机械电子工程专业课程体系改革与实践

朱文才 胡国良

自21世纪以来，全球的科技发展日新月异，全球化、高科技和知识经济等已成为当今社会发展的主要特征，全球科技人才的竞争已经成为一个国家创新水平和综合国力的集中体现。走中国特色的工业化道路、建设人才强国及建设创新型的国家等一系列重大战略部署对我国的教育改革提出了新的目标和要求。因此，培育具有国际竞争力的工程科技人才迫在眉睫。为了实现这一培养目标，我国自2005年就开始逐步建立工程教育专业认证体系[1]。2013年《华盛顿协议》正式接受我国成为其预备成员，2016年中国成为《华盛顿协议》的第18 个正式成员。

自我国成为《华盛顿协议》的正式成员国以来，工程教育认证的理念已经得到国内高校的认可。在《工程教育认证标准》（2017年11月修订）中，特地强调了培育学生解决复杂工程问题能力的要求，工程认证的重要指标之一就是对学生能力的培养[2]。基于《工程教育认证标准》的指导说明和所提到的“复杂工程问题”的特征，阐明了复杂工程问题的要求及意义。所谓的“复杂工程问题”，就是很难用一般的方法和简单的原理直接解决的，必须经过深入剖析其工程原理才能解决的问题，因此学生必须在掌握基础知识后学会综合应用所学到的知识。涉及的工程技术和其他因素越多，复杂性就越强。为了解决复杂的工程问题，学生需具备创造能力，能够灵活应用现有原理，查阅相关文献，以解决基本专业知识未涵盖的问题。对于复杂的工程问题，单个学科或专业往往无法解决。复杂工程问题的方案设计应该跨学科，能够提出不止一种解决方案，并做出选择和决策。

随着工业4.0 和新一轮科学技术产业的改革与发展，最新经济的发展以及人类将面临的复杂问题都在不断升级和变化，机械电子工程专业迫切需要培养具有解决复杂工程问题能力的相关人才。因此，本文从机械电子工程专业培养目标达成入手，提出解决复杂工程问题能力培养的课程体系改革具体措施。

一、机械电子工程专业的培养目标

机械电子工程专业的培养目标是培养品德高尚，具有良好职业素养和较强社会责任感，具有扎实的机械电子专业基础知识和适应机械电子工程行业技术快速发展的能力，具备一定的创新能力，能在机电一体化及轨道交通等相关领域从事机械电子系统的设计、制造、运维等相关工作的高素质应用型工程技术人才。机械电子工程专业培养的学生在毕业五年后应达到的目标具体有四个方面。

第一，职业素养。具有社会责任感、职业道德和人文素养，能履行并承担应尽的社会责任和义务，能在工程实践中贯彻和执行行业的相关法律规定。

第二，工程能力。能针对机械电子、轨道交通等行业的相关产品或装备，进行机械电子一体化设计、制造及控制等，能够负责产品或装备的运行和维护，且能解决相关的复杂工程技术问题。

第三，团队合作交流。能在多学科背景下进行沟通交流，能够在跨文化的条件下工作和沟通，且能适应团队的工作环境。

第四，自身持续发展。能紧跟国内外新技术的发展，吸取新的知识并加以应用，积极寻求新的岗位和新的职业机会，并且能在各种工作岗位中作出应有的贡献，实现自身的可持续发展。

为了能达到上述的培养目标，则需培养机械电子工程专业学生解决复杂工程问题的能力与意识，这是一个系统化的工程，其改革会涉及大学教育的各个方面和环节。除了提高专业教师的工程能力及完善教学支撑的条件之外，加强课程体系建设也是关键措施之一。另外，机械电子工程专业在实践当中所面临的问题主要是综合性的复杂工程问题，其特点有多个方面：面对具有一定复杂性和先进性的机械电子产品或系统，经典的传统方法几乎是不能解决的；只有运用深入的机械电子工程原理或借助现代工具进行分析，这一问题才有可能得以解决；存在一定的约束条件，需要许多技术性指标，而且指标相互之间很可能存在一定的冲突；涉及多种类型的知识点，不能由单一的理论知识进行解决。

二、机械电子工程专业课程体系改革的具体措施

为了解决机械电子工程系统所面临的复杂工程问题，机械电子工程专业的学生至少应具备通过观察能够提出复杂机械电子工程问题的能力，通过深入的调查和分析能独立解决复杂的机械电子工程系统问题的能力，并且能综合运用多学科的相关知识，能够运用各种现代化工具进行机械电子产品的工程设计的能力，以及具备工程师应有的社会责任感和环境可持续发展的意识。专业课程设置需将复杂工程问题类型和实例的知识能力要素进行层次和维度的划分，并将其细分为各种实践型课程。在教学的过程当中，要求负责该课程的教师根据解决复杂工程问题制定课程大纲，内容包括课程目标及其与能力要素的对应关系、与教学内容和方法的对应关系、与其他课程的关系、实现课程目标的途径等，以及学生的表现、教学资源、课程目标的评价方法。基于课程目标完成专业课程教学，以使学生满足相应的毕业要求，确保专业课程的设置能够培养学生解决复杂工程问题的能力。对于解决复杂工程问题能力培养的课程体系改革，具体措施主要有四个方面。

