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        “大工程觀”視域下一流機械工程人才培養(yǎng)研究與實踐

        2020-05-25 02:47:26江桂云羅遠(yuǎn)新李聰波
        中國大學(xué)教學(xué) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:機械工程培養(yǎng)模式人才培養(yǎng)

        江桂云 羅遠(yuǎn)新 李聰波

        摘 要:本文探索了機械工程人才培養(yǎng)的“大工程觀”內(nèi)涵,對機械工程人才培養(yǎng)“大工程觀”形成過程、課程體系構(gòu)建、非正式學(xué)習(xí)能力教學(xué)模式、新型工程實踐教學(xué)體系構(gòu)建等進行了研究與實踐,構(gòu)建了與一流機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)相適應(yīng)的課程體系和培養(yǎng)模式。

        關(guān)鍵詞:大工程觀;機械工程;人才培養(yǎng);課程體系;培養(yǎng)模式

        新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯,國際產(chǎn)業(yè)分工格局正在重塑。中國制造轉(zhuǎn)型過程中工程人才結(jié)構(gòu)性過剩與短缺并存,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)人才素質(zhì)提高和轉(zhuǎn)崗轉(zhuǎn)業(yè)任務(wù)艱巨,而領(lǐng)軍人才和大國工匠嚴(yán)重緊缺[1]。傳統(tǒng)的機械工程師培養(yǎng)主要致力于某一專業(yè)(專業(yè)面很窄)領(lǐng)域的技術(shù)人才,這類人才對大而復(fù)雜的工程產(chǎn)品(如深海探測、大飛機、航天飛船、智能裝備、自動化生產(chǎn)線、高端數(shù)控機床等)缺乏大工程觀系統(tǒng)性認(rèn)識,成為領(lǐng)軍人才的潛力不足[2]。對傳統(tǒng)機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進行升級改造,建設(shè)一流機械工程專業(yè),培養(yǎng)具有國際競爭力的機械工程技術(shù)人才迫在眉睫。

        一、一流機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)的現(xiàn)實背景

        MIT新工程教育推進中心在2018年“The global state of the art in engineering education”報告中指出,中國、印度、巴西等國在本科課程體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和講授方法等方面固化,給予學(xué)生實踐與創(chuàng)新空間非常有限。同時,單一固化的專業(yè)知識架構(gòu)在很大程度上制約了跨學(xué)科的工程創(chuàng)新能力[3]。李培根院士也指出,未來的優(yōu)秀工程師應(yīng)該具備大工程觀,具備多學(xué)科知識和系統(tǒng)認(rèn)識,工程通常包含多學(xué)科的問題,能夠從多學(xué)科的視角審視某一工程問題[4]。

        如何培養(yǎng)具有大工程觀的未來卓越工程師,是一流機械工程專業(yè)建設(shè)面臨的首要難題。目前,我國工程教育主要存在如下問題:①工程教育的培養(yǎng)層次、結(jié)構(gòu)體系不適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展對工程人才的需求;②傳統(tǒng)專業(yè)對人才的培養(yǎng)受到學(xué)科壁壘限制,窄化了工程人才的知識體系;③專業(yè)藩籬,限制了工程人才的大工程觀,工程教育缺乏對復(fù)合型工程人才的培養(yǎng);④教學(xué)體系不適應(yīng)工程特點,缺乏對課程的邊界分析,僅考慮學(xué)科體系的完整性,缺乏適應(yīng)現(xiàn)代工程特點的變化;⑤工程教育未能有效面向工程實際,工程教育與企業(yè)合作不夠緊密,校企隔閡阻礙了工程人才的市場匹配[5-7]。

        因此,以一流機械工程專業(yè)建設(shè)為目標(biāo),以培養(yǎng)具有大工程觀的未來卓越工程師為根本任務(wù),對傳統(tǒng)的機械工程人才培養(yǎng)模式進行升級改造,培養(yǎng)具有大工程視野的未來優(yōu)秀工程師和領(lǐng)軍人才,以適應(yīng)未來我國創(chuàng)新驅(qū)動需求和全球化科技工程競爭環(huán)境,具有重要的現(xiàn)實意義。

