基于新工科的校內外協(xié)同育人模式探索與實踐

劉瑩 閻紹澤 殷皓

摘 要：為培養(yǎng)適應新一輪科技革命和產業(yè)變革的卓越工程科技人才，清華大學設立了機械工程專業(yè)實驗班，并基于“產品工程化設計實踐”核心課程，開展了校內外協(xié)同育人模式的構建與實踐。本文對這一模式的教學目標、教學設計、校外實踐基地建設、校內外指導教師團隊建設等進行總結，為機械工程專業(yè)新工科建設提供參考。

關鍵詞：新工科建設;校內外協(xié)同育人;工程教育;卓越工程人才培養(yǎng)

當前，世界范圍內正加速推進新一輪科技革命和產業(yè)變革，以新技術、新業(yè)態(tài)、新產業(yè)、新模式為特點的新經濟蓬勃發(fā)展，迫切需要培養(yǎng)一大批創(chuàng)新型卓越工程科技人才[1]。2017年，麻省理工學院（MIT）提出了“新工程教育”計劃（NEET），旨在為21世紀中期培養(yǎng)建造新機器和系統(tǒng)的卓越科技人才[2]。我國于2017年先后推出“新工科”建設的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，旨在建立中國工程教育的新范式，營造開放的教育生態(tài)，鼓勵多學科交叉融合、產學/校企深度融合，發(fā)揮體制優(yōu)勢，打造全鏈條的個性化培養(yǎng)方案，支撐“面向未來工程人才培養(yǎng)”[3]。高校新工科建設理論研究與實踐探索為我國工程教育改革和卓越工程人才培養(yǎng)提供了理論依據和實踐指南。然而，新工科建設要取得真正的成效，仍需要高校每門課程的具體設計與實施。本文以清華大學機械工程系重點建設的“產品工程化設計實踐”核心課程為例，系統(tǒng)闡述新工科背景下校內外協(xié)同育人教學模式的構建，為機械工程專業(yè)實踐課程改革提供借鑒和參考。

一、“產品工程化設計實踐”教學目標

為培養(yǎng)適應新一輪科技革命和產業(yè)變革的卓越工程科技人才，清華大學開展了機械工程專業(yè)培養(yǎng)方案的改革，專門將一個班作為實驗班進行教學改革試點。面向機械工程發(fā)展的未來，致力于培養(yǎng)具有扎實科學理論基礎、創(chuàng)新精神、國際視野和系統(tǒng)性思維，具備綜合應用機械領域及相關學科的理論與方法解決未來重大科學問題和工程挑戰(zhàn)的引領人才。

過去，機械設計綜合實踐課程的主要教學內容是：學生按照教師給出的題目開展設計實踐，繪制裝配圖和零部件圖，撰寫設計說明書。這一傳統(tǒng)教學模式屬于“紙上談兵”，割裂了理論教學與實踐教學的聯(lián)系，忽視了對學生實踐動手能力的訓練，缺乏探究性實踐學習環(huán)節(jié)，很難培養(yǎng)出面向新工科的、具有鮮明機械工程特色的高水平創(chuàng)新型工程技術人才。為了適應新工科建設的需要，我們開設了“產品工程化設計實踐”課程。該課程是實驗班培養(yǎng)方案中重點建設的綜合設計實踐類課程，安排在學生修完機械制圖、機械設計與制造等技術基礎課程后進行。

依據“創(chuàng)新教育模式、激發(fā)學術志趣、提高培養(yǎng)質量”，以及價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授的“三位一體”的培養(yǎng)理念，我們提出了“產品工程化設計實踐”課程的教學目標：綜合利用機械設計、機械制造和工程材料等多學科知識，通過團隊協(xié)作，設計并制造一臺真實的產品原型機;開展樣機性能測試，進一步完善設計。以“真實產品原型”為對象，就是引導學生在專業(yè)學習的同時，關注人類社會生存與發(fā)展問題，結合工程實際需求，在設計與制造過程中解決遇到的各種挑戰(zhàn)，掌握面向產品設計需求的多學科交叉融合知識，培養(yǎng)自主學習能力，以及產品設計和制造能力。

二、“產品工程化設計實踐”校內外協(xié)同育人教學模式

目前，我國工程專業(yè)的多數(shù)教師缺乏工程實際經驗和對現(xiàn)代企業(yè)高端裝備的了解，難以滿足指導學生在新工科背景下開展機械設計教學的需求。同時，現(xiàn)有實踐課程體系中缺乏學生課外實踐活動的場所，校內外協(xié)同育人的力度不夠，導致學生工程化設計能力和創(chuàng)新設計訓練水平不足。為了解決上述問題，我們探索實施了“產品工程化設計實踐”校內外協(xié)同育人模式。

