新工科背景下机械类专业分层次递进项目式实践教学探索

黄伟莉 　章国庆　裴东芳　宋宪臣

［摘 要］根据新工科建设的需求，东华理工大学机械工程专业构建了“分层次递进、项目多元化”的工程实践教学模式，并在实践教学环节实施了项目式教学。课程实验教学采用微型项目式教学，旨在夯实专业基础，培养工程素养及认知能力；专业课程设计以常用机电产品为载体实施项目式教学，打通相关专业课程之间的壁垒，培养学生综合实践能力；创新拓展实践以“项目+竞赛”形式促进学生学以致用，培养学生合作沟通能力和创新能力。分层次递进项目式实践教学使学生获得了充分的专业体验，知识、能力和素质水平都得到了有效提升。

［关键词］新工科；分层次递进；项目式教学；机械工程；实践教学

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0059-04

近年来，新一轮科技革命和产业变革风生水起，工程在社会中的作用发生了深刻的变化，培养多元化、创新型卓越工程人才成为我国高等工程教育的关注点[1]。为主动应对新经济形态的挑战，服务国家创新驱动发展战略，满足产业的升级需求，2017年教育部提出要建设和发展新工科，为高等工程教育的改革探索提供了全新视角[2]。

实践教学是培养和提升学生工程能力、综合分析能力和创新能力的关键环节[3]，是高等工程教育的核心组成。但长期以来，我国本科教育仍然延续12年基础教育的惯性，应试教育思维根深蒂固，存在重理论轻实践、重结果轻过程、重知识轻能力等问题，学生实践动手能力、综合分析能力、创新能力有待加强。在教学模式上，传统的“满堂灌”教学模式没有得到根本改变。教师“传道、授业、解惑”的“单声道”模式忽视学生的“悟道、求业、生惑”[4]，导致学生被动接受知识，学习主动性不足，缺乏独立思考和解决复杂工程问题的能力。随着经济社会的快速发展，学生的工程实践能力与社会需求不相适应的矛盾凸显。为使毕业生更好地满足社会和企业的用人要求，高等工程教育改革势在必行。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中明确指出，高等教育要坚持能力为重，强化实践教学环节，着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力[5]。项目式教学作为一种“以学习者为中心”的教学方式，有助于培养学生的实践能力、团队合作能力和沟通交流能力，在工程教育中得到了广泛应用[1]。燕山大学[6]、汕头大学工学院[7]实施了基于CDIO模式的项目式教学改革，上海交通大学实施了多层次闭环反馈项目式教学模式[8]，王成勇等提出了基于科研项目驱动的大学生创新能力培养新途径[9]，杨元慧等探索了通过校企合作项目推进课程教学改革[10]。同时，项目式教学也是德国应用科技大学培养高素质工程型人才的成功经验 [11]。本研究以东华理工大学机械工程专业（含中爱国际合作教学班）的实践教学改革为例，提出基于项目的实践教学模式，通过构建“分层次递进、项目多元化”的实践教学体系，培育学生适应当前和未来社会所需的核心素养，提高其工程创新实践能力 [12]。

一、项目式教学模式的本质

项目式教学理论是基于建构主义学习理论的研究成果。其核心思想是倡导以学生为中心，借助现实世界中的真实问题来捕捉学生的兴趣[6]，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构[13]。项目式教学重视培养学生的实践能力。重视实践教学环节也是欧美发达国家工程教育典型的特征之一，因此，其受教育者分析问题和解决实际问题的能力相对较强。

项目式教学以教师为主导、学生为主体，有效构建学习共同体，强调学生之间的合作交流与讨论学习[14]，通过项目设计（导入）、项目分析与实施、项目评价、项目拓展与项目总结等环节实现教学目标。

（一）项目的顶层设计与导入

兴趣是激发学生主动参与学习的内在驱动力，因此项目的合理设计与导入不可忽视。教师应结合专业特点，从日常点滴中捕捉搜集项目素材，盘活看似生硬而零散的知识点，创设具体生动的专业教学情境，搭建开放的交流平台，寻找师生共同的话题，建立共振共鸣点。

（二）项目的分析与实施

此环节是项目式教学的关键。教师对学生进行分组，逐一分解项目，分配任务，逐步引导学生讨论分析项目的可行性方案，整理项目实施过程中的重难点，有意识地培养学生围绕项目及问题查阅资料的能力，并引导学生通过各种渠道主动探索和解决遇到的问题、贯彻落实项目计划，充分发挥学生的学习主体作用，同时培养学生的团队意识和沟通合作能力。

