趙茂俞　蒙爭爭　張紅　田春　王葵

[摘 要] 機械工程專業(yè)實驗?zāi)芰τ?xùn)練與創(chuàng)新是高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重點和難點?；诘聡K化教學(xué)模式的專業(yè)實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)與創(chuàng)新的教學(xué)模式，結(jié)合機械工程專業(yè)的實踐教學(xué)，探索培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實驗?zāi)芰吐殬I(yè)素質(zhì)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，注重實驗教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)能力培養(yǎng)與創(chuàng)新導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生選用解決問題的方法、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)的理念，提高學(xué)生的專業(yè)實驗?zāi)芰εc創(chuàng)新思維，使學(xué)生獲得適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)崗位的專業(yè)素質(zhì)。最終的結(jié)果表明該教學(xué)模式達到了教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞] 模塊化教學(xué);專業(yè)實驗;應(yīng)用型;自主學(xué)習(xí)能力;創(chuàng)新

[基金項目] 2018年度合肥學(xué)院重點教研項目資助項目“基于科學(xué)思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機械工程專業(yè)實驗教學(xué)研究與實踐”（2018hfjyxm18）

[作者簡介] 趙茂俞（1969—），男，安徽巢湖人，博士，合肥學(xué)院先進制造工程學(xué)院教授，主要從事機械工程專業(yè)實踐教學(xué)模塊化研究。

[中圖分類號] G642.4? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）43-0058-04? ? [收稿日期] 2021-01-16

一、前言

學(xué)生的實驗?zāi)芰εc創(chuàng)新思維是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重點和難點。傳統(tǒng)的教學(xué)體系是以課程為基本的教學(xué)單位，實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置強調(diào)應(yīng)用理論知識。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)強調(diào)對學(xué)生實驗?zāi)芰吐殬I(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)，注重理論教學(xué)內(nèi)容的實踐性、應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，要求改變傳統(tǒng)的以知識輸入為導(dǎo)向的課程體系構(gòu)建思路，轉(zhuǎn)為以知識輸出為導(dǎo)向的教學(xué)體系[1-4]。機械專業(yè)是非常典型的應(yīng)用實踐類專業(yè)，需要從業(yè)者具有較強的動手能力和創(chuàng)新思維，而實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力的最好途徑之一。通過實驗，學(xué)生能熟悉機械的結(jié)構(gòu)性能和儀器的測試技術(shù)方法，可激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新意識[5]。美國大學(xué)課程中實驗設(shè)置的一貫原則是以能力培養(yǎng)為主，大部分實驗為設(shè)計型實驗[6]，同時，還有部分驗證型實驗與探索性實驗。要求教師掌握一些探索性實驗設(shè)計和操作的原則，既要讓學(xué)生在以他們?yōu)橹行牡奶剿餍詫W(xué)習(xí)中有所收獲，又要充分發(fā)揮教師在此過程中的組織引導(dǎo)作用[7]。在英國高校的工科專業(yè)教學(xué)中，通過實驗教學(xué)，回顧并串聯(lián)所學(xué)知識點，讓學(xué)生以工程師的視角面對實際問題，尋找解決問題的方法和方案，為學(xué)生創(chuàng)造了更多的實踐機會，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性[8]。

結(jié)合發(fā)達國家現(xiàn)代大學(xué)的實驗教學(xué)理念，借鑒德國應(yīng)用型大學(xué)的模塊化教學(xué)模式。鑒于國內(nèi)高校的實驗教學(xué)多為驗證型實驗和部分設(shè)計型實驗，實驗之間的關(guān)聯(lián)度不大，理論與實踐之間脫節(jié)的問題，以合肥學(xué)院為例，探索材料成型及控制工程專業(yè)的實驗教學(xué)實踐與創(chuàng)新。

二、我國高校機械工程專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題

（一）重理論輕實驗，缺乏培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的實驗

現(xiàn)在實驗課的開設(shè)與理論課同步，學(xué)完理論后進行實驗教學(xué)，實驗類型單一，缺少設(shè)計型、創(chuàng)新型、探索型實驗，沒有機會對學(xué)生進行科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通常要求學(xué)生在編好的實驗報告上撰寫實驗報告內(nèi)容，復(fù)述實驗原理，描述實驗過程和記錄測試的實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生以寫完報告交差為目的，沒有對實驗進行歸納、陳述匯報、總結(jié)、延伸、反饋。