1.建設校外實踐基地

通過對北京周邊地區(qū)從事產品研發(fā)的企事業(yè)單位調研，并考慮協(xié)同育人的可能性，我們最終選定中國科學技術館作為校內外協(xié)同育人實踐基地。中國科學技術館是我國唯一的國家級綜合性科技館，是實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略和創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，提高全民科學素質的大型科普基礎設施，承擔著從原始機械到現(xiàn)代復雜機械系統(tǒng)的“科普物理樣機”研發(fā)工作，中國科學技術館有多位實踐經驗豐富的高級工程師。

學生通過在中國科學技術館參觀學習科普展品以及與科技館工作人員交流，了解科普展品物理樣機創(chuàng)新設計的挑戰(zhàn)度，了解機械工程發(fā)展歷史，并受到科學精神、科學思想和方法的熏陶。因此，“產品工程化設計實踐”課程具有更加開放的學習模式。開放的學習模式，促進了學生多維互動，培養(yǎng)了學生與各種角色人員的交流溝通能力，以及創(chuàng)新設計能力。

2.組建校內外指導教師團隊

“產品工程化設計實踐”課程是清華大學與中國科學技術館的“共建”課程。指導教師團隊由清華大學教師和中國科學技術館內專業(yè)技術人員組成，校內支撐平臺是清華大學機械工程國家級實驗教學示范中心、工程訓練國家級實驗教學示范中心及清華大學與中國科學技術館展品創(chuàng)新設計實踐基地，校內指導教師團隊由講授機械設計、機械制造和工藝課程的機械工程系、工程訓練中心的教師組成。通過“共建”，中國科學技術館為學生提供了產品設計需求調研的場所和對象;館內專業(yè)技術人員全程參與指導，使學生了解工程實際需求，真實融入產業(yè)設計的情景中，使學生實踐成果真正受到“用戶需求”的最終檢驗，獲得競爭意識的真實體驗。

在課程教學中，校內外指導教師分工明確。校內教師指導學生在設計實踐過程中的設計進度，傳授設計方法，對技術路線和關鍵技術中的難點“答疑解惑”，指導學生加工制造零部件和裝配調試整機。中國科學技術館指導教師對科技館原型機展品設計非常熟悉，十分了解機械科技發(fā)展史，尤其是不同歷史時期及當今機械科技的核心創(chuàng)新之處，可以啟發(fā)學生創(chuàng)新思維，引導學生創(chuàng)新設計實踐。

三、“產品工程化設計實踐”教學設計

“產品工程化設計實踐”課程4學分，在學生修完機械制圖、工程材料、機械設計與制造等技術基礎課后安排進行。根據學生的興趣成立若干小組，每個小組有4～5人。

“產品工程化設計實踐”課程的設計載體是科普展品物理樣機的創(chuàng)新設計。因此，在課程內容設置上，我們建立了機械學科內的知識“縱向融合”以及與其他學科知識“橫向融合”相結合的課程內容體系（見圖1）。學科內知識主要涉及學生前修課程，如機械制圖、工程材料、機械設計與制造、測控技術等。由于是具體展品物理樣機的設計，相關工作必然涉及其他學科知識，如管理學（設計過程管理、成本預測等）、設計方法學（人因工程、可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境友好設計理念）及社會科學（美學、心理學等），這就要求學生在設計實踐過程中開展自主學習，并靈活應用相關知識。

下面介紹“產品工程化設計實踐”教學設計中的具體改革舉措。

（1）選題。根據中國科學技術館展品設計研發(fā)主題，由學生通過對館內觀眾及科技館展品設計中心專業(yè)技術人員廣泛調研后自主選擇，通過中國科學技術館專家委員會的答辯審核后立項，并確定設計小組的選題。最終“展品物理樣機”還要經過中國科學技術館的專家驗收評審。

（2）專題講座。為使學生在科學方法指導下，順利完成調研、立項、結題等各環(huán)節(jié)工作，我們在課程中為學生安排了相應的專題講座。例如，在用戶調查環(huán)節(jié)，請中國科學技術館專家開設講座，以豐富的實例，講解調查問卷設計的目的、方法及技巧、調研過程中對不同受訪對象的交流技巧、調研結果的科學分析與歸納方法等。

（3）設計小組同學間的團隊協(xié)作。本課程要求學生以團隊合作形式，完成展品設計中的現(xiàn)場調研、小組研討、階段成果匯報及最終的作品展示。因此，我們在教學中引入管理學中有關團隊建設的科學方法，引導學生明確團隊成員角色及任務，制訂團隊工作計劃，建立團隊學習日志，增強團員之間的溝通與交流技巧等。通過學生探究性學習和實踐，有序推進設計工作。例如，學生在設計直流發(fā)電裝置時，根據理論分析和計算完成了發(fā)電裝置的設計制作。但是，發(fā)電裝置進行實際測試時并沒有達到預期輸出電壓，學生小組反復核算，均未發(fā)現(xiàn)設計問題。針對這一情況，指導教師與同學們共同研究分析，并逐項對主要結構參數(shù)、材料等進行檢查，最終發(fā)現(xiàn)，由于換向器使用了鋁合金材料，其表面氧化形成的三氧化二鋁影響了其導電性能。于是，通過更換導電性更好的材料后，裝置性能得到了改善。通過親身實踐、自主學習和探究，學生們不僅掌握了科學解決問題的一般思路，重要的是形成了在團隊學習中獨立發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

