基于新工科六问构建研究型大学工科实践教学体系

韦磊 张宏 杨睿 王殿龙 孙晶

摘  要：实践教学体系在研究型大学人才培养过程中起着非常重要的作用。结合“天大行动”提出的新工科六问，给出新工科理念指导下的实践教学六问，并指出目前工科实践教学体系存在的主要问题;在深度分析新工科人才的共性能力特征及关键素质的基础上，探索性建设了校企协同实践平台、工业级实验平台、科教融合实践平台和自主创新实践平台等四类实践平台，旨在提升新工科建设背景下的人才工程创新能力。

关键词：新工科;实践平台;实践教学体系

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）33-0098-04

Abstract： The practical teaching system plays an important role in the process of cultivating talents for research universities. This paper presents Practice Teaching Six Items according to Emerging Engineering Education Six Items raised in the Tianjin University Meeting of April 8th， 2017. After pointing out main problems for practice teaching system， based on deeply analysis about common competencies and key competencies of the engineering talents， this paper constructs four practice platforms comprised of industry-university collaboration platform， industrial grade experimental platform， research-teaching integration platform and independent innovation platform in order to improve the engineering innovation ability.

Keywords： emerging engineering education; practice platform; practice teaching system

一、研究背景

新工科建設是我国高等教育面对新一轮科技革命和经济发展新态势做出的主动应对，也是我国为推动科技、产业变革所做出的积极承诺[1-3]。从2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，即“天大行动”，提出著名的新工科六问[4]，到如今新工科已经发展为“卓越工程师教育培养计划”2.0的核心内容和主要抓手，新工科在高等教育改革实践层面的探索和发展取得了一定的成效。新工科建设明确指出，实践能力是新工科人才必须具备的基本能力之一。实践教学体系对于研究型大学人才培养来说，意义重大[5-7]。结合“天大行动”新工科六问，我们思考新工科背景下的实践教学体系建设，得出新工科理念指导下实践教学六问，如图1所示。近年来，我们尝试按照其中“几问”做了探索性工作，重在构建有效提升人才创新能力的实践教学体系，以符合以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展需求。

二、实践教学中普遍存在的问题

新产业革命发展与深化对机械类精英人才培养提出了新的要求，工程创新能力是机械类精英人才的核心素质，如何培养人才的工程创新能力成为近年来工科高校教学改革的主旋律。然而现有实验内容与行业企业实际和新经济发展脱节，未能将复杂工程案例、前沿科学技术有机融入实验教学体系，重理论，轻实践，尤其是创新训练严重不足，难以满足“中国制造2025”“互联网+”“人工智能”等国家级战略对机械类人才知识体系的要求。

（一）实践平台的建设由课程决定，偏离产业需求

现代科技快速发展，如大数据、云计算、物联网应用、人工智能、虚拟现实、基因工程、核技术等新技术和智能制造、集成电路、空天海洋、生物医药、新材料等新产业相关的新兴工科专业和特色专业集群被大力发展，在工科类教学体系中的比重逐渐增大。在此情况下，本科实践教学往往呈现出“变量小”“滞后强”的特点。传统的实践平台建设往往取决于课程设置，即有什么样的课，就设置什么样的实践平台，而目前大部分的工科课程体系设置都过于陈旧，远远偏离了产业需求。只有问产业需求建立实践平台，才能配合更新改造传统工科专业，服务于新工科专业建设。

（二）实践内容由实践平台决定，跟不上技术发展现状

工科专业往往根据已有的实践平台设置实践内容。而当今技术飞速发展，与理论课程相对应的工科实践平台的设计、生产、运行周期较长，无法与时俱进，平台陈旧则实践内容陈旧，很难跟上科学技术发展现状。将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入实践教学过程，即问技术发展改革实践教学内容，更新实践教学内容及实践知识体系。

（三）实践方法由实践内容决定，不考虑学生理解与掌握程度

由于目前大部分工科专业的实践内容都偏于对理论教学的支撑，多为验证性实验，而面对全新的知识体系和能力培养要求，以验证为主要目标的传统实践教学环节难以胜任新兴专业的需求。实践环节的本意是配合理论教学，结果验证性实验枯燥无味，对学生理解理论知识点帮助不大，很难令学生对实践内容深度掌握。因此，针对上述问题，应积极推进信息技术与实践教学的深度融合，充分利用诸如虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式方法，将以学生为中心的理念贯穿到实践教学方法改革过程中。