        二、機械工程人才“大工程觀”視域研究

        1.“大工程觀”內(nèi)涵

        “大工程觀”是由1993年麻省理工學(xué)院時任院長喬爾·莫西斯提出來的。他指出,工程教育的改革方向是要使建立在學(xué)科基礎(chǔ)上的工程教育回歸其本來的含義,更加重視工程實際以及工程教育本身的系統(tǒng)性和完整性?!按蠊こ逃^”的本質(zhì)就是將科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、工程實踐融為一體,其主要特征是實踐性、整合性和創(chuàng)新性?!按蠊こ逃^”就是“以整合、系統(tǒng)、應(yīng)變、再循環(huán)的視角看待大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的思想”[8]。大工程觀包括宏大或復(fù)雜工程視野、工程的多學(xué)科視野及其所需要的科學(xué)基礎(chǔ)素養(yǎng),此外還應(yīng)包含相應(yīng)的人文情懷及工程組織素養(yǎng)。

        2.機械工程人才的“大工程觀”

        對于機械工程來講,大工程觀不僅體現(xiàn)在大型復(fù)雜工程項目,如航天飛機、艦船、汽車、衛(wèi)星火箭等,這些項目本身就是大系統(tǒng)、復(fù)雜工程,知識領(lǐng)域涉及材料、環(huán)境、機械、控制、計算機、社會、工程管理等眾多學(xué)科。一個小的機械產(chǎn)品也可能成為一個“大”的工程。因為一個小的機械產(chǎn)品完全可能涉及多學(xué)科及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈。例如,齒輪、軸承涉及電子、物理、材料、制造、機械、化學(xué)等諸多領(lǐng)域,涉及材料、機械制造、電氣、服務(wù)等多個行業(yè)。

        在機械工程人才培養(yǎng)方面,需要研究機械工程師在大工程領(lǐng)域能夠解決的工程問題和承擔(dān)的角色,探討機械工程科學(xué)知識系統(tǒng)范圍的制約、多學(xué)科交叉與融合機制。例如,高性能齒輪設(shè)計分析與制造工程涉及動力學(xué)、疲勞設(shè)計、切削工藝、塑性成型與熱處理、噪聲、壽命、潤滑理論、接觸分析、材料、宏觀幾何設(shè)計、微觀修形設(shè)計、傳動誤差等多學(xué)科交叉知識,體現(xiàn)了數(shù)學(xué)、自然科學(xué)知識(物理、化學(xué))、工程基礎(chǔ)知識(力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)、噪聲、振動、潤滑)、機械專業(yè)知識(加工、制造、設(shè)計方法等)的系統(tǒng)性和綜合性、實踐性和創(chuàng)新性。齒輪從開發(fā)、設(shè)計到使用的整個生命周期還涉及到上下游產(chǎn)業(yè)鏈、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展工程對卓越機械工程師應(yīng)具備的資源優(yōu)化配置、綜合統(tǒng)籌能力的挑戰(zhàn)。

        在機械工程實踐中,機械工程師要完成機械零件、產(chǎn)品(或機器)、系統(tǒng)、工藝設(shè)計、制造、使用、維護等工程項目。很多機械工程項目都將涉及機、電、液、控制、材料、計算機等多學(xué)科知識系統(tǒng)的交叉融合,涉及工程倫理、社會責(zé)任,涉及大工程多維度整體論思想,即考慮工程與全球、國家、社會、環(huán)境、經(jīng)濟、文化、道德等各個層面的影響機制。因此,機械工程人才培養(yǎng)大工程觀是建立在機械工程學(xué)科基礎(chǔ)上的工程教育,將科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、機械工程實踐融為一體,應(yīng)具有宏大或復(fù)雜工程視野、機械工程的多學(xué)科視野及其所需要的科學(xué)基礎(chǔ)素養(yǎng)、相應(yīng)的人文情懷及工程組織素養(yǎng)。對于一位優(yōu)秀的機械工程人員,無論從技術(shù)角度還是從產(chǎn)業(yè)角度,都需要有對多學(xué)科甚至多行業(yè)的認(rèn)知與理解。對于一位機械工程專業(yè)學(xué)生(尤其是優(yōu)秀學(xué)生),無論未來從事技術(shù)、學(xué)術(shù)、企業(yè)管理工作甚至創(chuàng)業(yè),是否具備大工程觀乃是其能否真正成才的重要因素。

        三、機械工程“大工程觀”人才培養(yǎng)路徑研究

        1.機械工程人才培養(yǎng)“大工程觀”形成過程

        機械工程人才“大工程觀”的形成過程具有四重境界,即工程導(dǎo)論階段(“迷茫”)、理論教學(xué)階段(“追逐”)、工程實踐階段(“悟道”)和終生學(xué)習(xí)階段(“得道”)。