（一）建设综合知识课程平台

对于机械电子工程专业，根据培养要求、学科特点和毕业要求等，分别组建公共基础课平台、学科基础课平台、专业课平台和实践教学平台等四个综合性课程平台，如图1 所示。其中，公共基础课平台主要包括计算机应用基础、大学英语、交通概论、形势与政策、思想道德修养与法律基础、中国近现代史纲要、马克思主义基本原理概论、毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论等理论课程；专业课平台主要包括测试技术、微机原理及接口技术、机械设计、机械原理、机械制造技术基础、控制工程基础等任务相关的课程；实践教学平台主要包括电工电子学课程设计、机械制造技术基础课程设计、机械设计课程设计、机械原理课程设计、机电一体化系统设计课程设计、专业导论等实践课程；学科基础课平台主要是开设一些专业入门的理论课程，包括理论力学、材料力学、电工电子学、流体力学、工程化学基础、高等数学、线性代数、画法几何及机械制图、大学物理、概率论与数理统计等课程。

图1 课程平台的关系图

（二）建设专业课程群

传统的机械电子专业课程把每一门课程都作为独立的知识点，在学习时，学生就只能学习这一门课程的内容和知识点，弱化了课程之间的相互关系，使得学生很难整合不同学科之间所学习的内容[3]。为了反映专业知识之间的相关性，使学科专业知识得到整合和提高，应根据课程的特征，对原来的专业课程按照相关性和系统性进行整合重组，形成各个课程群，这是打破学科之间知识隔阂的一种有效途径。在原有课程的基础上，以专业基础课程群为基础，以公共基础课程和学科基础课程为辅，组成机械电子工程专业的整个课程体系，从而提高机械电子工程专业学生解决复杂工程问题的能力。这样的课程教学设计，既能够维护学科课程之间的相关体系，又能确定各个课程在知识和能力等方面的定位，便于教师按照工程认知思维过程进行课程顺序的安排。

（三）建设层次化递进式的实践教学课程体系

培养机械电子工程专业学生解决复杂工程问题的能力是提高专业人才培养质量、打造人才培养特色的重要途径。如果没有足够的实践，那么解决复杂工程问题能力的培养就只能是纸上谈兵。它的复杂性和工程特性决定了学生实践能力的培养是一项系统的、全面的任务。因此，有必要建立一个完整的、一体化的实践教学课程体系，并且进行层次化递进式的培养[4]。为此，应加强实践教学在课程体系中的权重，合理设置综合性实践教学课程。通过与理论课程整合、层次化能力培养的方式，构建工程基础实践、专业基础实践、创新实践和综合实践等四个方面的实践教学体系，培养学生的创新实践能力，以及团队合作、沟通、终身学习等能力，以落实复杂工程问题解决能力的培养。通过面向复杂工程问题的综合实践与检测，再次测试和提高学生解决实际复杂工程问题的创新能力，培养学生动手实践的能力。“解决复杂工程问题的能力”培养要求学生能在工程和技术层面识别多个影响因素，准确判断问题所在，使用现有理论分析问题，并提出创新性的解决方案。因此，为了更好地利用实践教学环节，培养具有上述能力的学生，机械电子工程专业需要厘清培养目标与毕业要求的关系，并根据基本认知、创新意识等由浅入深逐步发展的认知规律，进行实验教学环节的分层设置、大纲的编制、实验教学环节的实施，并制定详细的考核评价标准，使学生更容易满足毕业要求[5]。

（四）采取多样化的考核方式

为了培养机械电子工程专业学生解决复杂工程问题的能力，除了需要按照上述课程体系进行教学之外，还需要对教学效果进行评估。在以往的教学中，教师对学生的考核评价主要基于平时表现、作业、实验室报告和期末考试，从而得出教学目标的相关达成度，体现学生对课程知识点的掌握程度。然而，现如今工程教育的目的是培养学生的综合能力，因此，以往的考核评价方式在评价学生解决复杂工程问题的实践能力和综合应用能力培养的效果时还存在一些不足之处。为了更全面、客观地了解学生的学习情况，促进教师提高教学质量，必须从多个方面对学生进行综合评价，采用多样化的过程评价方法。高校要针对不同的课程和能力指标采用不一样的评价方法，即采用多样化的评价方法。为了提升学生解决复杂工程问题的实践能力，教师要重视平时的考核，加强实践的评估。在上课期间，学生可以采取在讲台上讲课、派代表分组讲课、口头报告等形式，表达对其所学内容的理解。这种形式可以让学生梳理他们所学的内容，并深刻理解所学的知识，也可锻炼学生在面对复杂问题时的处理能力。对于基础课程，可采用课程作业、考试、专题分析报告和专题讨论等方式进行考核；对于课程所对应的相关实验或课程设计，则可采用实验报告、文献综述、课程作品设计、课程答辩以及实习报告等多样化的形式进行考核，以此来检验课程教学的效果。

综上所述，无论是新工科建设还是工程教育专业认证的需要，机械电子工程专业的培养都需要定位于培养学生解决复杂工程问题的能力。解决复杂工程问题能力的培养不仅能使机械电子工程专业的学生了解技术本身，还能使其了解在应用技术时所面临的复杂工程问题。为解决机械电子工程专业学生所面临的复杂工程问题，本文从建设综合知识课程平台、建设专业课程群、建设层次化递进式的实践教学课程体系和采取多样化的考核方式四个方面提出了解决复杂工程问题能力培养的课程体系改革具体措施。