樣的問題。在工程實(shí)踐中拋開專業(yè)壁壘，需要做什么就學(xué)什么；在學(xué)知識的同時，也要考慮如何應(yīng)用[8]。學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)的重要途徑，學(xué)生在完成比賽命題的過程中，逐步建立起做工程的感覺。通過綜合實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，逐步建立起課賽結(jié)合的人才培養(yǎng)模式。產(chǎn)學(xué)研融合也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要方式，現(xiàn)如今產(chǎn)學(xué)研在實(shí)驗(yàn)課程上的融合還非常有限，通過綜合實(shí)驗(yàn)建設(shè)的不斷推進(jìn)，在課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教材編寫方面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研更深入全面的結(jié)合。

5 結(jié)語

在綜合實(shí)驗(yàn)的改革探索中，“設(shè)計(jì)與測量”綜合實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了工程裝備行業(yè)特色鮮明、綜合性強(qiáng)、知識點(diǎn)集成度高的綜合實(shí)驗(yàn)課程體系，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)具有綜合工程能力的創(chuàng)新型卓越工程人才的教學(xué)目標(biāo)；發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢，研發(fā)了與“工程裝備”綜合實(shí)驗(yàn)相匹配的新型實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原創(chuàng)性。經(jīng)過3 年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在課設(shè)、畢設(shè)環(huán)節(jié)中的綜合應(yīng)用能力有了一定提升，綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。