（4）校園外的開放式學習。本課程教學要求學生走出校門，接觸真實的社會，學會與各類不同角色人員進行互動及溝通。以設計人體耳蝸模型為例。該展品旨在通過使觀眾了解耳蝸構造與聲音獲取的工作原理，提醒觀眾關注噪聲污染，保護聽力。作為機械工程專業(yè)的學生，他們對耳蝸構造及傳聲原理缺乏系統(tǒng)的認識。另外，針對科普展品趣味性、互動性的需求，如何形象生動地表現(xiàn)耳蝸構造中對不同頻段聲音的處理原理，也是展品設計過程中的難題。于是，學生通過走訪耳科醫(yī)生、查閱相關書籍等，獲取了耳蝸相關知識，經過師生間反復研究和論證，最終提出了用看得見的“光”的強弱反映看不見的“聲音”的頻率，取得了良好的效果。

在展品物理樣機制作過程中，學生還需要針對展品零部件的可獲得性、可制造性等，與供貨商、制造商進行溝通和交流。在制造、安裝和調試階段，教師帶領學生深入到制造車間，與工人師傅與技術人員近距離接觸，更真切地體會設計與制造之間的關系、理論與實踐之間的差距。

這些訓練環(huán)節(jié)改變了傳統(tǒng)的灌輸式教學模式和封閉式訓練模式。學生通過與客戶、供貨商、制造商和專家學者的多維互動，自覺發(fā)揮了他們的主動性和創(chuàng)造性，提升了自身的溝通與交流能力，學會了從事設計工作的科學方法，鍛煉了獨立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。校內外協(xié)同育人模式不僅有助于學生樹立正確的設計理念，也使學生受到工程文化素質教育，培養(yǎng)了學生的職業(yè)道德和社會責任感。

（5）考核評價。本課程考核以學生在產品設計制造全過程中綜合能力的養(yǎng)成為主要依據，建立了多元考核的過程評價方法，學生成績由5個部分組成：開題報告占總成績的15%，按小組開題報告水平評定成績;設計資料，包括產品設計說明書、施工圖紙、源程序等成績，占總成績的40%，分別評定小組成員的成績;制作環(huán)節(jié)及性能調試工作，占總成績的20%，分別評定小組成員的成績;成果提交答辯、演示、專利撰寫，占總成績的15%，按小組給成績;課外出勤及討論情況，占總成績的10%，成員分別給成績（包括學生之間的互評）。

過程性評價關注學習過程和非預期結果，是對學生學習動機態(tài)度、過程和效果進行的三位一體評價方法[4]。教學實踐表明，這種評價方法注重學生的成長過程，增強了學生勇于嘗試、敢于創(chuàng)新的意識，比較適合“產品工程化設計實踐”課程的開放式教學模式。

四、“產品工程化設計實踐”教學效果

本課程基于科普展品物理樣機創(chuàng)新設計與制造，歷經四年教學實踐，以培養(yǎng)未來引領式產業(yè)人才為目標，提升了學生自主學習的能力，使學生受到系統(tǒng)的工程思維與實踐的訓練，培養(yǎng)了學生工程專業(yè)能力和工程文化素養(yǎng)，拓展了學生工程視野。

本課程構建了多學科交叉與融合、多維互動開放式實踐教學模式，架起了學校與產業(yè)之間的橋梁，建立了基于新工科的產品工程化設計實踐課程校內外協(xié)同育人模式。不僅取得了良好的教學效果和學習成效，獲得清華大學本科生精品課程榮譽稱號，而且也為中國科學技術館科普展品創(chuàng)新設計提供了新途徑，實現(xiàn)了協(xié)同育人的互贏。

“產品工程化設計實踐”課程校內外協(xié)同育人模式對任課教師的教學與科研綜合能力提出了挑戰(zhàn)。指導教師不但需要投入較大的精力引導學生掌握正確的科研方法與工程實踐過程，還需要不斷學習新知識、新技術，拓展和更新自身的知識體系以適應多學科交叉融合的科普展品創(chuàng)新設計需求。因此，需通過組織高水平的教師團隊，并制定專門的教師業(yè)績考核機制，以保證此類實踐課程新教學模式的實施與可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1] 陸國棟 . “新工科”建設的五個突破與初步探索 [J]. 中國大學教學，2017（5）：38-41.

[2]劉坤，陳通.新工科教育治理芻議[J].中國大學教學，2020（1）：37-41（轉64）.

[3]顧佩華.新工科建設發(fā)展與深化的思考[J].中國大學教學，2019（9）：10-14.

[4]吳維寧.過程性評價的理念與方法[J].課程 教材 教法，2006（6）：18-22.

[基金項目：教育部新工科研究與實踐項目（第二批）：新工科背景下機械基礎課程體系重構及綜合實踐示范課程建設]

[責任編輯：夏魯惠]