机械类专业实验实践教学体系建设研究与实践

吴万荣，韩奉林，田广天，刘诗月

（中南大学 机电工程学院，长沙 410083）

现代社会已进入到一个知识创新、科技创新日新月异的新时代，世界各国的相互竞争成为推动社会向前发展的基本动力，科技创新是增强综合国力的关键，高水平人才是建设创新型国家最基本的要素和各国相互竞争的焦点。在我国，大力培养德才兼备、国际一流的创新型人才，不断提升国家的创新活力，建设具有中国特色的创新型社会主义强国，已成为全国人民的广泛共识。

科技创新型人才需要具备强烈的社会责任感、深厚的理论知识基础、坚实的实验实践能力和敏锐的科技智慧与科技创新精神。所以，大学教育不仅需要向学生提供先进的科学理论知识的学习条件，同样需要提供先进的实验实践教学条件。本文以机械类专业为例，探索研究型大学本科教育创新型人才培养的先进实验实践体系建设。

一、建设先进实验实践教学体系的重要性

研究型高校如何深化实验实践体系改革，创新实验实践体系建设的思路，建设具有世界一流水平的先进实验实践教学体系，满足我国建设创新型国家对高水平创新型人才培养的新要求，已成为当前必须解决的一项重要任务。

（一）机械类专业实验实践教学体系建设的新要求

实验与实践活动是科技创新之源，建设高水平的先进实验实践教学体系，必须突破体制机制的约束，创新实验实践教学体系建设的思路。高水平实验实践教学体系建设不仅是本科生工程实践能力和创新能力培养的基本条件，同样是教师从事教学与科研活动及硕士、博士研究生培养的基本条件。故研究型大学必须具有与之相适应的先进实验实践教学体系，才能发挥研究型大学科技创新活力，促使产生高水平科研成果，以高水平的科研活动带动高水平的本科实验实践教学[1]。

机械类专业涉及各类机械设备、仪器仪表、工程装备、运载工具、航天航空、航海船舰、社会服务和生活设施等现代社会的几乎每一个领域，机械类专业人才不仅需要宽厚的基础理论知识，更需要综合性和实践性非常强的工程技术应用能力。可以说，无论科学技术如何进步，社会如何发展，机械工程技术永远是社会不断发展的基本技术支撑，没有现代化的机械工程技术，就不可能有现代化的社会物质文明。尤其是当机械工程技术与现代微电子技术、电脑软硬件技术、控制技术、传感技术和信息处理技术等多种人工智能技术相结合形成现代智能制造技术后，智能制造高水平创新型人才的培养对于我国建设创新型国家显得更加迫切，更加任重而道远。

（二）实验实践教学体系与“双一流”建设的差距

我国研究型高等学校实验实践教学体系建设在211 工程、985 工程、国家与省部级重点学科、重点实验室、工程研究中心和2011 协同创新中心等一系列高等教育国家战略的推动下取得了长足的进步并步入了良好的发展态势，为探索实验实践教学体系的体制机制创新，建设教学与科研相结合的创新型人才培养先进实验实践教学体系，取得了宝贵的经验。

面对建设创新型国家对高水平创新型人才培养的新形势，实验实践教学体系的建设还不能完全适应国家高等教育战略“双一流”建设的要求，表现在不能满足建设创新型国家对高水平人才培养的迫切需要，不能满足制造强国对智能制造高水平创新人才的迫切需要，不能满足在现代高新技术快速发展形势下企业技术转型升级与持续发展对人才的迫切需要。造成高等学校实验实践体系建设与国家实施高等教育“双一流”建设的要求存在差距的原因主要有：我国高等教育受重理论知识传授、轻实验实践教学的传统教育思想束缚很深，对高水平实验实践体系建设重视程度不够；高水平实验实践体系建设资金投入不足，高校的实验实践体系硬件更新速度跟不上科学技术高速发展的步伐。

