劉瑩 閻紹澤 殷皓

摘 要：為培養(yǎng)適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，清華大學(xué)設(shè)立了機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)班，并基于“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”核心課程，開展了校內(nèi)外協(xié)同育人模式的構(gòu)建與實(shí)踐。本文對(duì)這一模式的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)、校外實(shí)踐基地建設(shè)、校內(nèi)外指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)等進(jìn)行總結(jié)，為機(jī)械工程專業(yè)新工科建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科建設(shè);校內(nèi)外協(xié)同育人;工程教育;卓越工程人才培養(yǎng)

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)正加速推進(jìn)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，迫切需要培養(yǎng)一大批創(chuàng)新型卓越工程科技人才[1]。2017年，麻省理工學(xué)院（MIT）提出了“新工程教育”計(jì)劃（NEET），旨在為21世紀(jì)中期培養(yǎng)建造新機(jī)器和系統(tǒng)的卓越科技人才[2]。我國(guó)于2017年先后推出“新工科”建設(shè)的“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，旨在建立中國(guó)工程教育的新范式，營(yíng)造開放的教育生態(tài)，鼓勵(lì)多學(xué)科交叉融合、產(chǎn)學(xué)/校企深度融合，發(fā)揮體制優(yōu)勢(shì)，打造全鏈條的個(gè)性化培養(yǎng)方案，支撐“面向未來工程人才培養(yǎng)”[3]。高校新工科建設(shè)理論研究與實(shí)踐探索為我國(guó)工程教育改革和卓越工程人才培養(yǎng)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指南。然而，新工科建設(shè)要取得真正的成效，仍需要高校每門課程的具體設(shè)計(jì)與實(shí)施。本文以清華大學(xué)機(jī)械工程系重點(diǎn)建設(shè)的“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”核心課程為例，系統(tǒng)闡述新工科背景下校內(nèi)外協(xié)同育人教學(xué)模式的構(gòu)建，為機(jī)械工程專業(yè)實(shí)踐課程改革提供借鑒和參考。

一、“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”教學(xué)目標(biāo)

為培養(yǎng)適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，清華大學(xué)開展了機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)方案的改革，專門將一個(gè)班作為實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行教學(xué)改革試點(diǎn)。面向機(jī)械工程發(fā)展的未來，致力于培養(yǎng)具有扎實(shí)科學(xué)理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新精神、國(guó)際視野和系統(tǒng)性思維，具備綜合應(yīng)用機(jī)械領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科的理論與方法解決未來重大科學(xué)問題和工程挑戰(zhàn)的引領(lǐng)人才。

過去，機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課程的主要教學(xué)內(nèi)容是：學(xué)生按照教師給出的題目開展設(shè)計(jì)實(shí)踐，繪制裝配圖和零部件圖，撰寫設(shè)計(jì)說明書。這一傳統(tǒng)教學(xué)模式屬于“紙上談兵”，割裂了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的聯(lián)系，忽視了對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的訓(xùn)練，缺乏探究性實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，很難培養(yǎng)出面向新工科的、具有鮮明機(jī)械工程特色的高水平創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。為了適應(yīng)新工科建設(shè)的需要，我們開設(shè)了“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程。該課程是實(shí)驗(yàn)班培養(yǎng)方案中重點(diǎn)建設(shè)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐類課程，安排在學(xué)生修完機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)基礎(chǔ)課程后進(jìn)行。

依據(jù)“創(chuàng)新教育模式、激發(fā)學(xué)術(shù)志趣、提高培養(yǎng)質(zhì)量”，以及價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授的“三位一體”的培養(yǎng)理念，我們提出了“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程的教學(xué)目標(biāo)：綜合利用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和工程材料等多學(xué)科知識(shí)，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，設(shè)計(jì)并制造一臺(tái)真實(shí)的產(chǎn)品原型機(jī);開展樣機(jī)性能測(cè)試，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。以“真實(shí)產(chǎn)品原型”為對(duì)象，就是引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)的同時(shí)，關(guān)注人類社會(huì)生存與發(fā)展問題，結(jié)合工程實(shí)際需求，在設(shè)計(jì)與制造過程中解決遇到的各種挑戰(zhàn)，掌握面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的多學(xué)科交叉融合知識(shí)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造能力。