（二）學(xué)生在實驗中處于被動地位

傳統(tǒng)高校機械專業(yè)的實驗課通常由任課教師選定實驗教學(xué)的內(nèi)容，學(xué)生按照指導(dǎo)書中的實驗步驟進行實驗，所有學(xué)生分組完成相同的實驗。這樣的實驗雖然使學(xué)生熟悉操作技能和鞏固理論知識，但是不能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。同時，由于學(xué)生只能在實驗課的時間內(nèi)進行實驗，沒有更多的時間對實驗內(nèi)容進行深入的理解，更沒有機會對實驗中用到的儀器做深入的分析。

（三）實驗教學(xué)模式不能滿足現(xiàn)代大學(xué)改革和社會的需要

實驗課程考核方式?jīng)]有針對性。實驗考核由預(yù)習(xí)、考勤、實驗表現(xiàn)、實驗報告形式組成，對學(xué)生的表達能力、實驗要解決的理論問題、學(xué)生驗證自己工程設(shè)計的合理性、可行性等考查不足。

實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊，沒有及時更新。有些實驗課程內(nèi)容沒有及時反映現(xiàn)代分析測試技術(shù)的發(fā)展，不能體現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果。實驗教學(xué)內(nèi)容陳舊，不能滿足企業(yè)項目實驗的需求，沒有將當(dāng)前最新的科研成果、最新的工程技術(shù)發(fā)展引入實驗教學(xué)中。同時，專業(yè)基礎(chǔ)理論課程實驗和工程技術(shù)專業(yè)實驗課程脫節(jié)，沒有一條主線貫穿整個課程的實驗教學(xué)，對學(xué)生所學(xué)知識點缺少串聯(lián)，當(dāng)學(xué)生面對實際的實驗問題時，不能合理地尋找解決實驗問題的方法和方案。同時，對企業(yè)項目實驗缺少了解，課程實驗與企業(yè)項目實驗要求脫節(jié)。

三、模塊化的實驗教學(xué)理念

應(yīng)用德國應(yīng)用科學(xué)技術(shù)大學(xué)的模塊化教學(xué)理念，能解決我國高校機械工程專業(yè)實驗教學(xué)存在的部分問題?；趹?yīng)用能力培養(yǎng)為出發(fā)點進行設(shè)計，將選用解決問題的方法、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)貫穿整個模塊的教學(xué)過程中，把知識輸入為導(dǎo)向的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變成知識輸出為導(dǎo)向，強調(diào)以能力培養(yǎng)為目標(biāo)。當(dāng)學(xué)生修完某模塊后，能夠獲得相應(yīng)的能力，而這種能力又能促進學(xué)生的知識學(xué)習(xí)、知識應(yīng)用、方法選用、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)能力。合肥學(xué)院先進制造工程學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)的實驗教學(xué)理念如圖1所示。

四、發(fā)達國家大學(xué)實驗教學(xué)經(jīng)驗的借鑒與啟示

（一）實驗課教學(xué)借鑒的教學(xué)改革

1.改進和創(chuàng)新實驗課教學(xué)方案設(shè)計。機械專業(yè)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)要定位于機械、電子、計算機一體化的應(yīng)用型工程教育，培養(yǎng)具有扎實的理論基礎(chǔ)與基本技能、具有較強的工程實踐與技術(shù)開發(fā)能力的人才，而通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)能有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。因此，從培養(yǎng)機械專業(yè)創(chuàng)新型人才的角度出發(fā)，在進行實驗課教學(xué)方案設(shè)計時，須考慮從各個方面鍛煉學(xué)生，使學(xué)生真正體會到機械、電子、計算機知識一體化之間的聯(lián)系。實驗內(nèi)容的選擇要盡可能聯(lián)系實際，既可完成教學(xué)大綱的要求，也能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

2.建立以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)思想。在實驗實施過程中，重視發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性;在實驗項目選擇、實驗方案設(shè)計上，要有利于啟迪學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。改進實驗教學(xué)方法，建立以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)模式，形成以主動式、研究式為主的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生實驗內(nèi)容和要求要具有多樣性、層次性。將實驗課程中形式單一、種類固定的實驗項目轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)容豐富多樣的實驗方式，以增強實踐環(huán)節(jié)的自主性和靈活性。要求學(xué)生在實驗報告完成后，對實驗的整個過程進行陳述、總結(jié)，真正理解所做的實驗。

3.理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。首先，需要任課教師或?qū)嶒炇夜ぷ魅藛T具有扎實的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，這對教師自身素質(zhì)提出了更高的要求。其次，教師對每一個實驗都要進行充分的準(zhǔn)備，對實驗的全過程、使用的儀器設(shè)備、測量的數(shù)據(jù)處理、誤差的分析要非常了解。最后，教師本身也要具有創(chuàng)新意識，才能對學(xué)生進行科學(xué)的引導(dǎo)。要求教師在實驗準(zhǔn)備中收集大量有關(guān)的資料，理論聯(lián)系實際，使學(xué)生深入理解實驗過程。自己預(yù)先進行分析和實驗，盡可能找出不同的方案。要求學(xué)生深入理解實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，使實驗教學(xué)環(huán)節(jié)成為工科類院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效手段。