二、创新实验实践教学体系与教学内涵建设的思路

欲实现智能制造国家战略，最基本的支撑力量是培养大批量掌握智能制造理论和技术的人才，人才培养是实现智能制造国家战略的关键所在。机械类专业怎样培养既具备智能制造理论又掌握智能制造技能的人才？如何建设机械类专业的先进实验实践教学体系？这是必须解决的重要问题。

（一）构建智能制造新时代的机械类专业实验实践新体系

传统的机械工程技术能够高效高质地完成人力直接可以完成的工作和不能直接完成的工作。而当现代电磁技术、微电子技术、电脑技术、精密技术、控制技术、传感技术、系统技术和信息处理技术等多种人工智能技术与机械工程技术相融合，形成现代智能制造技术之后，使机械工程的技术结构、机构功能、产品结构、生产过程和管理体系等发生了巨大的变化。

显然，机械类专业不能沿袭以往的实验、实践教学模式，实验教学不能仅为验证所学的理论知识，实践教学不能仅为重现已有机构和机器的功能。在智能制造时代，机械类专业的人才培养目标要求实验教学能够发现新知识和新理论，实践教学能够设计新机构、创新机构功能。

智能制造时代机械类专业所培养的人才，应该能够应用和能够发展智能制造技术，创造出结构更加先进、功能不断增加的机器与机械装备，去不断实现人类曾经的梦想，创造人类不曾梦想的奇迹，将智能制造的产品应用到现代工业工程、农业工程、航天航海、流通运输、商业营销、科学研究、教育教学、日常生活和社会服务的每一个领域，使人们曾经梦想和未曾梦想的事物，都能够成为现实世界的真实事物。例如，人类曾经梦想能够腾云驾雾，能够在跟斗云上动一下就跨越十万八千里，上月中折桂，入海底龙宫。我国的航天、航海技术已经实现遨游宇宙太空，下潜万米深海，远窥亿万光年天体，细察物质微观粒子，这些梦想的实现都源于我国智能制造技术所生产出来的机构与机械装备具备的奇异功能[2]。

智能制造时代机械类专业实验教学应该是发现新知识、掌握新理论的过程；实践教学应该是增强工程能力、进行机构设计创新与制造工艺创新的过程；应该创建全新的智能制造实验、实践教学模式，使学生通过实验、实践教学，培养能够设计制造机构更为巧妙、功能更为先进的机构和机械装备的能力，去不断实现人类曾经的梦想，创造人类不曾梦想的奇迹。

机械类专业人才的培养要在学习智能制造基本理论的基础上，通过实验、实践教学进行智能制造的方法训练与技能培养，根据机械类专业智能制造培养目标的定位，按照分层次、模块化的思路进行实验实践教学体系建设，注重实验、实践教学方法改革，探索智能制造实验、实践教学的新规律与新特性，突出工程实践能力和创新精神培养[3]。

按照智能制造培养目标对学生能力培养的要求和专业方向的差别，实验实践教学体系可分为专业基础实验实践模块、专业实验实践模块、创新创业实验实践模块；按照教学方式的要求，可将实验实践教学体系分为课内实验实践与课外实验实践；按照校企协同人才培养的要求可将实验实践教学体系分为校内实验实践与校外实验实践，下文按照图1 所示进行实验实践体系建设的论述[4]。

图1 实验实践教学模块

（二）课内实验实践教学

理清实验实践体系建设与教学内涵建设的思路，优化实验实践教学内容，整合和减少验证性实验实践，增加综合性、设计性、创新性实验与实践，全面提升实验、实践教学发现知识和将知识转化为能力的训练力度，改变以系所设立实验室和实践教学基地的模式，从机械工程学科建设与前瞻性人才培养的高度，构建学院统一管理的专业基础实验与实践、专业课程实验与实践的分层次、模块化、相互衔接的实验与实践教学体系[5]，如图2所示。

