基础工程教育中面向卓越工程师的“整体思维”复式教学模式的实践与探讨

黄娟 戴立玲 陈炜

【摘要】针对如何紧扣“强化培养卓越学生的工程能力和创新能力”的大目标，本文从基础工程教育课程的共性研究入手，提出并建立一种适用于基础工程教育的普适性教学模式，不受课程设置的限制。这种教学模式基于工程对象，是一种“整体思维”的复式教学模式。通过案例实践，对取得的成果进行了分析探讨和总结。

【关键词】卓越工程师 基础工程教育 整体思维 复式教学模式

【基金项目】本文章受：2013年江苏省高等教育教改研究立项课题（项目编号：2013JSJG139）和工业中心2012年国家级实验教学示范中心实践（工程训练）教学改革研究项目（项目编号：ZXJG201202）项目的支持，在此表示感谢。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）03-0251-02

本文所要解决的主要问题在于，如何紧扣“强化培养卓越学生的工程能力和创新能力”的大目标[1][2][3]，针对目前我国高等学校基础工程教育教学模式的弊端创新教学模式，变传统的“个体思维”的线性教学模式为“整体思维”的复式教学模式[4][5]。让学生在整个基础工程教学训练过程中看到每门课程、每个知识点的工程背景、学习目标，变“盲目”为“明目”，变被动为主动，变“等着喂”为主动“觅食”，从根本上解决学生的学习方法、学习动力及学习效率问题，从而主动参与到自身工程能力和創新能力培养的活动中来。

1.基础工程教育课程性质的共性研究

教学模式，是指以课堂教学、实验实践、课程设计等为教学环节，以教学方法与教学手段来保证教学内容和教学目标的贯彻执行的总和。

目前我国的基础工程教育设置有工程图学、工程力学、工程材料、机械原理、机械设计、机械制造基础等课程。为了找到一个能覆盖整个基础工程教育的普适性教学模式，本文首先对这些课程的性质共性和相关度进行了深入细致的研究分析，总结归纳如下：

（1）它们都具有系统的理论性，具有如数学、几何学、物理学、化学等基础理论的支撑。

（2）它们都具有相同的从设计到制造的系统的工程背景，且每门课程及其中每一个知识点都可以找到具体的工程对象；反过来，对于相同的一个工程对象，又可引出每一门课程的相关内容和知识点，如该产品的工程设计方法、构件的强度、刚度及压杆稳定性计算方法，设计表达及工程制图方法，生产加工与材料选择等。由此也就体现了这些课程的另一个共性，即实践性。

（3）这些课程各有本课程知识点的目的，却又互相关联、互为基础。例如：工程图学提供工程产品的建模、成型原理，解决设计思想及制造方法的分析表达及理解问题，要学习并掌握其知识点，就必须同时了解工程设计方法、生产加工与材料选择、结构的力学分析与计算等方面的知识，了解从生产到制造的全过程；机械原理与机械设计课程内容解决有关机器、机构、构件和零部件的设计方法和一般步骤，就必须同时具备工程力学与工程材料的基础知识，并会用现代的工程图方法对设计进行记录、联想、分析、表达及交流，等等。

2.基础工程教育类课程教学模式的建立

本文研究建立的教学模式是一种适用于基础工程教育的普适性教学模式，不受课程设置的限制。它基于工程对象，是一种“整体思维”的复式教学模式。它由两大过程组成一个螺旋式递进的回路。首先是一个从整体到个体的过程，一个“面-线-点”的过程，即由一个具体的工程对象（与实验、课程项目、课程设计相对应），引出整体工程概念及工程基础工程教育的整体目标，再以由此伸展从设计到制造全过程（概念设计、结构设计、力学分析、材料选择、建模成型等）多条支干，所有支干并行、但每条支干都由相应课程的知识点作为分支；第二是一个回归整体，提升掌握的过程。在这一“回归提升”的路径上，所遇到的知识点及期间的联系、工程背景和概念不再陌生，而是通过各种实验实践、项目和课程设计等手段加深、验证和升华。真正达到了“实践-理论-实践”的螺旋式上升的目的。