二、“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”校內(nèi)外協(xié)同育人教學(xué)模式

目前，我國(guó)工程專業(yè)的多數(shù)教師缺乏工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和對(duì)現(xiàn)代企業(yè)高端裝備的了解，難以滿足指導(dǎo)學(xué)生在新工科背景下開展機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)的需求。同時(shí)，現(xiàn)有實(shí)踐課程體系中缺乏學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)的場(chǎng)所，校內(nèi)外協(xié)同育人的力度不夠，導(dǎo)致學(xué)生工程化設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練水平不足。為了解決上述問題，我們探索實(shí)施了“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”校內(nèi)外協(xié)同育人模式。

1.建設(shè)校外實(shí)踐基地

通過對(duì)北京周邊地區(qū)從事產(chǎn)品研發(fā)的企事業(yè)單位調(diào)研，并考慮協(xié)同育人的可能性，我們最終選定中國(guó)科學(xué)技術(shù)館作為校內(nèi)外協(xié)同育人實(shí)踐基地。中國(guó)科學(xué)技術(shù)館是我國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)綜合性科技館，是實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，提高全民科學(xué)素質(zhì)的大型科普基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著從原始機(jī)械到現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的“科普物理樣機(jī)”研發(fā)工作，中國(guó)科學(xué)技術(shù)館有多位實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)工程師。

學(xué)生通過在中國(guó)科學(xué)技術(shù)館參觀學(xué)習(xí)科普展品以及與科技館工作人員交流，了解科普展品物理樣機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)度，了解機(jī)械工程發(fā)展歷史，并受到科學(xué)精神、科學(xué)思想和方法的熏陶。因此，“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程具有更加開放的學(xué)習(xí)模式。開放的學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)了學(xué)生多維互動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生與各種角色人員的交流溝通能力，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2.組建校內(nèi)外指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)

“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程是清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)館的“共建”課程。指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)由清華大學(xué)教師和中國(guó)科學(xué)技術(shù)館內(nèi)專業(yè)技術(shù)人員組成，校內(nèi)支撐平臺(tái)是清華大學(xué)機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心及清華大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)館展品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐基地，校內(nèi)指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)由講授機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造和工藝課程的機(jī)械工程系、工程訓(xùn)練中心的教師組成。通過“共建”，中國(guó)科學(xué)技術(shù)館為學(xué)生提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求調(diào)研的場(chǎng)所和對(duì)象;館內(nèi)專業(yè)技術(shù)人員全程參與指導(dǎo)，使學(xué)生了解工程實(shí)際需求，真實(shí)融入產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)的情景中，使學(xué)生實(shí)踐成果真正受到“用戶需求”的最終檢驗(yàn)，獲得競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的真實(shí)體驗(yàn)。

在課程教學(xué)中，校內(nèi)外指導(dǎo)教師分工明確。校內(nèi)教師指導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中的設(shè)計(jì)進(jìn)度，傳授設(shè)計(jì)方法，對(duì)技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)中的難點(diǎn)“答疑解惑”，指導(dǎo)學(xué)生加工制造零部件和裝配調(diào)試整機(jī)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)館指導(dǎo)教師對(duì)科技館原型機(jī)展品設(shè)計(jì)非常熟悉，十分了解機(jī)械科技發(fā)展史，尤其是不同歷史時(shí)期及當(dāng)今機(jī)械科技的核心創(chuàng)新之處，可以啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐。

三、“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”教學(xué)設(shè)計(jì)

“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程4學(xué)分，在學(xué)生修完機(jī)械制圖、工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)基礎(chǔ)課后安排進(jìn)行。根據(jù)學(xué)生的興趣成立若干小組，每個(gè)小組有4～5人。

“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程的設(shè)計(jì)載體是科普展品物理樣機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此，在課程內(nèi)容設(shè)置上，我們建立了機(jī)械學(xué)科內(nèi)的知識(shí)“縱向融合”以及與其他學(xué)科知識(shí)“橫向融合”相結(jié)合的課程內(nèi)容體系（見圖1）。學(xué)科內(nèi)知識(shí)主要涉及學(xué)生前修課程，如機(jī)械制圖、工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、測(cè)控技術(shù)等。由于是具體展品物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)，相關(guān)工作必然涉及其他學(xué)科知識(shí)，如管理學(xué)（設(shè)計(jì)過程管理、成本預(yù)測(cè)等）、設(shè)計(jì)方法學(xué)（人因工程、可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境友好設(shè)計(jì)理念）及社會(huì)科學(xué)（美學(xué)、心理學(xué)等），這就要求學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中開展自主學(xué)習(xí)，并靈活應(yīng)用相關(guān)知識(shí)。