（三）项目评价

“项目现场问辩”等环节的引入，可引导并督促学生在学习过程中亲历项目实践，主动探究，人人有目标，人人有事做，人人有压力，人人有进步，实现从过去“学习—考试—遗忘”的被动型学习向“思考—探究—创新”的主动型学习转变，同时有效完善能力考核评价制度。

（四）项目拓展延伸与反思

通过项目式教学，教师不仅应完成课程体系的知识架构，还应深入挖掘显性项目之外的隐性知识，将项目延伸下去，顺利打通相关专业课程之间的壁垒，实现课程之间的专业知识无缝对接，完善学生的专业知识体系。此外，对整个项目实施过程的整理、总结和反思也非常重要，经过项目延伸、拓展和沉淀，可实现学习有效积累和可持续发展，形成学习良性循环。

二、“分层次递进、项目多元化”实践教学体系构建

机械学科是一门理论严谨、实践性和应用性都较强的学科[11]。东华理工大学机械工程专业根据本科人才培养方案对学生知识、能力、素质三个层次的培养要求，将专业课程知识体系划分为“课内学知识、课外强拓展、科学重探究”三个层次，按照项目驱动设计思路构建 “分层次递进、项目多元化”的实践教学体系（见图1），在保持教学内容的实用性和先进性的基础上，以课程实验和专业课程设计为突破口，合理选择项目，优化课程知识结构，创设真实的工作環境，引导学生从课堂理论知识自然过渡到工程项目实践，解决学生面对具体问题时的困惑，培养学生解决工程实际问题的能力，切实推进知识、能力与素质并重的创新人才培养进程[15]。

第一层次是以制图大作业、计算机绘图、认知实习、工程训练项目及课程实验项目等为主的工程基础实践模块，旨在培养学生的工程基本技能和工程素养；第二层次是以课程设计、数控综合训练、生产实习、毕业实习等为核心内容的专业综合实践模块，旨在培养学生的综合设计与实践能力；第三层次是以学科竞赛、综合竞赛、课外实践及大学生创新创业项目等为主，以“项目+竞赛”模式为实现途径的创新拓展实践模块，旨在培养学生的创新能力。三个层次的项目贯穿始终，逐阶递进，环环紧扣，相互渗透，将“基本技能、专业综合以及创新拓展” 环节有机融为一体，依托“江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心”重点实验室等平台，通过开放实验室、校企合作等良性互动，强化学生的工程意识，突出学生创新精神和工程实践能力培养的核心地位，实现学生由掌握基本技能到理论与实践相结合、再到实践中创新突破的循序渐进式发展。

三、分层次递进项目式实践教学的实施

結合行业特点及学校机械工程专业实际教学需求，在“分层次递进、项目多元化”实践教学体系的每个层次中选取相关课程样本实施项目式教学实践。

（一）工程基础实践层次的“微型项目”教学实践——互换性与技术测量课程实验

互换性与技术测量是机械专业一门重要的应用技术基础课程，该课程以如何实现互换性为主线，阐述了“国家标准”和“零件几何参数检测”两大关键词。实验教学目标是依托实验项目将课程中零散的知识点凝结串成一个有机整体，帮助学生加深对实现互换性要求的理解，实现理论与实践的有效结合，学以致用。

依据课程特点，提出以“测量微项目”为导向的专业综合实验改革。将传统的相互独立的验证性实验化零为整，优化整合成综合性微型测量项目。项目虽小，但内容完整，符合系统性原则。教师事先发布零件几何参数检测微项目，给定相关零件图，让学生以实验小组为单位进行课前预习，通过查阅文献资料，组内讨论图纸相关技术要求，确定测量方法，现场根据设计方案选用适当的计量器具进行测量操作，处理完成主要实验数据并当场随堂答辩。按工程技术要求培养学生几何误差检测方案设计能力，并使学生具备基本的测量操作技能。

在课程实验教学环节，通过实施“微项目”教学，实现了两个改变。一是学生实验习惯改变：从“点名签到走过场，复制粘贴抄数据”的形式实验向“人人需思考，人人有压力，人人要做事” 转变，有效提高实验参与度，混实验现象明显改观。二是实验评价机制改变：实验成绩评定增设答辩环节，倒逼学生主动参与实验，实验投机现象减少，实验过程得到控制与落实，从过去的“签到+实验报告”转变为“实验过程表现+实验报告+现场答辩”，提高了实验评价机制的科学性及合理性，提升了学生的思考能力。

