工程訓練課程多學科交叉項目式教學改革實踐

陳靜 朱華炳 李偉

摘? 要：為培養適應社會需求、具有解決復雜工程問題能力的高水平工程創新人才，針對目前我國大學生特點和大多數高校人才培養現狀，充分發揮高校工程訓練中心優勢，以能力達成為導向，采用多學科交叉項目式教學課程，對新工科人才培養方式進行改革，并給出實施建議，對于推動工程素質教育和創新教育改革、全面提高人才培養質量具有參考價值。

關鍵詞：工程素質教育;工程訓練課程;項目式教學;多學科交叉;復雜工程問題

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S2-0124-05

Abstract： In order to train high-level engineering innovative talents， who can meet the social needs and be able to solve the complex engineering problems， according to the current characteristics of the China college students and the personnel training status in most colleges， we should give full play to the advantages of engineering training centers in colleges. Taking ability achievement as the guidance and adopting project-driven teaching courses with multi-discipline integration， the training mode of new engineering talents is reformed， meanwhile the implementation suggestions are given. It has reference value for promoting the reform of engineering quality education and innovative education， and comprehensively improving the quality of talent training.

Keywords： engineering quality education; engineering training courses; project-driven teaching; multi-discipline integration; complex engineering problems

隨著社會的發展，越來越需要大量知識技能高超、具有解決復雜工程問題的創新型高素質工程技術人才。當前，我國高校本科人才培養教學模式創新性不足，現行專業教學中各學科封閉，傳統實踐教學與真實工業發展存在區隔，缺乏復雜工程問題教學情境，跨學科融合和多專業合作育人工作難以開展，工科學生的創新和工程實踐能力普遍不強，在交叉學科領域具有解決復雜工程問題的高水平工程創新人才的數量和質量難以滿足強國建設的現實需求[1]。

習近平總書記在2021年中央人才工作會議上發表重要講話時指出，“到2030年，適應高質量發展的人才制度體系基本形成，創新人才自主培養能力顯著提升，對世界優秀人才的吸引力明顯增強，在主要科技領域有一批領跑者，在新興前沿交叉領域有一批開拓者[2]”。培養具有創新意識、創新能力，在交叉學科領域具有解決復雜工程問題能力的高水平工程創新人才是高校人才培養的重要任務。建設多學科交叉實踐基地，開展多學科交叉項目式教學課程，將項目式教學融入新工科人才培養，使大學生在不斷的實踐中養成創新意識和解決復雜工程問題的能力是當前高校人才培養的主要改革方向[3]。

一? 開展多學科交叉項目式教學的迫切性

《全國普通高校本科教育教學質量報告（2020年度）》向高校本科教育教學工作提出大力加強學科專業交叉融合辦學的長效機制建設的建議[4]。工科高校應適應國家與社會的需求，深化教育教學改革，多樣化探索人才培養模式，培養滿足國家戰略需求的新工科人才。通過開展基于多學科交叉的項目式教學的研究與實踐，改變單一學科組織教學、單向輸入教學內容的傳統模式，能夠提高人才培養質量，更快地推進新工科建設，更好地服務國家創新驅動發展戰略。

近年來，合肥工業大學實施“人才強?！睉鹇?，充分發揮校友資源，匯聚人工智能、集成電路、先進制造等相關學科優勢，與知名企業開展深層次合作，緊密融合合肥工業大學人才培養優勢和企業實際需求培養高水平創新型人才，同時為畢業生迅速成長為行業人才打牢基礎[5]。

合肥工業大學工程素質教育中心作為學校最大的實踐教學基地，以培養學生的實踐技能和創新意識為主要目標，是具有準工業化車間的新型綜合性工程訓練中心，具有專業的教學場所、完備的教學設施、理論基礎扎實和項目實踐經驗豐富的師資隊伍[6]。工程素質教育中心積極響應國家、社會和學校的人才培養需求，在當今工業產業背景下，依托原有傳統工程訓練模塊，創新發展多學科交叉項目式工程訓練模塊，建立以機為主、機電材管結合的涵蓋多專業的工程訓練系列課程體系，打破學科之間的壁壘，創新開展多學科交叉項目式教學訓練，改變以往的以老師為主，知識技能灌輸式的教學方法，轉變為教師引導，學生主導，依托課程設置的創新項目、大學生課外科技活動、各類競賽、企業橫向課題和教師縱向課題項目等[7]，學生從項目分析、方案設計、加工制作和裝配調試等方面自主完成整個訓練過程，在公平開放、包容協作的環境里學習、體驗、運用本專業和相關專業的知識，拓展知識的深度和廣度，將實踐、科研、課程有機融合，對項目深度“挖掘”，不斷強化對工程的認知和理解，主動進行創造創新，提高學生工程素質，從而實現培養基礎知識扎實、能力卓越、具有解決復雜工程問題的創新型高素質工程技術人才的目標[8]。

