韓奉林 吳萬榮 云忠 趙海鳴 陳志

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.027

摘? 要? 針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械人才培養(yǎng)方案中實(shí)踐教學(xué)對(duì)創(chuàng)新等高階能力支撐不足的問題，提出由課程項(xiàng)目、學(xué)期綜合項(xiàng)目和自主課外項(xiàng)目構(gòu)成的機(jī)械創(chuàng)新人才實(shí)踐教學(xué)體系，并分別以“機(jī)械制造工藝學(xué)”“智能制造綜合實(shí)踐”和“工程項(xiàng)目實(shí)踐A（I）”為例，具體介紹三種項(xiàng)目的實(shí)施模式。

關(guān)鍵詞? 實(shí)踐教學(xué)體系；工程教育；創(chuàng)新人才；人才培養(yǎng)；課程項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：G642.44? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）14-0027-06

Practice Teaching Scheme for Training of Inno-

vative Personnel in Mechanical Engineering//HAN Fenglin， WU Wanrong， YUN Zhong， ZHAO Hai-

ming， CHEN Zhi

0? 引言

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央作出了建設(shè)制造強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略決策，2015年，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》。人才是打造制造高地、建設(shè)制造強(qiáng)國中最核心的要素[1]。雖然我國工程教育為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的人才支撐和人力資源保障[2]，但對(duì)比制造強(qiáng)國的人才需求和工程人才培養(yǎng)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，人才培養(yǎng)還不能很好地適應(yīng)《中國制造2025》提出的新要求，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力偏弱[3]。培養(yǎng)符合新時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的機(jī)械創(chuàng)新型人才，是國家對(duì)高校工程教育提出的急迫的新任務(wù)。

實(shí)踐是工程的本質(zhì)屬性，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力只有在創(chuàng)新實(shí)踐中才能得到鍛煉和培養(yǎng)[4]。在實(shí)踐中，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)知識(shí)短板，從而增強(qiáng)相應(yīng)理論課程的學(xué)習(xí)動(dòng)力，實(shí)踐是幫助學(xué)生確定學(xué)習(xí)方向的“牛鼻子”；同時(shí)，只有實(shí)踐才能真實(shí)檢驗(yàn)學(xué)生解決問題的能力，所以實(shí)踐又是檢驗(yàn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的“試金石”?？傊?，實(shí)踐是機(jī)械創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。

然而長期以來，受“工程教育科學(xué)化”理念的影響[5]，機(jī)械工程人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)以學(xué)科邏輯為中心，實(shí)踐教學(xué)只是便于理解理論課程內(nèi)容的從屬性工具。這種模式嚴(yán)重制約了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，無法適應(yīng)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略對(duì)人才的需求。

近年來，為應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)，提高高等工程人才培養(yǎng)質(zhì)量，國內(nèi)外很多高校在實(shí)踐培養(yǎng)體系構(gòu)建方面進(jìn)行了積極的探索[6]。2000年左右，麻省理工學(xué)院等高校提出CDIO（Con-

ceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作）教學(xué)理念，以從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、跨課程的方式學(xué)習(xí)工程。

2005年起，汕頭大學(xué)、燕山大學(xué)、成都信息工

程大學(xué)、中國石油大學(xué)、云南大學(xué)等高校也非常積極地應(yīng)用CDIO理念改革課程體系，并構(gòu)建與之配套

的“三級(jí)項(xiàng)目”實(shí)踐體系[7]。

歐林工學(xué)院貫徹以學(xué)生為中心（Student-Cen-tered）的理念，形成了具有革命性的特色教學(xué)模式。其中特別強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的作用，學(xué)生入校第一天就接觸工程問題，而不是在修完一年或更長的數(shù)理課程后。這些實(shí)踐往往是綜合性旳，需要學(xué)生運(yùn)用跨課程，甚至是跨學(xué)科的知識(shí)來完成。同時(shí)實(shí)踐題目很多是開放性的，讓學(xué)生不只會(huì)回答問題，更要學(xué)會(huì)如何找問題，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心社會(huì)和需求，通過工程創(chuàng)新解決人類發(fā)展所遇到的問題[8]。