下面介紹“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”教學(xué)設(shè)計(jì)中的具體改革舉措。

（1）選題。根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)館展品設(shè)計(jì)研發(fā)主題，由學(xué)生通過對(duì)館內(nèi)觀眾及科技館展品設(shè)計(jì)中心專業(yè)技術(shù)人員廣泛調(diào)研后自主選擇，通過中國(guó)科學(xué)技術(shù)館專家委員會(huì)的答辯審核后立項(xiàng)，并確定設(shè)計(jì)小組的選題。最終“展品物理樣機(jī)”還要經(jīng)過中國(guó)科學(xué)技術(shù)館的專家驗(yàn)收評(píng)審。

（2）專題講座。為使學(xué)生在科學(xué)方法指導(dǎo)下，順利完成調(diào)研、立項(xiàng)、結(jié)題等各環(huán)節(jié)工作，我們?cè)谡n程中為學(xué)生安排了相應(yīng)的專題講座。例如，在用戶調(diào)查環(huán)節(jié)，請(qǐng)中國(guó)科學(xué)技術(shù)館專家開設(shè)講座，以豐富的實(shí)例，講解調(diào)查問卷設(shè)計(jì)的目的、方法及技巧、調(diào)研過程中對(duì)不同受訪對(duì)象的交流技巧、調(diào)研結(jié)果的科學(xué)分析與歸納方法等。

（3）設(shè)計(jì)小組同學(xué)間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。本課程要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作形式，完成展品設(shè)計(jì)中的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、小組研討、階段成果匯報(bào)及最終的作品展示。因此，我們?cè)诮虒W(xué)中引入管理學(xué)中有關(guān)團(tuán)隊(duì)建設(shè)的科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生明確團(tuán)隊(duì)成員角色及任務(wù)，制訂團(tuán)隊(duì)工作計(jì)劃，建立團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)日志，增強(qiáng)團(tuán)員之間的溝通與交流技巧等。通過學(xué)生探究性學(xué)習(xí)和實(shí)踐，有序推進(jìn)設(shè)計(jì)工作。例如，學(xué)生在設(shè)計(jì)直流發(fā)電裝置時(shí)，根據(jù)理論分析和計(jì)算完成了發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)制作。但是，發(fā)電裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)并沒有達(dá)到預(yù)期輸出電壓，學(xué)生小組反復(fù)核算，均未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題。針對(duì)這一情況，指導(dǎo)教師與同學(xué)們共同研究分析，并逐項(xiàng)對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料等進(jìn)行檢查，最終發(fā)現(xiàn)，由于換向器使用了鋁合金材料，其表面氧化形成的三氧化二鋁影響了其導(dǎo)電性能。于是，通過更換導(dǎo)電性更好的材料后，裝置性能得到了改善。通過親身實(shí)踐、自主學(xué)習(xí)和探究，學(xué)生們不僅掌握了科學(xué)解決問題的一般思路，重要的是形成了在團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)中獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

（4）校園外的開放式學(xué)習(xí)。本課程教學(xué)要求學(xué)生走出校門，接觸真實(shí)的社會(huì)，學(xué)會(huì)與各類不同角色人員進(jìn)行互動(dòng)及溝通。以設(shè)計(jì)人體耳蝸模型為例。該展品旨在通過使觀眾了解耳蝸構(gòu)造與聲音獲取的工作原理，提醒觀眾關(guān)注噪聲污染，保護(hù)聽力。作為機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生，他們對(duì)耳蝸構(gòu)造及傳聲原理缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另外，針對(duì)科普展品趣味性、互動(dòng)性的需求，如何形象生動(dòng)地表現(xiàn)耳蝸構(gòu)造中對(duì)不同頻段聲音的處理原理，也是展品設(shè)計(jì)過程中的難題。于是，學(xué)生通過走訪耳科醫(yī)生、查閱相關(guān)書籍等，獲取了耳蝸相關(guān)知識(shí)，經(jīng)過師生間反復(fù)研究和論證，最終提出了用看得見的“光”的強(qiáng)弱反映看不見的“聲音”的頻率，取得了良好的效果。

