基于数字技术的机械类专业教学体系创新研究

张红丽

（青岛工学院，山东 青岛 266300）

0 引言

“四新”人才培养是数字化战略下的主旋律，其中新工科是工科教育改革和创新的方向。新工科的出现是为了适应数字化时代和信息技术发展的需求，培养具备跨学科综合能力、创新能力和实践能力的工科人才。这种培养模式的推行将有助于满足数字化时代对人才的需求，推动数字化战略的实施。我国是一个制造大国，为了实现“制造强国”的梦想，我国机械制造业正在大力提高产业技术和产业化创新能力，应用现代数字技术对传统制造业进行改造，变革产品的设计方式和制造手段，提升传统产业的国际竞争力。我国制造业要实现这一跨越式发展，迫切需要大量掌握现代新技术、新技能的创新人才，那么加快这类人才的培养就成为机械类各专业面临的重大课题[1]。

1 数字技术在教学中的发展应用情况

在新工科建设目标的指引下，我国高校在数字化发展方面也取得了很多成果，如华中师范大学建有云端教室，包含资源平台、云端一体化智慧教室等，利用云计算和智能技术，提供了更加便捷和高效的教学环境，为学生和教师提供了更多的资源和工具支持；西安电子科技大学通过智能技术与教育的深度融合，重构了人才培养支撑体系，实现了教师和平台的“双师”授课和线上、线下的“双空间”教学[2]，这种模式能够更好地满足学生个性化学习的需求，提供更灵活和多样化的学习方式；广西科技大学采用云计算思想与虚拟现实（VR）技术，创建了基于VR 技术的机械类实验云教学平台，这个平台为机械类学生提供了全天候的交互式实操体验，使学生能够在虚拟环境中进行实验操作，提高实践能力和学习效果。

通过引入云计算、智能技术和虚拟现实等先进技术，高校能够提供更好的教学环境和资源支持，培养更具创新能力和实践能力的工科人才。这些成果对于推动我国高等教育的数字化转型和提升教育质量具有重要意义。

2 机械类专业教学体系目前存在问题

机械类专业教学体系是指为培养机械类专业学生所设计的一套教学计划和教学方法。它包括了教学目标、课程设置、教学方法、教材教辅、实践环节等方面。在具体实施过程中主要存在以下问题：

（1）理论与实践脱节，教学内容滞后，专业人才培养与社会、企业发展相适应的教育需求不匹配。机械类专业的教学过程中，理论知识与实践操作往往脱节。学生在课堂上学习了大量的理论知识，但在实际操作中却缺乏经验和技能[3]。这导致学生在实际工作中难以应对复杂的问题。还有随着科技的不断进步，机械行业的技术也在不断更新，但教学内容却没有及时跟进。这导致学生在毕业后需要进行额外的学习和培训，才能适应行业的发展需求。

（2）课程之间缺乏关联，项目实践不足，无法培养学生的实践能力和团队合作能力。目前课程体系中各个课程是孤立的，知识点是分散的，不够系统，学生学完课程后达不到融合，与企事业所需人才的技能有所差距。学生缺乏实际操作的机会，无法将理论知识应用到实际工作中。

（3）教学方法单一，信息化教学不足，不能很好激发学生的学习兴趣和创新思维，提高他们的综合素质。一些机械类专业的教学方法较为传统，主要依靠课堂讲解和实验操作，限制了学生的发展空间。随着数字化时代的到来，机械类专业的教学也需要与之相适应。然而，一些教学体系对信息化教学的应用不足，无法充分利用现代技术手段提升教学效果。

3 机械类专业教学体系创新设计

数字化时代的到来给人才培养带来了新的挑战和机遇，为了培养“四新”人才，我国高等教育形态需要进行及时的变革推动。

3.1 创新人才培养模式

基于“新工科”背景的机械工程学科发展新形式下人才培养的需求，实施技术技能双层次，开设新技术、特色技能和复合技能等多个专业岗位培养方向。一方面，培养学生掌握新技术和特色技能，如智能制造、数字化设计与制造、机器人技术等。另一方面，也要注重培养学生的复合技能，使其具备跨领域的综合能力。同时，注重跨学科的融合，将机械工程与电子工程、计算机工程等学科进行交叉，实现跨学科的融合。通过打通校内学科交叉融合通道，重组内部资源，建立满足数字化、智能化产业升级和学生多元发展需求的“机械专业+”的人才培养模式，培养学生的综合素质和跨领域的能力，使机械工程学科的人才培养更加适应数字化转型的需求[4]。

3.2 教学内容体系数字化

以工程教育理念为指导，紧跟行业发展动态，对机械类专业的课程设置进行更新和调整，引入新兴的技术和知识领域，建立机械类专业模块化课程教学内容体系，将专业课程与数字化辅助设计、制造、分析等课程有效结合，重组内部资源，形成数字化设计、智能制造、自动化控制系统教学模块，以满足市场对新型人才的需求。在课堂教学、实验教学、实践教学、实习实训等教学环节过程中对学生进行专业培养，形成专业理论与方法应用一体的教学内容体系，实现了新兴知识补充和能力要求提升的双重目标，反映了课程教学改革的前沿性和时代性。

本研究以机械设计类模块课程群及数字化设计为例（图1）。将机械设计类课程中设计理论与计算机辅助设计、建模、分析等知识点相融合，将理论学习延伸到企业实际需求，能够对企业机电产品进行虚拟设计和仿真分析，培养学生的数字化设计、工程分析和优化能力。