為解決機(jī)械創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)與制造強(qiáng)國人才需求的失配問題，中南大學(xué)以CDIO、OBE等國際高等工程教育的先進(jìn)理念為指導(dǎo)，綜合中南大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)際條件，通過長期的教學(xué)實(shí)踐探索，建立起“課內(nèi)實(shí)踐—綜合訓(xùn)練—課外項(xiàng)目”一體化的機(jī)械創(chuàng)新人才三級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)施范式，取得了良好的效果。

1? 面向能力育成的實(shí)踐教學(xué)體系框架

1.1? 傳統(tǒng)人才培養(yǎng)方案中存在的問題

傳統(tǒng)人才培養(yǎng)方案中其實(shí)包含很多實(shí)踐環(huán)節(jié)，如課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、各類課程設(shè)計(jì)、認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)、金工實(shí)訓(xùn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。由于存在以下問題，限制了實(shí)踐教學(xué)對(duì)人才高階能力培養(yǎng)的貢獻(xiàn)。

1）實(shí)踐教學(xué)在人才培養(yǎng)體系中處于從屬位置，大多數(shù)實(shí)踐是服務(wù)于課程知識(shí)，而非服務(wù)于學(xué)生能力提升的。比如課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的主要作用是為了幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)；課程設(shè)計(jì)的主要作用是應(yīng)用配套課程知識(shí)，深化對(duì)課程理解；認(rèn)識(shí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)雖然不針對(duì)具體課程，但仍是以讓學(xué)生“知道什么”，而不是以學(xué)生“能做什么”為目標(biāo)。

2）學(xué)生在實(shí)踐中的參與度不夠，很多實(shí)踐是驗(yàn)證性、重復(fù)性的。不少實(shí)踐內(nèi)容陳舊，學(xué)生在參與已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)模板的“經(jīng)典”實(shí)踐題目時(shí)，難以做到手腦結(jié)合。比如金工實(shí)習(xí)中的“磨錘頭”“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”中的減速箱設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生往往比葫蘆畫瓢就能完成，顯然對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的支持不夠。

3）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)零零碎碎，整體性和層次性都不強(qiáng)。各種實(shí)踐之間缺乏人才能力培養(yǎng)邏輯以及知識(shí)內(nèi)容上的銜接，形成了“鐵路警察、各管一段”的情況。

1.2? 機(jī)械創(chuàng)新人才實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)成

針對(duì)以上問題，秉承回歸工程和聚焦實(shí)踐的教育理念，強(qiáng)化實(shí)踐在人才能力培養(yǎng)中的引領(lǐng)作用和出口驗(yàn)證功能，構(gòu)建圖1所示的實(shí)踐教學(xué)體系，共分為三個(gè)模塊。

1）課程項(xiàng)目。這是課程級(jí)的實(shí)踐模塊，但與傳統(tǒng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)不同，課程項(xiàng)目不再是課堂授課的附屬環(huán)節(jié)，而是將實(shí)踐貫穿課程，起到引領(lǐng)性的作用，用于支持課程核心能力的達(dá)成。

2）學(xué)期綜合項(xiàng)目。將各個(gè)課程的課程設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，形成面向課程模塊的學(xué)期綜合項(xiàng)目，實(shí)踐主題覆蓋本學(xué)期所開設(shè)的核心專業(yè)課程群的主要學(xué)習(xí)目標(biāo)，盡量讓學(xué)生能夠體會(huì)解決一個(gè)實(shí)際問題的全過程，做好課程間的銜接。