（四）实践系统管理机制陈旧，学校推进但不跟进

尽管目前各高校都积极推荐国家级教学实验示范中心和虚拟仿真中心的建设，但重点都放在了中心的硬件建设上，相比而言，实践系统的管理机制建设却较为缓慢，学校层面尽管制定了相关政策，但执行不畅，导致实践管理系统陈旧，招聘机制、考核机制、晋级机制等多年未变，难以调动实践系列教师的工作积极性和创新性。因此，学校层面要积极跟进管理机制改革，同时实验中心也要主动作为，发挥中心职能作用，积极开展机制改革探索工作。

（五）实践体系自娱自乐，产学合作协同育人形式化

多年来，实践教学体系的建设都仅限于校内，不走出去，也不请进来，自娱自乐。近几年，产学合作协同育人的思想被引入人才培养模式，作为产学合作协同育人的最佳载体，实践教学体系应在此方面进行深度思考，拿出可行方案。首先，将实践环节的地点设置到校外，不应仅限于实习实践环节，对于理论课程的实验环节也应该走出去;其次，应充分利用教师的科研优势和企业的产业优势，依托师资力量和已有的实验教学中心，由行业领军企业冠名，在高校内建设工业级实验实践平台。最后，该平台除硬件建设上与企业内工况保持一致外，还应该聘请企业工程技术人员以线上或线下的方式走入实践课堂，构建有实际内涵的校企协同育人模式。

（六）实践体系难以契合国际标准

目前，很多课程的建设过程已经能做到对标国际，包括教材选用、课程内容、教学方法、考核方式，甚至师资。但实践体系一直以来都难以契合国际标准，实践平台、实践内容、实践方法以及实践管理体系等都很难跟进国际上高等教育的最新发展动态。实践教学体系也应同步理论课程体系建设，着眼国际前沿，以面向未来和新工科建设为追求目标，努力构建具有一定国际化水平的实践教学体系质量新标准。而依托虚拟仿真等信息化技术，实践教学可实现向全球高校开放，一方面通过与国际同行交流加强实验实践平台与内容的国际化建设水平，另一方面推动教育资源全球共享化，提高人才培养质量上的引领、示范、辐射作用。

三、面向新工科的实践教学体系

从2017年2月的“复旦共识”[8]开始，至2017年4月的“天大行动”，到2017年6月的“北京指南”[9]，伴随着一系列的指导及建设性政策发布，新工科建设有雨后破竹般在各高校相继展开。作为工科优势高校，大连理工大学也同期推进了新工科建设工作，尤其是机械工程学院，更是以“机械工程国家级实验教学示范中心”和“工程训练国家级实验教学示范中心”为建设载体，历经三年多的时间，在实践体系建设方面，做了部分探索性的工作。

（一）面向新工科的工程新素质

通过深入分析适应社会和行业发展、面向未来的新工科人才培养需求现状发现，新工科人才要具有三种共性能力特征，即以端正的世界观、人生观、价值观以及科技伦理观为代表的人文素养，以拥有扎实的专业基础知识和宽泛的交叉技术领域为主的知识与技术能力，以无限的创新潜质、终生具有的科研興趣与好奇心为代表的创新精神。基于新工科人才的上述三个共性能力特征可知新工科人才应具备的关键素质，主要包括：社会素质（历史使命、责任担当）、专业素质（专业知识、工程实践）、创新素质（工程研究、求知探索）等。

（二）新工科实践平台建设

大连理工大学机械工程学院在深度分析新工科人才的共性能力特征及关键素质的基础上，按培养新工科人才关键素质的类型，空间上校内外协同，时间上贯穿本科四年，探索性建设了四类实验实践平台。

