基于新工科的知识、能力、实践、创新一体化培养教学模式探讨

孙康宁　于化东　梁延德

摘 要：如何加快知识向能力转化，是大学教学研究面临的重大问题。传统的课堂教学和工程实践训练过程相互分离，流水线式教学模式很难打通知识与能力之间的界面障碍，不利于促进知识向能力的转化。为此，本文对“工程材料与机械制造基础”系列课程体系、基本要求进行重构，提出将知识、能力、实践、创新（KAPI）一体化培养的教学方式，并进行了初步实践。相关研究工作作为重要组成部分，获得了2018年国家级教学成果一等奖。

关键词：新工科;一体化培养;教学方式改革;工程材料与机械制造基础;工程训练

一、引信

众所周知，相较于传统工科，新工科内涵、理念、模式、内容、方法、范式等已发生巨大变化。毫无疑问，新工科的出现是对现有工程教育教学的一种改革，也是我国高等工程教育实现变道超车的极好机遇[1-5]。在新工科研究中我们发现，人才培养理念、模式、教学方法的改革比起教学内容的更新更值得关注。传统的人才培养模式和教学方式被比喻为“流水线”模式，人才培养是按标准化、流水线批量推出，教学方法也是如此。例如，课堂教学由授课老师逐次講授、授课内容依次推进，而后进行考

试;工程实践训练同样是按项目逐个训练，依次完成，而后考核。这种分散独立的教学方式和相互缺少紧密关联的培养模式，很难使学生从一个个相对孤立的知识点中形成明确的学习目的，单个知识点和技能训练也很难在整体上实现知识向能力有效转变，从而达到“能力叠加”[6]的目的。

为解决上述问题，我们根据课程的特点和新工科要求，提出了将知识（Knowledge）、能力（Ability）、实践（Practice）、创新（Innovation）（简称KAPI）一体化培养的教学方式，以体现理论与实践的融合、各种能力之间的叠加，最终加快知识向能力的转化。具体的思路与方法是：

（1）基于新工科、新经济要求，按照产品制造流程“选材—材料成形（获得形状）—机械加工（获得精确尺寸和精度）—材料改性（获得性能）—安装调试（获得产品）”逻辑关系，构建课程知识体系，遴选课程知识点和核心知识点（不可或缺的知识点），加强知识点之间的关联，使知识形成一个有机整体。

（2）基于知识体系构建能力要求体系，按照学以致用的观点，助力专业认证考虑，在知识与能力之间建立明确的对应关系。

（3）基于课程核心知识点和能力要求点设计知识、能力、实践、创新（KAPI）一体化训练项目（产品），将知识点、能力要求、实践和创新训练要求整体嵌入一体化训练项目，构建一种新的、统一的知识、能力、实践、创新、竞赛教学载体。以探索一种新的教学模式或方法。

（4）项目（产品）设计由资深教师与企业技术人员合作完成，具有真实性、灵活性、实用性、可创新性。项目训练（知识的获取、各种设计、制作、创新）在课程任课教师和工程训练指导教师共同指导下完成，其中知识点的学习可以在做中学，也可以自主学习或在线（MOOC）学习，时间长度为“课程学时+工程实践训练学时+部分课余时间”。

鉴于知识点和能力点已嵌入项目（产品）各个环节，项目的高质量顺利完成，这意味着对知识、实践能力、解决复杂问题的能力、创新能力的把握。因此，考核将不再对课程进行单独理论考试，只重点审查产品（实物）的功能实现情况、产品制造情况，答辩考查各种综合能力的形成情况。

二、课程知识体系与能力要求体系的构建

在教育部高等学校机械基础课程教学指导委员会领导下，项目组围绕课程存在的问题与现状，在国内外广泛开展调查研究。我们基于顶层设计、协同创新解决问题的思路，构建了系列课程知识体系、能力要求体系和新的教学基本要求[7]。课程知识体系和能力要求体系是按照产品制造流程的逻辑关系构建而成，目的是以课程体系引领串接一体化改革与实践。其中，2018年项目组根据新工科对教学内容的要求，重点补充了智能制造、大数据、物联网、3D打印、材料加工成型新技术等新的制造基础知识。

该知识体系共汇集工程材料、材料改性、材料成形、机械加工工艺、先进制造技术、机械制造实习等课程模块方面的知识点349个、能力点141个。其中，基于一体化教学方法改革和MOOC教学要求，进一步梳理出核心知识点100个（不可或缺的知识点）。该体系的构建除为设计、指导一体化训练项目提供重要指导外，还可以为进一步修订课程基本要求、编写教材、加快与工程训练课程的协同创新提供重要支撑，为不同专业学习本课程提供可供选择的知识库。

三、一体化训练项目的设计原则与要求

训练项目（产品）设计是一体化训练的关键，为此，我们制定了以下设计原则、用途和要求。

（1）项目性质及用途。训练项目为“知识、能力、实践、创新”一体化培养项目，训练项目将替代原工程材料与机械制造基础（金工）课程学习与机械制造实习（工训）两个环节。项目设计必须将“知识、能力、实践、创新”融为一体，项目设计训练时间为5～6周。