        因此,對于機械工程人才“大工程觀”的培養(yǎng),首先需要研究機械工程師應(yīng)具備的科學(xué)基礎(chǔ)和宏觀知識架構(gòu)體系,探索科學(xué)基礎(chǔ)和宏觀知識架構(gòu)培養(yǎng)的基本方法和實現(xiàn)路徑。其次,研究學(xué)生大工程知識體系中的嘗試實踐、理論教學(xué)、綜合實踐等教育模式和方法,探索大工程教育主要環(huán)節(jié)評價方法與架構(gòu)體系達成程度。再次,研究工程的人文情懷和工程組織能力達成的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié),分析氛圍環(huán)境對其影響機制,探索推動氛圍環(huán)境改善的措施。此外,還需要研究基本知識架構(gòu)對自學(xué)與自教育能力的影響機制。

        2.構(gòu)建機械工程專業(yè)課程體系

        依據(jù)機械工程師應(yīng)具備的科學(xué)基礎(chǔ)和宏觀知識架構(gòu)體系(主要通過課程體系來達成)進行課程設(shè)置與教學(xué)改革是大工程觀教育改革的核心。

        (1)按工程過程的基本規(guī)律構(gòu)建課程體系。一般情況下,機械工程過程可劃分為產(chǎn)品構(gòu)思—設(shè)計—制造—使用—回收再利用五個階段,核心在產(chǎn)品構(gòu)思—設(shè)計—制造,因此需夯實基礎(chǔ)課程,如數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)類課程,特別是工程基礎(chǔ)類課程,如力學(xué)(工程熱力學(xué)、熱工學(xué)、流體力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、固體力學(xué)、應(yīng)用力學(xué)等)、電學(xué)(電工電子、數(shù)字電路、電磁學(xué)等)、材料類科學(xué)(工程材料、材料成型技術(shù)基礎(chǔ)等)、管理類課程(系統(tǒng)工程學(xué)、企業(yè)管理、市場營銷等)。也要加強人文科學(xué)、社會科學(xué)基礎(chǔ),以實現(xiàn)工程與人文、工程與環(huán)境、工程與道德的有機結(jié)合,使學(xué)生具有較強的發(fā)展?jié)摿?,增強對不同工程項目的適應(yīng)性及運用工程的社會屬性去分析解決工程問題。

        在夯實基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)上,機械工程專業(yè)課程體系設(shè)置應(yīng)遵循設(shè)計—制造的工程鏈順序,按照設(shè)計類課程—制造類課程的體系進行布置。設(shè)計類課程包括機械制圖、機械原理、機械設(shè)計、機械精度設(shè)計、流體傳動與控制、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)、控制工程基礎(chǔ)、機電系統(tǒng)設(shè)計等課程,制造類課程包括機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控編程與工藝、精密與特種加工、先進制造技術(shù)等。在充分研究基礎(chǔ)上,確定合理的課程先后順序及彼此間的關(guān)聯(lián)。各課程組按工程視域?qū)崿F(xiàn)螺旋式上升,使學(xué)生從認(rèn)識簡單工程、認(rèn)識中等工程到認(rèn)識復(fù)雜工程步步推進。

        在使用—回收再利用工程環(huán)節(jié),還可以增設(shè)產(chǎn)品生命周期管理、綠色制造、企業(yè)管理、現(xiàn)代質(zhì)量工程等課程,培養(yǎng)學(xué)生對產(chǎn)品全生命周期、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的深入理解,在工程實踐過程中追求人與人、人與社會、人與自然和諧相處。這也是高等工程教育的最高境界。

        課程設(shè)置還應(yīng)注重多學(xué)科交叉,培養(yǎng)學(xué)生從全局、系統(tǒng)工程的角度審視工程問題的能力,開設(shè)全校性的跨學(xué)院、跨學(xué)科選課,并規(guī)定每個學(xué)生必須選擇的最低學(xué)分。此外,通過設(shè)置新興前沿課程和傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)模塊,如智能制造、機器人、機械傳動、重型機械、現(xiàn)代制造方向、制造信息化、機電控制等專業(yè)模塊課程,實現(xiàn)個性化專業(yè)方向培養(yǎng),達到“大工程觀”視域下通才培養(yǎng)與專才培養(yǎng)的平衡。