3）自主課外項(xiàng)目。充分發(fā)揮實(shí)踐的引領(lǐng)作用，增設(shè)了貫穿學(xué)期的自主課外項(xiàng)目。從學(xué)期的第一周起就向?qū)W生布置任務(wù)，讓他們?cè)谡n外自主完成一些帶有趣味性的任務(wù)。而完成這些任務(wù)又需要用到本學(xué)期即將學(xué)習(xí)的課程中的相關(guān)知識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

這三個(gè)模塊是相輔相成、相互支撐的。從教學(xué)目標(biāo)看，課程項(xiàng)目負(fù)責(zé)幫助學(xué)生獲得解決問題的子能力，學(xué)期綜合項(xiàng)目則更強(qiáng)調(diào)子能力的綜合，而自主課外項(xiàng)目則更看重創(chuàng)新、工程、探究等思維和意識(shí)的培養(yǎng)。從學(xué)習(xí)進(jìn)程看，自主課外項(xiàng)目可以在課程前發(fā)揮作用，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)生學(xué)習(xí)動(dòng)力；課程項(xiàng)目可以在課程中發(fā)揮作用，幫助學(xué)生扎實(shí)掌握知識(shí)，培養(yǎng)基本能力；學(xué)期綜合項(xiàng)目則能夠在課程結(jié)束后綜合檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

2? 通過課程項(xiàng)目牽引理論課程學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)人才培養(yǎng)模式中，專業(yè)課程也包含不少實(shí)驗(yàn)課時(shí)，但性質(zhì)往往是驗(yàn)證性或者演示性的。為此，對(duì)人才培養(yǎng)計(jì)劃中的專業(yè)主干課程進(jìn)行重塑，以系列性的實(shí)踐活動(dòng)反向影響教學(xué)內(nèi)容、順序、方法，使課程呈現(xiàn)實(shí)踐屬性，真正促使理論課程與實(shí)踐活動(dòng)互相融合、相得益彰。

下面以“機(jī)械制造工藝學(xué)”為案例說明課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施流程。

“機(jī)械制造工藝學(xué)”承擔(dān)了培養(yǎng)學(xué)生制造工藝設(shè)計(jì)與分析能力的重要任務(wù)，是機(jī)械專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生由于缺乏實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，僅靠課堂學(xué)習(xí)很難真正達(dá)到課程設(shè)定的高階學(xué)習(xí)目標(biāo)。同時(shí)課程配套的“機(jī)床剛度測試”“加工誤差統(tǒng)計(jì)分析”和“組合夾具拼裝”等實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證操作為主，并且主要支持局部知識(shí)點(diǎn)的理解，對(duì)整體工藝設(shè)計(jì)與分析能力構(gòu)建的貢獻(xiàn)有限。

因此，設(shè)計(jì)與課程理論教學(xué)并行開展的課程項(xiàng)目，讓學(xué)生能夠分組完成一個(gè)零件“工藝設(shè)計(jì)—制造監(jiān)控—質(zhì)量分析”的全流程。機(jī)械制造需要大量的軟硬件配套資源的支持才能完成，為此，聯(lián)合校外實(shí)踐基地、校內(nèi)工程訓(xùn)練中心（工訓(xùn)中心）一同參與課程項(xiàng)目，如圖2所示。實(shí)施過程如下：

1）校外實(shí)踐基地提供零件的圖紙，組織學(xué)生到裝配現(xiàn)場了解零件功能和加工要求；

2）學(xué)生分組設(shè)計(jì)零件的加工工藝，形成整套工藝文件；

3）委托校工訓(xùn)中心，完全按照工藝文件進(jìn)行加工，學(xué)生對(duì)加工過程進(jìn)行跟蹤和記錄；

4）教師組織學(xué)生檢測零件的加工質(zhì)量，并分析影響加工質(zhì)量的工藝因素；

5）學(xué)生對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，重復(fù)上述流程。

該課程項(xiàng)目具有如下特點(diǎn)：

1）真實(shí)性，設(shè)計(jì)對(duì)象反映了校外基地的真實(shí)需求，學(xué)生置身于真實(shí)加工環(huán)境，產(chǎn)品反映工藝方案的真實(shí)效果；