二? 教學理念及實施方案

（一）? 教學理念

多學科交叉項目式教學是以學生為主導，以培養學生的實踐技能和綜合素質為教學目標，通過自行設計、自主研學、自由創造，完成一個完整的、多學科交叉的、具有實踐性的項目而進行的教學活動。依據工程訓練課程的特點，老師給出一些項目供同學選擇，如果同學有和這次教學活動相關的項目，也可以和老師商討后另行選題。本次以“能源轉換利用與演示”項目為例，結合機械工程、電氣工程、計算機應用工程、光電工程和能源與動力工程等各學科相關內容，將設計、制造、安裝、調試和測量融入實訓項目全過程，鼓勵學生大膽創新。項目以能源的轉換利用為研究目標，設計并制作一套活塞斯特林能源轉換裝置，采用活塞式斯特林發動機將熱能轉換為動能，通過直流發電機將動能轉換為電能，再通過直流電動機將電能轉化為供風扇旋轉的動能，體驗熱能（酒精燈）—動能（斯特林發動機）—電能（發電機）—動能（風扇）的能量轉化過程;采用PWM直流電機調速模塊實現風扇無極變速;采用光電測速模塊實時測量風扇轉速，監測能量轉換效率。斯特林能源轉換裝置具有結構簡單、質量輕、啟動快、振動小和噪聲低等優點。組隊方式：學生自由組隊，每組4～5人[9]?；钊固亓帜茉崔D換裝置相關模塊如圖1所示。

（二）? 實施方案

1? 增加三維工程設計軟件實訓內容，提高學生應用軟件能力

實訓課程項目開始階段，通過老師引導，學生自主學習Inventor、SolidWorks等三維設計軟件，在學習并掌握項目裝置的原理后，以小組為單位，制定整體設計方案，使用三維設計軟件完成模型搭建，并完成零件工程圖、裝配圖、仿真動畫等，制定零部件加工方案，根據現有加工設備加工出零件，完成整體裝配和調試。充分發揮學生的積極性，在項目實施中邊自主組織學習知識內容，邊動手實踐操作，邊對所學所用知識及時反思與總結，高效地提升學生操作工程軟件的技術水平，培養真正適應市場及社會需求的技術人才。使用Inventor建立的活塞斯特林能源轉換裝置三維模型如圖2所示。

2? 多學科交叉，激發學習能力、思維能力和創新能力

在全面推進工程教育改革創新的新形勢下，多學科交叉激發和提高了學生的學習能力、專業能力，滿足新工科建設提出的培養學生創造思維和創新人格的根本要求。本項目首先是與電氣工程學科交叉，采用PWM直流電機調速模塊對風扇進行調速，并設計傳統機械調速模塊進行對比，在相同的項目目標下，靈活采用不同的實現方式，訓練學生的創新思維，培養學生的創新能力?；钊固亓帜茉崔D換裝置采用的PWM調速原理如圖3（a）所示，其中，Uin為DC/DC模塊的輸入電壓，機械調速與PWM調速結構對比如圖3（b）所示。

3? 增加光電測速工藝，培養“閉環”的工程思維

采用先進的光電測量速度技術，豐富工程訓練課程內容，實現光、機、電的學科交叉。光電測速傳感器，具有非接觸、精度高、測量范圍大和靈敏度高等特點，其輸出通常為脈沖信號，然后利用單片機，可將電機轉速實時計算出來，以此反映系統的整體水平，為系統優化升級提供了指導。設置光電測速模塊測試能源轉換性能指標，與預期結果比對驗證，加深了學生對“閉環”思維的理解?；钊固亓帜茉崔D換裝置光電測速原理和實物如圖4所示。

4? 以項目的全流程為框架，培養學生解決實際問題能力

項目的實施流程由4個主要環節構成：概念環節、開發環節、執行環節和反思環節。概念環節引入項目，結合社會熱點問題，研究將熱能如何高效轉化為電能，體驗工程技術的綜合實踐，充分調動學生對工程訓練的興趣。開發環節，將項目進行工作分解，制定進度實施計劃、項目溝通計劃、項目成本管理預案和風險管理預案，以確保項目能在規定的時間和預算內達到預期目標。執行環節，在了解常見加工設備操作方法，掌握相關加工工藝基礎上，注意知識沉淀、團隊管理和風險管控，以確保項目正常進行，注重解決實際問題能力的培養。反思環節，為了能確保項目計劃的順利實施，必須時刻對項目的整體進度、資源和成本使用、風險任務及人員表現等各個方面進行評估和反思，及時采取有效的措施并作出必要的調整，引導學生回顧實施項目全流程，領會從系統到局部再到系統的設計思維。