        (2)以“意義建構(gòu)”組織課程,使課程體系從“層狀”轉(zhuǎn)向“網(wǎng)狀與層狀融合”。傳統(tǒng)的課程體系設(shè)置一般按照公共基礎(chǔ)課程、自然科學(xué)基礎(chǔ)課程、工程基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程的順序展開。這比較符合學(xué)科體系,但過于注重各門課程自身知識的完備性、系統(tǒng)性和科學(xué)性,使工程教育過于科學(xué)化。各門課程間的聯(lián)系較少,缺少工程的系統(tǒng)性和綜合性。應(yīng)在層狀課程體系基礎(chǔ)上,按工程的系統(tǒng)性和綜合性加強課程間的縱向聯(lián)系及橫向聯(lián)系,形成課程體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        (3)機械類核心課程邊界再設(shè)計。①按照現(xiàn)代產(chǎn)品全生命周期設(shè)計理念,從概念提出—市場調(diào)研—方案設(shè)計—詳細(xì)設(shè)計—優(yōu)化分析—可靠性評估—服役性能評估—循環(huán)再利用等環(huán)節(jié),重新界定機械設(shè)計學(xué)、機械零件、機械有限元方法、機械精度設(shè)計等課程的課程邊界,理論教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)更加注重力學(xué)理論(與材料力學(xué)、理論力學(xué)的邊界)以及優(yōu)化設(shè)計、抗疲勞設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的融合,實踐環(huán)節(jié)則強調(diào)產(chǎn)品全生命周期設(shè)計理念。②教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)注重制造過程的基礎(chǔ)理論,實踐環(huán)節(jié)則注重從大工程觀視域提出制造工藝方案,注重工程職業(yè)素養(yǎng)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等在機械制造中的應(yīng)用。③以統(tǒng)一的機電控制“大工程觀”視域分析控制工程基礎(chǔ)、機械電氣與自動化、傳感與測試、機電系統(tǒng)設(shè)計、流體傳動與控制等課程的核心內(nèi)容和主要方法,注重各課程間的外在聯(lián)系,厘清各課程與機電系統(tǒng)工程間的聯(lián)系。

        重慶大學(xué)機械工程專業(yè)將原有的三大類7~8門課程整合為“機械設(shè)計”“制造技術(shù)”“機電測控技術(shù)”3門核心課程,實現(xiàn)了多門課程的整合。課程邊界更加明晰,有利于培養(yǎng)學(xué)生的整體性、系統(tǒng)性思維。

        (4)加強課程內(nèi)容“關(guān)聯(lián)”研究。工程專業(yè)教育需要培養(yǎng)學(xué)生對一些宏觀問題、重大問題、事物進行整體聯(lián)系的觀察、感覺和思辨能力。因此,教師需要在教材、教案知識點、問題設(shè)計等環(huán)節(jié),通過課程集中研討、跨課程集中研討等途徑,引導(dǎo)學(xué)生建立問題空間及知識點間的關(guān)聯(lián)。

        3.探索非正式學(xué)習(xí)能力教學(xué)模式

        大工程觀十分強調(diào)終身學(xué)習(xí)能力和自學(xué)習(xí)能力,自學(xué)習(xí)能力是能否具有大工程觀的關(guān)鍵。工程教育除了傳授給學(xué)生必要的專業(yè)知識外,還需要在教學(xué)的多個環(huán)節(jié)注重學(xué)生自學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

        現(xiàn)代教育技術(shù)和教學(xué)模式為學(xué)生提供了培養(yǎng)自學(xué)習(xí)能力的機會。探索學(xué)生自學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的途徑包括:通過MOOC/SPOC等網(wǎng)絡(luò)資源、仿真系統(tǒng)、VR/AR虛擬教學(xué)等環(huán)境下的非正式學(xué)習(xí)模式(如圖1),研究碎片化知識體系形成的新模式;通過可汗學(xué)院等學(xué)習(xí)模式,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課外知識點,使學(xué)生快速掌握基礎(chǔ)理論知識,培養(yǎng)其終身學(xué)習(xí)能力;在實踐環(huán)節(jié)或?qū)嶋H問題中培養(yǎng)學(xué)生對未知問題的學(xué)習(xí)和解決能力;通過小組協(xié)作和同伴學(xué)習(xí)模式,借助學(xué)生成績等大數(shù)據(jù),建立分組學(xué)習(xí)模式。

        4.構(gòu)建新型工程實踐教學(xué)體系

        回歸工程教育的核心在實踐,本質(zhì)是回歸工程實踐。傳統(tǒng)實踐課程體系重心在實踐,但缺乏按照工程項目思路規(guī)劃學(xué)生的實踐過程,解決工程項目問題的環(huán)節(jié)單一。工程實踐應(yīng)該從“工程鏈”的各個環(huán)節(jié)出發(fā),工程實踐教學(xué)體系應(yīng)包括核心系列課程工程實踐項目設(shè)計,以及對傳統(tǒng)的電子實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計進行升級改造,構(gòu)建創(chuàng)新實踐平臺。