图2 各类课程实验实践教学模块

机械类专业实验与实践体系可建设以工程图学与三维软件应用、机械原理、机械设计学、有限单元法与应用和程序语言设计及应用等为系列课程的机械原理和设计学实验与实践模块，以制造工程训练、材料成形工艺基础、机械加工工艺基础、机械制造工艺学、切削机床与刀具、数控加工与特种加工、工程材料与成型技术、机械精度设计与测量技术、传感器技术、制造工程应用软件和智能制造技术等为系列课程的机械制造实验与实践模块，以流体力学、液压与气动技术、机电传动与控制、机械工程测试技术、PLC 控制技术、可编程序控制器技术、计算机接口与控制和机器人技术与应用等为系列课程的机械传动与控制实验与实践模块，专业实验与实践根据机械设计制造及其自动化、机电一体化、车辆工程、智能制造和微电子制造工程等不同专业方向设置专业课程实验与实践模块。

专业基础课程设计与毕业设计（论文）是大学教育中训练将知识转化为能力的十分重要的综合实践教学环节，专业基础课程设计与毕业设计（论文）实验实践平台的建设应结合专业基础课程与专业课程的实验实践教学模块建设进行综合考虑。专业基础课程设计教学一般应结合课程教学的核心知识点，着重考虑怎样引导学生将知识转化为能力，可以是学生自主命题，也可以是教师命题，并提供相应的实验实践条件；而毕业设计（论文）应结合指导教师的科研项目或工程研究课题，选取其中的研究内容或需解决的工程技术重点、难点进行命题，并创设相应的实验与实践条件。

虚拟仿真实验实践教学可以丰富虚拟演示和人机交互功能，现代机电产品设计制造均需使用三维建模、虚拟仿真等先进方法，利用虚拟现实可以生动展示和超越实验与实践硬件设施所获得的效果，尤其是科研课题涉及的航天器械、核能装备、深海装备和放射性冶金装备等实验实践平台的结构设计、机构运动与工作过程的实验实践教学内容，通过虚拟仿真可以实现理论问题直观化、高难问题可达化和复杂问题简单化，降低实验实践教学的难度，拓展实验实践的范围。故应高度重视虚拟仿真实验实践教学平台的建设。

（三）课外实验实践教学

课外科技创新实验实践对于学生个性化学习与能力培养具有重要意义。为大学生课外自主实验实践搭建训练平台，提供课外实验实践和个性化探究的条件。课外实验实践教学以学生自主学习和个性化探索研究为主，以学生个体或学习小组为基本方式，通过实验与实践获取知识、发现问题与解决问题，以提升实验与实践技能和创新创业能力，培养自主学习能力、自我探究能力、独立思考能力和团队协作精神。

课外实验实践提倡学生自主进行具有设计性、创新性的实验与实践项目探索，学生对自已感兴趣的问题进行实验、实践，培养善于观察想象、敢于实验实践的勇气，有利于求知欲与实践能力提升。课外实验实践可以结合国家级、省部级、校级大学生创新创业计划和大学生工程实践与创新能力竞赛、机器人竞赛等各类学科创新竞赛活动，为学生提供设计与制造所必备的、相对集中的设计制造环境和条件，加强学生综合运用所学设计制造知识进行创新设计制作，将创意设计转化为创新成果，扩大学科创新竞赛的惠及面，引导更多的学生以实际行动积极投身到创新创业活动之中。

（四）鼓励高水平教学科研团队进行实验实践平台建设

鼓励和支持国家级与省部级重点实验室、2011 协同创新中心、工程研究中心、973 项目、863 项目及自然科学基金项目等高水平科研教学团队利用科研项目的师资、技术和资金等资源优势建设高端研究的实验、实践教学平台。

高水平教学科研团队进行实验室与实践平台建设，不仅具备知识与技能的传授功能，同时具备知识创新与技术创新功能，既能够进行项目研究和博士、硕士研究生培养，也可以使本科生结合专业基础与专业课程学习以及毕业设计教学，进入科研实验、实践平台，在教师的指导及研究生的协助下参与项目研究，在亲身参与的过程中学习知识的应用与进行技能的历练，自我主动获取知识，培养进行科学实验与实践的能力，使本科教学由被动接受知识的传统模式转变为自主创新性地获取知识，获得能力提升。