2）重復(fù)遞進(jìn)性，給學(xué)生成長容錯(cuò)機(jī)會(huì)，促進(jìn)其思與行的深度融合；

3）綜合性，全面涉及課程核心知識(shí)，同時(shí)還訓(xùn)練了學(xué)生設(shè)計(jì)、分析、溝通、協(xié)調(diào)等多種能力。

通過課程項(xiàng)目訓(xùn)練，不僅加深了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，還讓學(xué)生獲得了經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)與分析能力，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生探究學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流等方面的非技術(shù)能力，如圖3所示。

3? 通過學(xué)期綜合項(xiàng)目整合解決問題能力

為便于管理，學(xué)生在校的培養(yǎng)被劃分為若干課

程，每個(gè)課程只負(fù)責(zé)一部分知識(shí)的傳授和能力的培養(yǎng)。但實(shí)際工程問題往往不是一門課程能夠解決的，需要綜合運(yùn)用相關(guān)課程的內(nèi)容，因此，理論課程間的知識(shí)分裂是影響學(xué)生獲得解決問題能力的最大

障礙。

為解決此問題，將相關(guān)的課程盡量放到同一個(gè)學(xué)期，形成課程模塊，然后根據(jù)課程模塊的總體學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計(jì)能夠全面體現(xiàn)學(xué)生綜合能力的學(xué)期綜合項(xiàng)目，以檢驗(yàn)其學(xué)習(xí)成效，并幫助學(xué)生找到學(xué)習(xí)的短板，及時(shí)加以完善。

以下以“智能制造綜合實(shí)踐”模塊為例來說明學(xué)期綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施情況。“智能制造綜合實(shí)踐”開設(shè)于第6學(xué)期，同學(xué)期開設(shè)的專業(yè)核心課程包括“智能制造裝備”“智能機(jī)器人”“制造系統(tǒng)自動(dòng)化”“工業(yè)工程導(dǎo)論”等與智能制造緊密相關(guān)的課程。在此模塊中，以建成的智能制造教學(xué)生產(chǎn)線為硬件條件，開發(fā)與之配套的實(shí)踐主題，綜合反映學(xué)生智能制造系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)能力。

中南大學(xué)智能制造教學(xué)生產(chǎn)線以生產(chǎn)島的方式設(shè)計(jì)。每個(gè)生產(chǎn)島可以單獨(dú)運(yùn)行，也可構(gòu)成一個(gè)完整的生產(chǎn)線。各個(gè)工作島的設(shè)備配置不同，但都有機(jī)器人、貨倉、輸送線及加工（測量）機(jī)床等設(shè)備，如圖4所示。

為提高學(xué)生參與實(shí)踐的積極性，還設(shè)計(jì)系列趣味性的題目，以“三國系列”為例，設(shè)計(jì)“桃園三結(jié)義”“三顧茅廬”“草船借箭”“穿紅袍的是曹操”“七擒孟獲”“空城計(jì)”等題目，具體的任務(wù)描述見表1。完成這些任務(wù)需要用到電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人操作與編程、數(shù)控機(jī)床操作與編程、現(xiàn)場總線、機(jī)器視覺等多方面的知識(shí)，具有高度的綜合性。

通過學(xué)期綜合項(xiàng)目，學(xué)生能夠深切感受到課程內(nèi)容的重要性，并形成綜合各課程知識(shí)以解決復(fù)雜工程問題的能力，問題的解決也會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的信心和興趣，形成正向反饋激勵(lì)。