5? 開展項目驗收，強化團隊分工協作、工程意識培養

在這個階段要審查項目的實現情況，確定達到評估要求后，整理項目成果，總結項目的經驗得失并完成信息歸檔，提升大學生的工程意識。項目驗收采用答辯的方式，學生明確分工、相互配合，答辯主要內容包括：項目背景、實施過程、遇到的關鍵問題及解決辦法、工程創新和主要收獲。答辯后進行交流總結，反思項目實施過程中的獲得的經驗和教訓，持續完善，不斷進步。

三? 多學科交叉促進能力達成

（一）? 項目式教學課程知識結構合理，有效契合了實訓目標和能力達成要求

本課程滿足國家和行業發展前沿的要求，結合不同專業的培養計劃，對活塞斯特林能源轉換裝置所涵蓋的“小項目”進行了合理劃分，堅持專業知識、能力、素質有機融合，注重提升課程水平，突出課程創新，加大課程挑戰，既有效保障課程專業教學計劃順利實施，又契合學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維養成要求。多學科交叉項目式教學課程結構見表1。

（二）? 多學科交叉激發學生主觀能動性，快速高效提升學生創新實踐能力

本課程深度變革學生的學習方式，充分調動學生的主觀能動性進行創新設計制作實踐，如使用不同的材料和加工工藝加工同一種零件，設計不同的調速模塊完成相同速度的調節，采用不同的測量方式提升測量的準確性，對系統升級優化方案提出創新的設計建議，對儲能技術整合和深化提升。學生在有限的時間內學習更多不同專業的知識，獲取實踐動手經歷和科學探究方法的機會，展現出較強的創新實踐能力。

四? 結束語

面向未來高度復雜、集成的工程技術發展趨勢，新工科教育要以激發學生求知本性、培養知識技能高超、具有解決復雜工程問題的創新型高素質工程技術人才為目標，努力創新教學理念，優化教學課程，提升培養平臺，打造全新工程教育場景。

合肥工業大學工程素質教育中心以全面創新為導向，對新工科人才培養方式進行探索，通過開展多學科交叉項目式教學，更好地發揮了工程訓練在本科人才培養中的價值與優勢，并給出實施建議，有效鍛煉了學生的自我管理能力、工程實踐能力、團結協作能力及跨學科解決復雜問題的能力[10]，提升了學生的機械設計的邏輯思維、閉環思維以及工程整體意識，在推動工程素質教育和創新教育改革、培養創新型高素質工程技術人才方面進行了積極的探索。

參考文獻：

[1] 殷增斌，袁軍堂，郝世博.機械工程+知識產權復合型創新創業人才培養的探索與實踐[J].中國大學教學，2017（8）：73-75.

[2] 習近平出席中央人才工作會議并發表重要講話[EB/OL].https：//www.gov.cn/xinwen/2021-09/28/content_5639868.htm.

[3] 李瑞瑾，李應君，林曉琴.“大眾創業、萬眾創新”背景下應用型高校學生實踐創新能力培養路徑探析——以成都大學為例[J]. 創新創業理論研究與實踐，2018（5）：110-111.

[4] 教育部發布《全國普通高校本科教育教學質量報告（2020年度）》[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gz-dt_gzdt/s5987/2 02112/t20211217_588017.html.

[5] 韓俊杰.合肥工業大學探索人才培養新模式產教零距離創新增活力[N].人民日報，2023-02-15日（12）.

[6] 朱華炳，沈鵬，李小蘊.以實訓基地為依托開展勞動教育的探索[J].中國大學教學，2022（5）：38-42.

[7] 聶晶晶.采用項目式教學模式提升教學效果——以“商業空間設計”課程為例[J].中國大學教學，2017（8）：73-75.

[8] 鄭紅偉，王偉，王明川，等.植入復雜工程問題的工程訓練實踐課程體系探索[J].實驗技術與管理，2019（4）：228-232.

[9] 霍英杰，張安，張學林.空間斯特林發電機熱頭結構設計及分析[J].宇航材料工藝，2015（1）：5-9.

[10] 付景川，李新宇，姚嵐.吉林大學創新人才培養模式探索與實踐[J].中國大學教學，2008（7）：80-82.

基金項目：安徽省重大教學研究項目“新時代工程素質教育研究與實踐探索”（2021jyxm1177）

第一作者簡介：陳靜（1986-），女，漢族，河南商丘人，碩士，工程師。研究方向為工程實踐與工程創新。

*通信作者：朱華炳（1963-），男，漢族，安徽懷寧人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為高校實踐與創新教育，機械工程應用技術。