在展品物理樣機(jī)制作過程中，學(xué)生還需要針對(duì)展品零部件的可獲得性、可制造性等，與供貨商、制造商進(jìn)行溝通和交流。在制造、安裝和調(diào)試階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生深入到制造車間，與工人師傅與技術(shù)人員近距離接觸，更真切地體會(huì)設(shè)計(jì)與制造之間的關(guān)系、理論與實(shí)踐之間的差距。

這些訓(xùn)練環(huán)節(jié)改變了傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式和封閉式訓(xùn)練模式。學(xué)生通過與客戶、供貨商、制造商和專家學(xué)者的多維互動(dòng)，自覺發(fā)揮了他們的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提升了自身的溝通與交流能力，學(xué)會(huì)了從事設(shè)計(jì)工作的科學(xué)方法，鍛煉了獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。校內(nèi)外協(xié)同育人模式不僅有助于學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)理念，也使學(xué)生受到工程文化素質(zhì)教育，培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任感。

（5）考核評(píng)價(jià)。本課程考核以學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過程中綜合能力的養(yǎng)成為主要依據(jù)，建立了多元考核的過程評(píng)價(jià)方法，學(xué)生成績(jī)由5個(gè)部分組成：開題報(bào)告占總成績(jī)的15%，按小組開題報(bào)告水平評(píng)定成績(jī);設(shè)計(jì)資料，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書、施工圖紙、源程序等成績(jī)，占總成績(jī)的40%，分別評(píng)定小組成員的成績(jī);制作環(huán)節(jié)及性能調(diào)試工作，占總成績(jī)的20%，分別評(píng)定小組成員的成績(jī);成果提交答辯、演示、專利撰寫，占總成績(jī)的15%，按小組給成績(jī);課外出勤及討論情況，占總成績(jī)的10%，成員分別給成績(jī)（包括學(xué)生之間的互評(píng)）。

過程性評(píng)價(jià)關(guān)注學(xué)習(xí)過程和非預(yù)期結(jié)果，是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)態(tài)度、過程和效果進(jìn)行的三位一體評(píng)價(jià)方法[4]。教學(xué)實(shí)踐表明，這種評(píng)價(jià)方法注重學(xué)生的成長(zhǎng)過程，增強(qiáng)了學(xué)生勇于嘗試、敢于創(chuàng)新的意識(shí)，比較適合“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程的開放式教學(xué)模式。

四、“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”教學(xué)效果

本課程基于科普展品物理樣機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造，歷經(jīng)四年教學(xué)實(shí)踐，以培養(yǎng)未來引領(lǐng)式產(chǎn)業(yè)人才為目標(biāo)，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，使學(xué)生受到系統(tǒng)的工程思維與實(shí)踐的訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生工程專業(yè)能力和工程文化素養(yǎng)，拓展了學(xué)生工程視野。

本課程構(gòu)建了多學(xué)科交叉與融合、多維互動(dòng)開放式實(shí)踐教學(xué)模式，架起了學(xué)校與產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，建立了基于新工科的產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐課程校內(nèi)外協(xié)同育人模式。不僅取得了良好的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)成效，獲得清華大學(xué)本科生精品課程榮譽(yù)稱號(hào)，而且也為中國(guó)科學(xué)技術(shù)館科普展品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新途徑，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同育人的互贏。

“產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程校內(nèi)外協(xié)同育人模式對(duì)任課教師的教學(xué)與科研綜合能力提出了挑戰(zhàn)。指導(dǎo)教師不但需要投入較大的精力引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的科研方法與工程實(shí)踐過程，還需要不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)，拓展和更新自身的知識(shí)體系以適應(yīng)多學(xué)科交叉融合的科普展品創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。因此，需通過組織高水平的教師團(tuán)隊(duì)，并制定專門的教師業(yè)績(jī)考核機(jī)制，以保證此類實(shí)踐課程新教學(xué)模式的實(shí)施與可持續(xù)發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：夏魯惠]