图1 机械设计类模块课程群及数字化设计应用

3.3 教学资源数字化

教学资源的数字化是指将教学所需的各种资源，包括教材、课件、教学视频、练习题等，转化为数字形式，以便于在数字化环境下进行教学和学习。

（1）搭建专业课程云平台，利用各种MOOC 平台资源，对专业课程教学资源进行整合和优化，包括电子教材、课件、动画、视频、仿真软件、练习库等教学资源，建设服务本校课程教学的优质云端教学资源，引入线上课堂和学习社区，为学生提供便捷的学习环境和资源共享平台。同时在学生登录平台的学习过程中，该平台可以记录学生学习的足迹并进行测评分析，这些数据都可以作为课程评估和教学改进的依据。通过将课堂教学与云平台有机融合，把传统的课堂进一步向外拓展与延伸，提供了更加丰富的教育教学形式，为学生差异化培养提供了保障。

（2）利用数字网络技术、虚拟仿真技术等，对机械专业教学体系中实验教学资源进行数字化建设，将实验项目进行分析、分类，根据实验项目性质，将一些实验项目利用虚拟现实技术，建设虚拟仿真实验教学平台。虚拟实验的开展使学生的实验教学更加灵活，不再需要等待实验室开放或受限于实验室的容量，减少实验事故的发生；同时虚拟实验的应用还可以提供更多的实验机会和实验资源，让学生进行多次实验和反复实践，加深对机械实验的理解和掌握。这不仅提升实验教学质量，而且提高学生的实践能力，大大提高了实验教学的效率及资源利用率。

（3）通过调研区域内同类高校机械工程教学体系建设、教学资源情况，及相关企事业单位的需求及技术发展情况，建立学校与企业的常态化交流机制，及时吸收企业发展的最新技术，利用学校和企业双重资源，运用远程视频教学、微视频、虚拟仿真软件等数字化工具与企业联通搭建现场实践教学场景，模拟真实的工程实践环境。

（4）培养教师的数字化教学能力，提供教学设计和教学方法的培训，使其能够灵活运用数字化工具和资源进行教学。同时，鼓励学生参与自主学习和合作学习，通过线上讨论、团队项目等方式，培养学生的合作能力和创新能力。

通过以上措施，可以构建完整的专业实践教学体系，提升机械工程课程的教学质量和学生的实践能力。同时，数字化教学平台的建设也为学生提供了更加灵活和便捷的学习方式，促进了线上线下教学的融合。

3.4 教学方法多元化

根据工程师培养定位，基于数字化学习环境，按照现代教育观“学生中心、经验中心、活动中心”三中心的理念，在课程教学中融入实际工程项目或案例，将课程内容拓展到实际项目应用中，采用多元化的教学方法，引入多种教学方法，如问题导向教学、案例教学、小组讨论、项目实践等。在教学中注重培养学生的创新思维和解决问题的能力。可以通过开展创新竞赛、组织创新实验、设计创新课程等方式，激发学生的创新潜力。也可以引入虚拟仿真实验、实践实习等教学手段，提高学生的实践操作能力，使课程授课与工程师培养理念相结合。

在教学中引入教师承担的科学技术研究项目，就可以将科研与教学进行融合。这样不仅可以提升教师的专业素养，激发学生的学习兴趣，培养学生的科研能力，并推动教学和科研的互动发展[5]。如研究的“单立柱桁架式全自动上下料装置”项目是基于传统数控车床，进行自动上下料功能改造，保留原有机床本体及功能，设计增加机床的自动上下料装置。根据项目应用目标分解为三个设计任务：自动送料装置设计、自动上下料装置设计、与机床匹配的控制系统设计。项目涉及了机械设计、机械原理、数控加工与编程、电气控制与PLC、液压与气压传动、机械制造工艺学等多门课程知识点，可以作为这些课程提供多个项目教学案例。在研究过程中，分析项目研究方案，可拓展学习机械设计、机械制造及电气控制课程群多门课程知识点。这种融合模式有助于培养更多能够应对数字化挑战的人才，推动数字化战略的实施。

3.5 教学考评机制创新

考评方式与教学过程相配合，优化基于信息管理平台的全程全要素考评机制。根据专业人才培养对课程教学目标要求，系统梳理各教学环节考评要求。明确每个环节的目标和评价指标，确保考评与教学目标相一致。构建基于过程数据的全员、全程、全要素课程教学考核机制和能力评价方法，精准评价学生的专业创新能力和素质。综合运用随堂练习、网络测试、课内实验、实践项目（含建模分析、编程求解、运行仿真、报告撰写和汇报答辩等环节）、期末考试等考核方式，考察学生获得解决实际问题的能力，形成了完善的课程质量保证体系。

依托网络教学平台和数字化信息管理平台，构建了面向产出的机械类专业能力和综合素质评价指标体系，设置设计、制造、控制三模块的能力要素观测点，实现学生发展过程和目标达成的实时观测与过程管理，以全面评估学生的专业能力和综合素质。依教学进程推进，计算每个培养环节的课程目标达成度并综合计算每项毕业要求达成度指标。最后获得每项毕业要求所有学生总体达成度指标和每位毕业生所有毕业要求达成度指标。

4 结语

为适应国家重大战略及社会经济发展需要，“新工科”建设速度加快，我国高等教育形态需要进行及时的变革推动。首先，高校需要加强对“新工科”专业群的建设，提升教学水平和科研能力，为学生提供更好的学习环境和资源支持。其次，高校需要调整课程设置，增加与“新工科”相关的课程，培养学生的专业知识和实践能力。

在智能制造背景下，数字化设计与制造自动化是机械类专业人才培养的发展趋势。数字化教学技术的发展为教学体系数字化、教学模式的改革、学科差异化教学、个性化教学的实现提供了良好的方法和平台，可以提高教学效率，促进学生对知识的理解掌握，形成多学科交叉融合，推动学生个性化发展，所以在“新工科”背景下，基于数字技术的机械类专业教学模式创新研究推广应用具有重要的意义。