1. 校企协同实践平台

探索企业参与开发和建设的专业实践平台的可行途径，打造一批智能制造、绿色制造、“互联网+制造”等领域由校企联合开发的教学资源，针对新工科专业的多学科交叉融合的特征和对新工科专业工程人才在知识、能力素质上的新要求，推动教学实验环节的再造和升级。充分依托校内国家级教学科研平台，并与国际知名企业联合建立实践教学基地，从而实现学生实践能力的多层次逐步提升，多学科融会贯通，使学生不仅具有实践能力，更具有大工程观念。该平台主要建设了以下内容：

（1）面向理论课程的企业实践平台。针对理论课程教学，以实际工程问题为切入点，建设围绕理论课程的企业实践平台，把理论内容移至企业现场，由校内教师和企业工程师联手为学生打造走进企业的理论课程。该平台的建设将被动式知识灌输模式改变为以课程创新任务为主的引导模式，将以理论讲解为主的课堂教学方式改变为以实践应用为目的从课堂到企业的实践教学方式，使得学生对理论知识的理解事半功倍。

（2）集中授课与分散指导相结合校企双导师毕业设计模式。实施贯穿选题、指导、答辩全过程的校企协同毕业设计管理与指导模式。在选题阶段，校内导师与企业专家联合提出具有企业实际背景，即来自于真实世界的毕设题目。在毕设进行过程中，聘请企业专家针对常用的现代工程软件进行集中培训，并在随后的使用过程中给予分散指导。最后，由专家对常用科技文献撰写软件再次进行集中培训，并参与最终毕设答辩环节。这种集中-分散-集中的毕业设计模式综合锻炼与提升了学生的创新和实践能力。

（3）以解决实习企业现场工程问题为导向的生产实习模式。提出以促进学生知识运用为目的、以解决企业现场工程问题为导向的生产实习模式。实习前校企指导教师之间充分沟通，提炼工程一线实际问题。通过企业现场授课使学生了解企业的组织结构、工艺流程、生产水平、工艺原理等基本背景知识，并分组提出问题供学生思考。实习过程中，企业导师参与实习准备、指导、讨论、答辩全过程。这种校企深入合作的生产实习模式能有效提高学生的实践和创新能力，激发学生实践学习的积极性和主动性。

2. 工业级实验平台

为培养社会素质和专业素质，聘用企业工程师参与平台建设规划，在校内实现对工业现场的真实复现和工程训练的立体化全方位教学，在工程实践中强化学生对专业知识的理解。学生在实践中可针对这些具有工程背景的技术问题提出自己的解决思路，并进行实践验证，一方面培养学生解决实际问题的能力，另一方面通过与企业实际解决方案的对比，分析各自方案的优缺点获得进一步提升。该平台主要建设了以下内容：

（1）以力士乐DS4液压系统为代表的装备设计与

控制类实验平台。以工程实践典型案例为依托，抽取出适用于理论教学的内容，从工程角度出发，教师提出技术要求，并指导学生设计实验步骤。按照工业标准建设实验室，搭建工业级实验平台，学生根据自行设计的实验步骤论证可行性后在工业级实验平台上独立完成实验，以此引导学生的学习主观能动性，激发学生自身的创造性和实践动手能力。这种选取工程真实案例作为实验教学内容的装备设计与控制类工业级实验平台，能有效实现对学生的工业级训练，提升学生的工程意识和专业素养。该平台还将虚拟仿真与工程实验深度融合，以企业实际工程项目为牵引，以学以致用为目标驱动，将虚拟仿真技术引入液压教学环节，用线下工程实验来验证线上虚拟仿真结果，有效解决了无法高效利用先进实验设备开展创新性实验的问题，提高了学生的创新能力和动手实践能力。该平台为国内首次将线上虚拟仿真技术与线下工程实用平台融合为一体，可实现远近程交互式专业知识学习的实验教学成果。

（2）以全开放制造岛式FMS为代表的先进制造实

验平台。以企业为依托，建设了能体现现代重大装备制造企业现状的“全开放制造岛式FMS实践教学系统”，该系统是目前国内首个基于先进实验教学理念而建立的大型工业级的柔性制造系统，为学生提供了一个具有开放性、创新性和可参与性的实验平台，培养学生“工业4.0”的智能制造理念，丰富了实践教学内容，强化了基本技能，增加了实践动手训练机会，最终达到提升学生的综合实践能力和创新能力的目的。