要执行这样的教学模式，对教师而言，启发式、互动式、项目式等教学方法是必然的手段，不必生硬刻意去求。由此而带来的教学目标及测评方法也必然不同于传统形式，而是重于过程而不苛求唯一答案；对学生而言，由顶而底的方式，使他们面对的是有着具体目标和工程背景的知识点，如果不去顺藤摸瓜，主动寻觅，动手亲验，是无法求解求知的。因此，这样的教学模式是对学生工程能力和创新能力的培养是必要而可行的。

3.案例实验

在基础工程教育系列课程中，工程图学是第一门技术基础课，往往安排在学生进入大学学习阶段的第一学期，与基础理论课程的学习同时起步。这一阶段的学生的学习方法、学习效率正处于一个从高中到大学、基础理论学习到专业学习的关键的转型期。同时，工程图学又是工程师通用的技术语言，在一个工程产品从设计创造到制造使用的全过程中，起着记录设计灵感及不断修改完善、表达沟通设计思想和创造结果的举足轻重的重大作用，因此我们选择了这门课程作为成果的切入点，并以江苏大学卓越计划教改项目为背景。

改革后的工程图学的教学内容由“制图的基本知识与基本规定”、“投影原理与画法几何基础”、“工程制图基础”、“机械图样的绘制与解读”、“计算机绘图”5大模块组成。教学环节由课堂教学-零件测绘-计算机绘图-课程设计4个环节串联。

基于“整体思维”的教学模式整体回路如下文图1所示。

①化整体为个体阶段——以一个具体的工程对象为例，该对象是本课程结束后进行的工程图学课程设计的对象——减速器。减速器是工程上一个最常用最典型的实例。围绕该对象，简介工程产品及其设计、表达、制造的全过程，以及由上而下层层引入机器、机构、部件、零件及其相互关系等机械产品的工程概念，再以组成该工程对象（即装配体）的零件为例，从典型零件的分类及零件的结构分析引出组合体（零件的主体部分）的概念，从而进入工程制图、投影原理与画法几何基础模块；在此过程中，以体-面-线-点为路线，以计算机三维建模思路为引导，辅以手工及计算机二/三维建模、手工模型小制作、模型测绘、设计小专题等“亲验式”实践环节，从而自上而下地完成了化整体为个体知识点的过程。

②由底层知识点回归提升。在回归之初，仍以减速器作为“机械图样的绘制与解读”模块的整体引入，布置学生利用假期，将其中某一指定的典型零件的零件图简化为仅有主体结构的组合体，并着手进行三维建模，从而使学生即复习了学过的知识，又能有目的的对将要学习的部分（零件的局部功能和工艺结构）进行自主预习。在这一阶段，纵向以课程设计的工程对象为主线，横向引入10个零件图与装配图的专题研读项目，并将零件测绘、计算机建模与辅助绘制、阅读零装图、金工实习、课程设计等教学环节有机融入学习阶段。到了课程设计阶段，也就到了整个课程内容的回归点。在这一环节中，组成团队分工合作，针对设计对象，在零件与装配体三维建模、零装图的尺规及计算机测绘、设计说明书的撰写与PPT答辩演讲等方面，对学生进行了全方位的检验测评。工程意识、工程能力训练不再是孤立的词汇，也为创新能力的培养奠定了基础。

4.教学模式取得的成果

本文的研究可以追溯到2002年，作为学校的16门重点课程之一，围绕国家教育部提出的创新型人才培养的大课题，开展了关于大学生创新能力培养教育训练体系的研究与实践，找到了创新能力培养的切入点——图学思维。

创新思维的培养与训练最终要有配套的教学模式。约从2006年左右开始，也就是在图学思维教学训练体系研究与实践的后期，我们同时进入了创新教学模式的研究阶段。根据学校的工科特色，紧扣“大学生工程基础教育”的主题，以工程师工程意识、工程能力及创新能力培养为目标，以工程图学这门工程基础教育的首门课程为案例，研究创新了基于“整体思维”的、用于工程基础教育的教学模式。又于2010年开始，以江苏大学关于国家教育部卓越工程师培养试点班为实验平台，经过3个学年的教学实践，印证了这个教学模式的必要性、可行性和有效性。

5.本文教学模式的创新点

（1）结合工科特色，紧扣大学生工程意识、工程能力和创新能力培养的教学目标，新创了适用于基础工程教育的基于“整体思维”的并行复式教学模式，以从整体到个体、再从个体进行回归提升的循环模式，将教学内容、实验、实习、现代设计方法及课程设计等环节有机地融为一体。