大学生的创新意识与创新能力能够在创新性科学研究的氛围和环境中得到熏陶与提升，本科学习阶段获得参与原创性研究，从中获得在科技前沿进行探索的资源和分享知识创新的经历，是培养创新型人才的一条重要途径。许多世界各国高水平大学认为，高水平的大学给学生最有震撼的教育并非来自课堂上教师的讲课，而是让本科生进入实验室进行探索，在实验中接触最新的设备和尚无答案的问题，获得个人体验。如果本科生都有机会在教师指导下参与到原创性研究或创造性的工作中，将会极大地丰富他们的实践经历，提高他们自主学习的兴趣与积极性[6]。

教师的科研项目与工程实际课题一般都是具有挑战性的研究课题、关键技术或产业前沿技术与复杂工程问题，将科学研究中获取的新成果和新知识不断融入专业基础与专业课程教学之中，并且用科技创新思维训练本科生获取知识的能力和解决工程问题的能力，使高端科研实验室和实践平台成为本科教学的优质资源，能够促使本科教学向高水平、高质量方向发展。

（五）校企联合进行高新技术实践教学基地建设

校企联合建设实践教学基地是增强大学生工程实践能力一条非常重要的途径。以卓越工程教育计划、本科教学国家级工程实践教育中心和大学生校外实践教育基地建设为基础，创新校企联合建设实践教学基地的思路，拓展智能制造高新技术校外实践教育基地新的建设单位，探索多元化的校企协同育人模式，按照“双一流”建设的要求，进一步探索和创建校企实践教育合作新模式。

改变工科教育重知识学习轻能力训练、重理论掌握轻工程历练、重成绩考核轻素质培养的传统教育思维模式，围绕学生在企业实践教育基地需要达到的目标，校企联合制定工程实践教学实施方案，协同组织实施工程实践教学过程，协同评价工程实践教学质量；将企业高新技术产业实际课题向实践教学内容转化，由企业导师精心组织技术讲座和现场授课，进行新材料、新技术和新工艺学习；结合企业真实工程实际课题，将学生直接置于工程课题研发、成果转化及产品运行的一体化实践教学环境中，在学校指导教师、企业导师的协同指导下，使工程实践教育从校内验证型实验、实践向解决工程实际问题的能力培养转化，提高学生的大工程意识、大工程能力与大工程素养。

充分发挥现代化高新技术企业强大的工程实践平台、企业管理平台、营销与社会服务平台及企业文化环境的育人功能，为学生提供工业认知实践、制造工艺实践、产品研发实践和毕业设计（论文）实践的培养空间，在加强高新技术实践教学的同时，促进学生知识、能力、素质协调发展。建立健全工程实践教学运行、学生安全管理和生活保障等校企协同人才培养的管理和运行机制，提升工程实践教育中心和大学生校外实践教育基地的建设档次和人才培养功能，形成具有鲜明特色的校企协同工程实践教育教学新模式。

三、实验实践教学方法与管理方法的改革

全面提升实验实践的教学效率与教学质量，深入改革实验实践教学方法与管理模式，建立“教师为主导、学生为主体、学生自主学习与自主能力提升”的实验实践教学机制，尊重每位学生的自主实验实践和个性化，以及课题小组学习的意愿，提供获取知识、培养能力、开拓思维、施展才能的空间和条件，为学生自主实验实践提供科学的教学方法与管理体制。

（一）全方位开放的实验实践教学与管理

学院实验实践教学中心应具备全开放功能并实施全开放性管理，实验室和校内实践教学基地的开放管理是构建开放性课内、课外实验实践教学体系的制度保障。实验与实践教学面向全体学生实施全方位开放，包括实验实践教学资源开放、教学内容开放和教学时间开放，并制定行之有效的开放性管理规范与制度。

全开放性实验实践教学在于使学生能够自主安排课内、课外实验实践的时间，自主进行课内、课外实验实践的学习活动。特别是对于大学生创新创业项目研究的实验与实践、学科创新竞赛作品的设计制作、参与教师科研项目的实验研究、学生自选项目的实验实践研究与设计制作等，适合于在全开放性管理条件下进行[7]。