4? 通過自主課外項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

機(jī)械類專業(yè)課程遠(yuǎn)離生活，學(xué)生普遍缺乏對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品的感性認(rèn)識(shí)，所以在學(xué)習(xí)相關(guān)課程時(shí)的內(nèi)生動(dòng)力不足。為此，創(chuàng)設(shè)“工程項(xiàng)目實(shí)踐”系列自主課外項(xiàng)目，用以“吊起學(xué)生胃口”。這種項(xiàng)目不設(shè)固定課時(shí)，主要由學(xué)生在課外獨(dú)立完成。

這個(gè)項(xiàng)目覆蓋第1～6學(xué)期，根據(jù)學(xué)生成長階段設(shè)置了不同的主題。在前4學(xué)期，限定了選題方向，而第5和第6學(xué)期則讓學(xué)生進(jìn)入學(xué)業(yè)導(dǎo)師的科研團(tuán)隊(duì)參與實(shí)際項(xiàng)目。

前4學(xué)期的選題兼顧“三個(gè)統(tǒng)一”：

1）趣味性與專業(yè)性相統(tǒng)一，既要保證學(xué)生愿意主動(dòng)做，又要與本學(xué)期的課程相結(jié)合；

2）挑戰(zhàn)度與獲得感相統(tǒng)一，既要讓學(xué)生“跳一跳”，又要讓學(xué)生能夠獲得成就感；

3）開放性與引導(dǎo)性相統(tǒng)一，既要提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐活動(dòng)的參與度，又要確保課程教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成。具體的選題見表2。

以下將以第1學(xué)期的“機(jī)動(dòng)玩具運(yùn)動(dòng)原理分析與外觀造型”主題為例說明具體的實(shí)施過程。開課對(duì)象是剛剛?cè)雽W(xué)的新生，其專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)基本為零。因此，本模塊的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于機(jī)械專業(yè)的興趣、工程意識(shí)和自學(xué)能力。具體的做法是向?qū)W生發(fā)放機(jī)動(dòng)玩具和拆裝工具，如圖5所示，讓學(xué)生對(duì)玩具的外形進(jìn)行三維建模，并通過“拆前原理猜測—?jiǎng)邮植鸾馔婢摺治隽慵δ堋獑瘟慵コ?yàn)證”等一系列探究性活動(dòng)，對(duì)機(jī)動(dòng)玩具的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析。

以機(jī)動(dòng)玩具為切入點(diǎn)，消除了學(xué)生對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的陌生感，增強(qiáng)了對(duì)于機(jī)械專業(yè)的興趣和認(rèn)同感。同時(shí)，學(xué)生在完成項(xiàng)目時(shí)又會(huì)接觸三維曲面建模、結(jié)構(gòu)原理分析等內(nèi)容，這對(duì)后續(xù)的專業(yè)課程起到了輻射和引領(lǐng)作用，圖6給出了部分學(xué)生成果。

5? 結(jié)束語

本文介紹了中南大學(xué)機(jī)械專業(yè)在實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建方面的一些探索性做法。受益于這些實(shí)踐體系，學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力顯著增強(qiáng)，收獲感也明顯提升，因此，這些做法具有很好的推廣價(jià)值。但需要注意的是，新的實(shí)踐教學(xué)體系對(duì)教師的專業(yè)技能和教學(xué)方法都提出了更高的要求。同時(shí)，學(xué)校也需要提高實(shí)驗(yàn)室管理的靈活性，以適應(yīng)個(gè)性化實(shí)踐的需求。

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（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2020，45（3）：78-86.

項(xiàng)目來源：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“先進(jìn)制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建”（項(xiàng)目編號(hào)：2020jy033）；

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“企協(xié)同課外項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)智能制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究”（項(xiàng)目編號(hào)：202101314004）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“智能制造工程技術(shù)人員新國標(biāo)師資培訓(xùn)”（項(xiàng)目編號(hào)：202102571016）。

作者簡介：韓奉林，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化系副系主任，副教授；吳萬榮、云忠，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副院長，教授；趙海鳴，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化系系主任，教授；陳志，副教授。