        (1)核心系列課程工程實踐項目設(shè)計。根據(jù)核心課程體系與學(xué)生知識掌控能力,借助工程項目驅(qū)動,促進學(xué)生知識運用能力和關(guān)聯(lián)力的構(gòu)建。我們采用系列課程工程實踐項目設(shè)計,建立了“工程學(xué)導(dǎo)論”“機械制圖”“機械原理及設(shè)計”“機械制造”“機電測控”五個大的課程實踐項目設(shè)計。除工程學(xué)導(dǎo)論外,其余四個課程工程實踐項目力求與企業(yè)深度融合,課題盡量來源于企業(yè)需求,將企業(yè)課題與學(xué)生創(chuàng)新思想探索課題相結(jié)合。這五個課程實踐項目從工程鏈視角出發(fā),依據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思—設(shè)計—制造,并考慮運行、維護、再利用及回收處理等環(huán)節(jié),從元器件購置及制作,到產(chǎn)品裝配、調(diào)試及運行,實現(xiàn)真正生產(chǎn)意義上的工程項目設(shè)計。

        上述每個課程實踐項目設(shè)計都是以學(xué)期或?qū)W年為單位,從選題、分組到開題、中期報告、結(jié)題驗收、產(chǎn)品運行、展覽等環(huán)節(jié),學(xué)生全部按照工程項目的實施進度、實施辦法、項目管理及結(jié)題驗收流程進行運作,將科學(xué)、技術(shù)、非技術(shù)、工程實踐融為一體。通過這種工程設(shè)計,整合理論教學(xué)與實踐教學(xué),從而真正形成大工程觀視域下的工程實踐教學(xué)體系。

        (2)升級改造電子實習(xí)、金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等工程實踐。如果把傳統(tǒng)的電子實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計稱為“工程實踐1.0”的話,那么可以將新型的電子實習(xí)、金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計稱為“工程實踐2.0”。例如,由于學(xué)生人數(shù)眾多,傳統(tǒng)的生產(chǎn)實習(xí)更多的是生產(chǎn)工藝的參觀實習(xí),學(xué)生的工程實踐獲得感不夠深刻。新型的生產(chǎn)實習(xí)將原來的大規(guī)模參觀劃分為多個小組甚至到個人,按工程鏈流程規(guī)劃學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)任務(wù),由學(xué)生帶著任務(wù),在企業(yè)中頂崗實習(xí)(具體崗位+產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計制造,學(xué)生在實習(xí)期間還能獲得一定的補貼)。

        (3)構(gòu)建創(chuàng)新實踐平臺。重慶大學(xué)機械工程專業(yè)以“機械基礎(chǔ)及裝備制造國家級虛擬仿真實驗中心”“機械基礎(chǔ)國家級實驗教學(xué)示范中心”“機械工程一級重點學(xué)科和機械傳動國家重點實驗室”為基礎(chǔ),聯(lián)合長安汽車股份有限公司、重慶固高科技長江研究院等企業(yè)進行產(chǎn)學(xué)研深度合作,開展3D打印機設(shè)計制作、機器人科研訓(xùn)練、測控科研訓(xùn)練、智能制造科研訓(xùn)練、無人機科研訓(xùn)練、無碳小車科研訓(xùn)練,舉辦先進制圖大賽、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、機器人大賽等多層次的學(xué)科競賽,搭建跨學(xué)科創(chuàng)新實踐產(chǎn)學(xué)研實訓(xùn)實習(xí)平臺,為人才培養(yǎng)提供科研與教學(xué)實踐開放基地。同時,結(jié)合前沿科學(xué)研究和重大工程實踐,動態(tài)設(shè)置跨學(xué)科實踐教學(xué)團隊,增設(shè)跨學(xué)科專題訓(xùn)練、科研項目訓(xùn)練環(huán)節(jié),注重培養(yǎng)學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計能力和解決復(fù)雜工程問題能力,促進學(xué)生創(chuàng)新實踐能力持續(xù)、遞進提升。

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        [7] 李拓宇,李飛,陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量提升路徑探析[J].高等工程教育研究,2015(6):17-23.

        [8] 謝笑珍.“大工程觀”的涵義、本質(zhì)特征探析[J].高等工程教育研究,2008(3):35-38.

        [基金項目:(1)重慶市高等教育教學(xué)改革研究重大項目“一流機械工程專業(yè)人才培養(yǎng)供給側(cè)改革研究與實踐”(181016);(2)重慶市高等教育教學(xué)改革研究重大項目“教育教學(xué)環(huán)節(jié)與能力培養(yǎng)的映射關(guān)系研究與教學(xué)實踐”(1201034)]

        [責(zé)任編輯:夏魯惠]

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