建立和充实实验实践教学网络资源库，提供三维CAD/CAM 设计制造软件、虚拟仿真实验实践软件，充分利用先进的实验实践技术和网络管理平台进行网络教学资源管理，全方位支持学生在实验实践中的个性化学习、合作式学习，实行网上预约进行实验、实践教学，采取线下、线上相结合的实验实践教学模式，共享网络教学资源完成虚拟实验实践活动，进行网上讨论与交流，提交实验实践报告、网络上机考核与查阅课程成绩等学习活动。教师能够利用实验实践教学网络管理平台，对实验、实践过程提供技术保障和实施有效监管，发布教学信息，掌握学生的实验实践教学进度，发现问题随时对学生进行指导和评价，师生进行在线交流、网上答疑、评阅与考核及网上登录学生成绩等各项教学活动，提高实验实践教学的效率和质量[8]。

（二）课程设计的教学改革

专业基础课程设计是一类重要的实践教学，传统的教学模式是专业基础课程理论教学完成之后，排出课程设计教学周（一般为2～3 周），学生在教师指导下完成课程设计任务并评定成绩。这种教学模式将理论教学与设计实践的安排割裂开来，理论与实践脱节，教学效率低，教学时间长。

将专业基础课程设计改革为教师根据课程理论知识转化为能力的要求，结合课程理论教学进程同步进行课程设计教学，任课教师提出课程设计的要求，由学生自主组成项目小组，采用教师引导命题或学生自主命题的方式，选择与课程学习内容相关的项目或课题，利用理论课堂教学以外的时间分工合作完成项目（课题）设计制作的相关任务，包括项目研究文献查阅、网络调研、确定设计方案、分项研究、程序编写、模拟仿真、利用校内或校外实验实践条件进行设计制作、编写项目报告或写作小论文、撰写演讲汇报提纲、制作讲演PPT、课程理论教学结束时组织课程设计答辩。

课程设计答辩过程中采取师生互动式，教师提问、各项目小组相互提问与答辩。成绩评定采取小组互评，教师负责课程设计成绩考核。在教师的指导下，结合课程学习自主选择项目或课题，进行课内课程设计的项目（课题）研究训练并完成课程设计教学，对于学生的自主学习能力、分析研究能力、解决实际问题的能力、演讲表达能力的培养，是一种使学生学会将知识转化为能力训练的行之有效的途径，完全可以替代独立排课的“课程设计”教学环节，节省教学时间，提高教学效率。

（三）毕业设计（论文）的教学改革

毕业设计（论文）是大学教育阶段一项完整的知识应用与能力训练的综合实践教学训练环节。毕业设计（论文）必须彻底改变教师命题、按命题完成毕业设计（论文）的旧模式。

毕业设计（论文）的命题应该是结合指导教师的科研课题、工程实际项目或智能制造预研项目以及学生自选创新创业项目（课题）等科研与工程实际项目（课题）。

毕业设计（论文）必须是一人一题，根据专业培养方案、人才培养的目标定位，提出毕业设计（论文）的基本要求并制定任务书，充分利用校内外的实验实践条件进行毕业实习实践活动，在实验实践的基础上进行设计和论文写作。严格进行毕业设计（论文）文献检索、实验实践、方案拟定、程序编写、模拟仿真、设计制作、编写设计说明书（或写作论文）的过程质量督管与过程考核，严格按照毕业设计（论文）的基本要求组织答辩和成绩评定。

四、结束语

现代化的机器与机械装备涉及社会生产、科学研究、教育教学、日常生活的每一个领域，智能制造时代研究型高校的机械类专业深化实验实践教学体系改革，培养大批量既具备智能制造理论又掌握智能制造技能的人才，向各行各业输送高水平创新型人才和注入创新活力，是我国建设创新型国家的迫切需要。

本文结合中南大学机械类专业智能制造实验实践教学体系建设的实际，对深入改革实验实践教学体系与教学内涵、构建智能制造先进实验实践体系、创新实验实践的教学方法与管理方法等方面进行探索，提出了机械类专业先进实验实践体系建设的思路和措施。