（3）以虚拟焊接和交互式学习系统为代表的虚实结合工程训练平台。在工程训练的焊接环节引入虚拟仿真技术，将焊接操作过程虚拟化、仿真化，学生可以通过虚拟焊接设备调节电流/电压参数、焊接距离、焊条角度等，模拟出真实焊接的效果。基于增强现实AR技术的实训教学系统将传统意义上的二维图转变为可识别的三维模型，即将加工图纸与加工实体直接对接起来，学生可通过手机端应用程序APP，对相关图纸进行扫描和手指操控，在屏幕上查看加工零件的三维图、加工工艺流程图和设备操作安全须知。

3. 科教融合实践平台

为培养创新素质，将学科内若干优秀科研成果转化为创新的实验内容和创新型实验装置，促进学生了解和掌握机械制造领域的前沿技术，建设了科教融合实践平台。该平台主要建设了以下内容：

（1）以开放式机械工程测试、机械振动测试、起重机械高速动态应力测试等系统为代表的机械测试类平台。以学科优势促进实践教学改革，构建了独具特色的基于科研成果转化的实验项目及其平台，自主研发了“面向重大装备关键部件重载作用下的应力应变测试实验装置”“机械振动测试试验台”“起重机械高速动态应力测试系统”等科教融合的实验平台，内容先进，训练综合，有利于本科生了解和掌握机械制造领域前沿技术。

（2）以装配紧固技术实验系统为代表的机械设计类平台。该平台主要包括紧固件几何参数及形貌检测、紧固件摩擦系数及轴向力检测、紧固件防松脱特性检测、紧固装配工艺试验、紧固系统动力学等部分，采用理论为基础、试验为支撑、任务为导向的实验教学模式，以提升学生的测试、分析和设计能力。

4. 自主创新实践平台

为培养创新素质，提供固定场地和实验设备，形成学生自主创新实践平台。面向国内外科创竞赛，建立团队式管理模式，以机械创新设计大赛、起重设计大赛等国赛为牵引，强化对学生工程创新能力的培养。该平台主要建设了以下内容：

（1）以工业机器人和机电一体化实现为主的控制实验系统。“智能制造”是《中国制造2025》明确的主攻方向和突破口，工业机器人是智能制造中实现柔性自动化的基础设施。针对部分理论课程及综合性实验项目，搭建了机器人作业、恒力维持及视觉跟随系统及其配套模块。除理论课程及综合性实验外，该类控制实验系统也为创新创业及毕业设计提供平台支撑。

（2）以服务学生自主创新、面向科技竞赛为主的机械创新平台。学生竞赛是检验本科人才培养的有效手段之一，通过竞赛，学生能将理论所学与实践应用紧密结合，以竞赛和获奖为目的，培养和提升学生的创新能力。将创新大赛与大学生创新项目结合，搭建以服务学生自主创新和面向科技竞赛为主的机械创新平台，探索出一种创新人才培养的新模式，对培养学生在重大装备的创新设计能力与实践动手能力方面具有十分重要的意义。

四、结束语

结合新工科六问，提出了实践教学六问，旨在建设培养人才工程创新能力的实践教学体系。经过一年的探索与实践，大连理工大学机械工程学院尝试着回答了六问之一二，建设了四类实践教学平台，包括校企协同实践平台、工业级实验平台、科教融合实践平台和自主创新实践平台，致力于人才工程创新能力的提升。在前期建设基础之上，我们将会秉承新工科理念，继续建设符合高等教育发展趋势的实践教学体系，为新工科建设提供支撑。

参考文献：

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[8]“新工科”建设复旦共识[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E2%80%9C%E6%96%B0%E5%B7%A5%E7%A7%91%E2%80%9D%E5%BB%BA%E8%AE%BE%E5%A4%8D%E6%97%A6%E5%85%B1%E8%AF%86/20612927？fr=Aladdin.

[9]新工科建设指南（“北京指南”）[EB/OL].http：//education.news.cn/2017-06/13/c_129631611.htm.