4.實驗教學(xué)模式的改革。（1）實驗課程考核模式的改革。改革實驗考核方案，增加陳述、答辯、小組匯報、設(shè)計實驗等考核方式。在實驗教學(xué)考核中，需撰寫實驗報告，結(jié)合口試陳述，根據(jù)每個人的水平對同組學(xué)生打不同的分數(shù)。嘗試讓學(xué)生自己設(shè)計一個實驗題目，以演講的形式介紹該實驗，作為考核的依據(jù)。（2）實驗教學(xué)內(nèi)容的更新。以企業(yè)需求為目標(biāo)，滿足學(xué)生今后的就業(yè)需要，從社會對工程技術(shù)人才需求的角度來規(guī)劃工程技術(shù)課程體系，重視某一行業(yè)或某一工作領(lǐng)域的職業(yè)訓(xùn)練，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

（二）實驗教學(xué)培養(yǎng)的創(chuàng)新與實踐

1.實驗教學(xué)分析。借鑒德國應(yīng)用型大學(xué)重視學(xué)生實驗?zāi)芰εc創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)理念。合肥學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)的壓鑄工藝、設(shè)備與模具設(shè)計及模具制造工藝實驗課各為6學(xué)時的綜合型、創(chuàng)新型實驗。例如，針對壓鑄工藝、設(shè)備與模具設(shè)計實驗課程，要求學(xué)生設(shè)計仿真正交實驗，然后確定壓鑄速度、壓力和溫度工藝參數(shù)，仿真壓鑄過程，分析凝固過程，獲得壓鑄成型質(zhì)量數(shù)據(jù)，并進一步計算獲得優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)組合，分析其原理，使學(xué)生掌握壓鑄工藝參數(shù)值影響壓鑄質(zhì)量原因，培養(yǎng)他們的過程意識，啟迪他們的創(chuàng)新思維。最終每屆學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計都能獲得校級畢業(yè)設(shè)計優(yōu)秀獎，同時畢業(yè)后的學(xué)生在工作中能很快適應(yīng)崗位，他們扎實的壓鑄課程知識及實驗技能，能適應(yīng)現(xiàn)代壓鑄企業(yè)的實際崗位需要。

2.實驗教學(xué)實踐。（1）實驗教學(xué)理念。為了在人才培養(yǎng)中充分提高學(xué)生的實驗?zāi)芰εc創(chuàng)新思維，需對相應(yīng)的實驗類型進行合理調(diào)整。借鑒選用解決問題的方法、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)的現(xiàn)代國際先進教學(xué)理念，貫穿于專業(yè)的實踐模塊教學(xué)過程中。結(jié)合企業(yè)的項目實驗要求，學(xué)習(xí)實驗設(shè)計的方法和步驟，及時、有效地更新目前的實驗指導(dǎo)書，將最新的工程技術(shù)發(fā)展成果引入實驗教學(xué)中。將專業(yè)基礎(chǔ)理論課程和工程技術(shù)專業(yè)的實驗相結(jié)合，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，分階段、多層次培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。（2）實驗教學(xué)過程。實驗小組會被分配到不同的實驗題目，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)的動力。通過應(yīng)用已學(xué)的專業(yè)知識，學(xué)生進行實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)。同時，要求學(xué)生根據(jù)布置的任務(wù)，通過交流與溝通和自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計實驗方案。編寫各個項目的實驗指導(dǎo)書和實驗任務(wù)書，按照課程的教學(xué)目的，遵循打好基礎(chǔ)、循序漸進的原則，制定實驗需完成的實驗任務(wù)。例如，壓鑄設(shè)備、工藝與模具設(shè)計模塊的實驗教學(xué)安排內(nèi)容如下：一是將學(xué)生分為2人一組，要求學(xué)生獨立完成設(shè)計實驗內(nèi)容，掌握實驗設(shè)計方法，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神等實踐綜合能力。學(xué)生需要與前期預(yù)備模具CAD課程銜接，掌握現(xiàn)代模具CAD設(shè)計的步驟，具備解決模具CAD設(shè)計過程中的問題及壓鑄CAE數(shù)值模擬的能力，與其他同學(xué)2人一組，科學(xué)、合理地設(shè)計壓鑄CAE充填的工藝參數(shù)值，確定優(yōu)化的壓鑄質(zhì)量目標(biāo)。二是要求學(xué)生建立壓鑄成型的三維幾何模型，運用正交實驗設(shè)計工藝參數(shù)組合方案，數(shù)值模擬壓鑄成型。要求學(xué)生設(shè)計計算澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)的方案，通過設(shè)定壓鑄件成型的工藝參數(shù)，運用正交實驗法設(shè)計工藝參數(shù)組合方案，數(shù)值模擬壓鑄充填、凝固成型，獲得多目標(biāo)成形質(zhì)量的數(shù)據(jù)。三是對獲得的多目標(biāo)成形質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化壓鑄模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。要求學(xué)生對獲得的多目標(biāo)成形質(zhì)量的數(shù)據(jù)進行分析，運用正交實驗優(yōu)化設(shè)計工藝參數(shù)，理解壓鑄充填、凝固原理，進一步加深認知成型溫度、速度、壓力等工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響，掌握優(yōu)化壓鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。四是撰寫實驗報告。實驗報告要具體敘述應(yīng)用的壓鑄成型基本原理知識，通過仿真壓鑄充填、凝固過程，分析壓鑄工藝參數(shù)值對質(zhì)量的影響度，獲得優(yōu)化分析、計算壓鑄質(zhì)量的合理方法。五是匯報與提問。在實驗課結(jié)束后，及時完成撰寫實驗報告，學(xué)生還需通過幻燈的形式討論結(jié)果，陳述的同學(xué)對整個實驗要進行詳細的講解。陳述完畢后，教師與同學(xué)對相關(guān)結(jié)果進行提問。通過這一過程，所有學(xué)生學(xué)會了更嚴謹?shù)胤治鰯?shù)據(jù)，保證其真實與可靠性，同時能更好地了解得出的數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索精神。