（二）专业综合实践层次的项目式教学实践——机械原理课程设计

机械原理课程设计是机械专业学生进入专业学习后第一次进行产品方案设计的实践教学环节，旨在使学生初步具备设计和分析机械运动方案的能力，并得到一定的创新设计能力训练。项目须考虑如何实现理论学习与实践的自然过渡，实现有效衔接。根据教学要求展开讨论，导入实际产品项目——家用电风扇的运动分析与设计，从产品功能需求分析出发，先要求学生读懂产品设计者的思想，进行真实产品机构运动方案的分析，再要求学生从设计者角度根据参数进行反向设计，改变了传统课程设计中只针对机构运动方案进行纯理论设计和计算的思路。电风扇是大家非常熟悉的一款日常家用机电产品，因此，学生不容易产生抵触情绪。此外，从机械产品的设计角度来看，该项目不仅涉及运动方案，还包含电路、工程材料、力学原理、结构设计等多门课程知识的综合应用，看似简单实则不易，要想做扎实并非易事，是机械专业知识综合应用的典型体现。课程设计以“机械原理”为载体向多门课程辐射融合，通过项目的实施，实现了三个改变。一是学生学习态度改变：从最初的轻视不在意转变为仔细观察并认真思考，从“只计算会做题”的空中楼阁式学习向“真做事会做事”的落地式实践转变。二是学生角色（身份）改变：从用户（单纯的产品使用者）转变为产品的设计者，通过双重身份学会换位思考，基于用户需求分析的产品设计思想初步形成。三是教学项目内容与形式改变：从单一的课程内实验转变为对多门课程进行综合，初步实现了项目层次递进。

（三）创新拓展实践层次的项目式教学实践——大学生工程训练综合能力竞赛项目实践

竞赛是检验教学效果和学生能力的重要途径之一。通过参赛，师生将“赛、练、教、学、研”有效融为一体。全国大学生工程训练综合能力竞赛旨在提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神等，促进理论与实践的有机结合、基础知识与综合能力水平的共同提升[16]。

“无碳小车”项目是工程训练综合能力竞赛的经典项目之一，其实施过程是一个复杂的系统工程，包括方案确定、图纸设计、加工制造、小车装配、整体调试和现场竞技等诸多环节，需要综合运用多门专业课程知识及人文通识，项目实施过程中会不断出现许多无法预测的问题和困难，且项目实施没有唯一的标准答案或方案，只有更优方案，需要师生共同参与沟通、分析讨论，问题的解决过程就是对专业知识的解读、领悟和诠释过程。学生在真实的项目训练中体验，真正实现“做中学，做中思，研中学，研中乐，学中做，研中做”。经历无数次失败，经受住挫折，能够顽强坚持下来才能走到最后。参赛的全过程不仅是对学生智慧的考量，更是对其心智的考验。通过参加学科竞赛，无论比赛结果如何，学生的知识、能力和素质都能得到明显提升。在2018年的工程训练大赛“无碳小车”项目赛中，东华理工大学机械工程专业学生获取环S赛道的省赛第一名，成功晋级国赛并终获全国一等奖，实现了在该项目上的突破。

学生通过参加各类学科竞赛项目活动，经历大赛的磨炼，实现了三个改变。一是学生学习地位改变：由学习客体向学习主体转变。二是学生学习方式改变：由过去的被动接受灌输向主动探究转变，从“要我学”向“我要学”转变，从“学会知识”向“会学习”转变。三是学生心理状态发生根本性改变：由最初的消极自卑向积极自信转变。

四、分层次递进项目式实践教学的实施效果

通过实施分层次递进项目式实践教学，东华理工大学机械工程专业的专业建设及人才培养均取得了较好的成效。机械工程专业获批国家一流专业建设项目，近年来，以“竞赛+项目”形式，获批并完成大学生科研创新训练计划项目40余项；参加全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛及美国大学生数学建模竞赛等各类竞赛获奖100余项；考研升学率连年提升，一次就业率超过90%。同时，通过项目式实践教学改革，教师科研教研业务水平、项目应用和综合开发能力也得到了有效提高，有效推动了“双师型”师资队伍的建设，实现了教与学同向同行，创新教育成果显著。

五、结语

新工科背景下，进一步加强实践环节、回归工程实践已然成为高等教育机械类专业发展趋势。本文以“夯实基础，强化实践，追求创新”的新型工程技术人才培养理念为指导，以机械工程实践教学环节为抓手，按“工程基础实践、专业综合实践、创新拓展实践”分层次递进式开展项目式实践教学活动，并贯穿学生本科学习全过程。学生在项目情境中获得充分的专业体验，知识、能力和素质水平都有了质的飞跃，实现了提升综合能力的工程教育培养目标。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：周侯辰］