（2）将成果应用于工程图学课程教学模式。提升了工程图学课程设计的最终要求，针对工程对象，在零件与装配体三维建模、零装图的尺规及计算机测绘、设计说明书的撰写与PPT答辩演讲、团队分工合作等方面，对学生进行了全方位能力训练与测评。

6.应用情况探讨

本教学模式于2009年开始在机械模具班试点，2010年推广应用于首届卓越班（机械、车辆、流体机械共三个大班）的工程图学课程教学及课程设计，至今已应用3轮教学实践。以下两方面对应用情况进行了跟踪调查与分析：

（1）工程图学及后续机械原理与机械设计考核情况

①09、10、11级模具班的上述三门课程考核合格率分别为95%～97%，与机械大类同年级同科类考核结果相比，是成绩突出的；

②首届10级卓越班的工程图学课程考试采用单独出卷，与普通班统考试卷相比，知识面广、增加了思考与结构改进题，考核合格率为和97.6%；之后为了有所比较，11级卓越班与普通班统一试卷考核，卓越班的合格率为100%；两届卓越班机械原理及设计的考核，合格率均也都达到了100%。

（2）各种大学生科研与创新活动

2011年1月，08、09级学生在“德西杯”第一届江苏省大学生工程训练综合能力竞赛获得一等奖2个，二等奖2个， 三等奖1个，每组3名学生，其中模具专业2位学生。2011年6月在第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛获得一等奖1个，其中就有09级模具专业3位学生；第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛江苏大学选拔赛共有21人参加，有15人（卓越班10人）被选出参加2013年3月江苏省第二届大学生工程训练综合能力竞赛。

在165项江苏大学第11批有本科生、硕士生和博士生参加的科研立项资助项目中，模具09、10级有14人，卓越10级有7人获得资助；在80项推荐获批为省级立项项目中，模具09、10级有4人，机械卓越10级有3人。这个比例还是相当高的。

另外，仅对机械工程学院的调查显示，在获第五届先进制造技术比赛二等奖、无碳清洁小车（国家三等奖）、“仙林科学城”挑战杯第七届江苏省大学生创业竞赛银奖等各种奖项中，卓越10级与模具09和10级的学生也占了很大比例。

在2012年4月在第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2012）竞赛、第一届江苏大学慧鱼机械设计创新大赛以及江苏大学第六届“星光杯”课外学术科技作品竞赛等比赛中，卓越班学生都占有相当高的比例。

以上分析结果，反映本教学模式实施后，学生知识点的掌握与后续课程的知识拓展，更反映了试点班学生与同类专业学生相比，在动手能力、设计创新能力及工程综合能力方面的实力。

7.总结

我国高校的工程教育改革硕果累累，很大程度上推动了我国高等教育与现代化接轨、与人才需求接轨的进程。但总体上，我国基础工程教育教改成果的贯彻效果仍不尽人意。改革者往往注重教学体系的改革，忽略了教学模式的更新域匹配。本文研究并实践的教学模式变传统的“个体思维”线性教学模式为“整体思维”复式教学模式。首先给学生一片“森林”，让他们看见每门课程、每个知识点的工程背景、学习目标，变“被动学习”为“主动探索”，从而使我们培养的卓越人才积极参与工程能力和创新能力的培养活动中。通过10年来的实践与探索，摸索出适合我国国情、符合国际教育教学潮流的卓越人才基础工程教育复合教学模式，对我国基础工程教育起引领和示范作用。

参考文献：

[1]“真刀真枪”培养 让未来的工程师卓越起来[N].人民日报：2010年07月09日，1.

[2]王衛东. “卓越工程师教育培养计划”中工程训练教学应起的作用[EB/OL].233网校论文中心. 2011-09-02 11：26：00/2013-08-18.

[3]王浩程. 面向卓越工程师培养 构建现代工程实训平台[J]. 中国大学教育，2011年，第6期.

[4]刘泽江. 浅谈整体思维方式对中国传统文化的影响[EB/OL] .233网校论文中心，2010-11-17 14：21：00/2013-08-20.

[5]程娅静. 传统整体主义思维的哲学思考[J]. 软件：教育现代化（电子版），2012年，第8期.

作者简介：

黄娟，女，1977年生，江苏海门人，讲师，硕士，主要研究图形教育。