（2）知识点及设计要求。原有课程核心知识点89个，增加新工科要求内容后，核心知识点合计100个。所设计项目必须涉及全部核心知识点，其中直接涉及核心知识点不少于50%，剩余部分为间接涉及核心知识点。间接知识点可以通过与直接涉及核心知识点之间的比较，改进方案，或对其他教学要求加以关联、进行覆盖，以起到核心知识点学习的全覆盖要求。

（3）项目设计原则。项目设计要考虑到产品制造的完整过程、能力要求;要考虑到产品的实用性和趣味性。设计好的项目实践时，要确保通过绝大部分基本工训环节实操才能完成，以保证实践能力训练。所设计项目在保证功能可实现的前提下，要考虑实现路径的灵活性与创新性，以保证创新能力训练。

（4）项目分级及数量。项目设计难度分为

A、B、C三级。其中，C级为基础级，面向首次参加一体化训练的学生，B级、A级为竞赛级。B级在C级基础上，用于在学校层面开展竞赛。A级为更高难度级别训练项目，可作为省及以上级别竞赛用。竞赛级项目鼓励学科之间的交叉。C级项目设计数量不少于20项，以供学生抽选。

（5）项目考核。项目要有可行性、可操作性、可考核性。通过考核项目的完成情况，考查学生学习能力、实践能力、分析问题解决问题的能力、创新能力。

项目可以通过委托或招标方式征集。所征集项目委托教指委专家验收认定其可操作性，入选项目给予奖励，并委托出版社出版发行。

四、教改原则和整体改革方案

1.原则

无论是新工科还是传统意义上的工科，优秀人才培养都离不开坚实的基础知识、突出的实践能力和创新能力。因此，我们的整体改革思路是坚持教育的本真，保持核心知识点与能力要求不动摇，对基础课教学改革一定要遵循教学规律、采取循序渐进的原则，结合目前基础课程存在的问题，以及新工科的特征，在原有基础上逐步推进。即：通过遴选核心知识点，坚持对课程知识体系调整更新、对能力要求强化提升，在教学方式上采取项目驱动，将知识、能力、实践、创新用项目有机贯穿一体，实现知识、实践、能力、创新一体化训练，以加快知识向能的转化。

2.整体改革方案

新的机械制造基础课程的知识、能力、实践、创新一体化改革方案如图1所示。

五、项目的实践

（1）项目实施。项目实施不同于传统机械制造实习（或工程训练）。课程开始前，进行项目抽选。项目一旦选定，首先要通过与课程的并行学习（自主、在线、课程学习均可），以获得必要的机械制造基础核心知识。然后在教师指导下，学生在开放的工程训练中心开展项目实践，由学生或团队按顺序自主完成产品的进一步创新设计、零件的材料选择、工艺设计、产品制造、产品安装调试、成本分析等环节，最终完成知识向能力的转化。对于能实现预期功能、满足性能和精度要求的项目，通过考核，可认定该课程学习成绩合格有效，获得学分。该学习方式将代替传统课程理论学习与实习两个环节（节省学时），实现了将分散的训练项目通过核心知识点进行串接集成。项目实施引入竞赛机制，能力强者可提前结束学习获得学分。项目创新性强、完成效果好者，可获得优秀成绩，并推荐参加更高层次项目训练（即竞赛）。

项目的实施将理论学习与实践训练有机地结合在一起，避免了彼此脱节。项目实施及实现方法具有多样性，可充分发挥学生的主动性和创造性，可充分提高学生的工程能力和工程素养。

（2）项目考核。项目对理论知识的学习只提学习要求，将考核延伸到对项目的最终完成程度上，重点考核知识向能力的转化，用完成项目涉及的知识面、达成的能力度代替对知识把握的考核，体现对知识与能力的綜合评价。一体化培养将知识学习、实践训练、能力培养、创新和竞赛融为一体，最大限度减少学习内容的重复，可有效解决学时不足等问题。

（3）项目竞赛。项目成绩优秀者（或自愿报名者）可以参加更高水平、更大难度项目的训练与比赛。在规定时间、规定要求下对完成不同水平竞赛项目者，通过考核认定（可制定相应认定标准），可分别授予相当校级、省级工程训练竞赛奖励。

鉴于目前各学校、各省都组织工程训练综合能力大赛，项目组将与各级大赛协调，将高水平项目实施纳入大赛项目，进一步提升学生的创新能力和竞争意识，真正将课程与比赛有机融为一体，突出能力培养。

（4）项目实践。项目将在课题组所在的山东大学、长春理工大学、中国石油大学（华东）、同济大学、长春理工大学、江苏大学、天津大学、河南科技大学、合肥工业大学、中国计量大学等学校的所在学院和工程训练中心开展试点、试验。试点班与普通班通过对比考查学习质量、收获、能力的达成，判断改革的成效。

参考文献：

[1]顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）.

[2]吴爱华，侯勇峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：26-32.

[4]徐雷，胡波，冯辉，等.关于综合高校开展新工型工科教育的思考[J].高等工程教育研究，2017（2）：12-17.

[5]李茂国，朱正伟.工程教育范式：从回归工程走向融合创新[J].中国高教研究，2017（6），30-36.

[6]孙康宁，李爱民，张景德，等.大学生实践、创新、创业一体化训练模式与能力叠加效应探究[J].中国大学教学，2017（3）：74-79.

[7]孙康宁，林建平.工程材料与机械制造基础课程知识体系和能力要求[M].北京：清华大学出版社，2016.