總之，通過應(yīng)用知識與理解、知識應(yīng)用、選用解決問題的方法、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)，達到培養(yǎng)專業(yè)人才的實踐教學(xué)目標(biāo)。同時，跟蹤現(xiàn)代企業(yè)對專業(yè)人才的崗位需求，調(diào)整相應(yīng)的實驗課程設(shè)置，修改實驗教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)方法與手段、考核方式等。通過一系列的實驗實踐模塊學(xué)習(xí)，學(xué)生在校期間就能融入企業(yè)工程技術(shù)中，參加企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與制造。另外，為了進一步改進與驗證教學(xué)效果，持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量，向?qū)W生發(fā)放問卷進行調(diào)研，不斷地完善模塊教學(xué)內(nèi)容。通過學(xué)生評價，驗證該模塊化課程教學(xué)效果和學(xué)生的滿意度，揭示教育教學(xué)的規(guī)律。

五、結(jié)語

借鑒應(yīng)用選用解決問題的方法、交流與溝通和自主學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，合肥學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)對實驗實踐模塊教學(xué)進行設(shè)計，系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的動手實踐能力與創(chuàng)新思維，實現(xiàn)了實驗教學(xué)內(nèi)容的重組、教學(xué)過程的改革和教學(xué)評價方法的革新，促進學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為能力和綜合素質(zhì)，提高學(xué)生的實際動手能力與創(chuàng)新思維。通過跟蹤企業(yè)工作崗位內(nèi)容的實驗實踐模塊學(xué)習(xí)，使學(xué)生在校期間能融入企業(yè)工程背景中，熟悉企業(yè)工程項目設(shè)計的實驗要求。因此，應(yīng)用模塊化實驗教學(xué)模式，重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能有力地推進實驗教育模式的創(chuàng)新。

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Teaching Research on Experimental Ability Training and Innovation in Mechanical Engineering

ZHAO Mao-yu， MENG Zheng-zheng， ZHANG Hong， TIAN Chun， WANG Kui

（School of Advanced Manufacturing Engineering， Hefei University， Hefei， Anhui 230601， China）

Abstract： The experimental ability training and innovation in mechanical engineering are the key and difficult links in cultivating applied talents in colleges and universities. The teaching model of experimental ability training and innovation based on the German modular teaching model is studied in combination with the practical teaching of mechanical engineering. The practical teaching links are explored to cultivate students special experimental ability and professional quality， focusing on the special ability training and innovation orientation of experimental teaching content. The purpose is to cultivate students concepts of problem-solving methods， communication and independent learning， to improve students special experimental ability and innovative thinking， and to enable students to obtain professional qualities suitable for modern corporate positions. The final result shows that the teaching model has reached the teaching goal.

Key words： modular teaching; professional experiment; application-orientation; independent learning ability; innovation