姜少寧 林江海 許崇海 劉文俊 王朝峰 曹芳 胡心平

基金項目：山東省本科教學(xué)改革研究重點項目“科教融合、產(chǎn)教融合與工程教育專業(yè)認證多元驅(qū)動‘三鏈銜接的機械類專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實踐”（Z2021142）；山東省工程機械智能裝備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)共同體項目“高精密履帶式傳動部件驅(qū)動輪齒及鏈軌節(jié)的研究及應(yīng)用示范”（GTT20220209）；齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）-棗莊市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新基金項目“高性能球墨鑄鐵基復(fù)合材料在薄壁鑄件中的研究及應(yīng)用”（2021CXY-10）

第一作者簡介：姜少寧（1982-），女，漢族，山東煙臺人，博士，副教授。研究方向為高端裝備零部件的失效分析研究和教學(xué)等。

*通信作者：林江海（1963-），男，漢族，山東煙臺人，工程技術(shù)應(yīng)用研究員，山東省機械設(shè)計研究院工程總工程師。研究方向為機電產(chǎn)品及制造技術(shù)研發(fā)設(shè)計及人才培養(yǎng)等。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.016

摘? 要：新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的到來，需要大批應(yīng)用型創(chuàng)新人才，要求新時代的工科學(xué)生不僅要具備扎實的專業(yè)知識，同時要注重工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具備多維度的能力素質(zhì)。以失效分析課程為例，通過分析目前教學(xué)中存在的問題，分別從課程設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法三個方面，提出相應(yīng)的課程教學(xué)改革路徑。在課程設(shè)計上，基于科教融合學(xué)部制優(yōu)勢條件，優(yōu)化專業(yè)理論與實踐教學(xué)的合理設(shè)置，做到專業(yè)理論教學(xué)與實踐教學(xué)并重；在教學(xué)內(nèi)容上，將新技術(shù)、新方法、新案例等融入教學(xué)，推動高水平教材的編寫使用，充分發(fā)揮教材的育人功能；在教學(xué)方法上，推行LBL（授課導(dǎo)向）-CBL（案例導(dǎo)向）-PBL（項目導(dǎo)向）-TBL（團隊導(dǎo)向）四軌教學(xué)模式，提升理論與實踐教學(xué)的科學(xué)性、層次性和系統(tǒng)性。通過以上研究，從根本上提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，促進教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

關(guān)鍵詞：教學(xué)創(chuàng)新；科教融合；工程實踐；創(chuàng)新人才；方法改革

中圖分類號：G640? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0062-04

Abstract： With a new round of scientific， industrial revolution and industrial transformation， applied talents with innovation is needed. Then the engineering students in the new era should have not only solid professional knowledge， but also multi-dimensional ability such as knowledge ability， academic ability， technical ability and social ability， and pay attention to the cultivation of innovation ability. Therefore， there are higher requirements for teaching methods. Taking the course Failure Analysis as an example， this paper? analyzes the outstanding problems existing in the curriculum teaching methods. The study puts forward the corresponding curriculum teaching reform paths from three aspects： designing the course system， optimizing the teaching content and reforming the teaching methods. In terms of course system design， it points out that the reasonable design of professional theory and practice teaching should be paid attention based on the integration of the faculty system and the integration of science and education. And the innovative and application-oriented students are cultivated. In terms of teaching content， new technologies， new methods， new cases and so on should be integrated into teaching to promote the writing and use of high-level teaching materials and give full play to the educational function of teaching materials. In terms of teaching methods， the four-track teaching model of LBL （Lecture-Based Learning） - CBL （Case-Based Learning） - PBL （Project-Based Learning） - TBL （Team-Based Learning） is implemented to improve the scientific， hierarchical and systematic nature of theoretical and practical teaching. Through the above research， students' ability is hoped to be improved to solve complex engineering problems， to promote the overall improvement of teaching quality.

Keywords： teaching innovation; integration of science and education; engineering practice; innovative talents; teaching method reform

黨的二十大報告明確提出“實施科教興國戰(zhàn)略，強化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐”，將教育、科技、人才進行一體化戰(zhàn)略布局，為強化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐提供實現(xiàn)路徑。高質(zhì)量教育體系是人才和科技力量可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新要素可持續(xù)供給的基礎(chǔ)保障，提升人才培養(yǎng)能力、培養(yǎng)符合我國需要的高素質(zhì)人才是教育的重中之重。

高校是人才培養(yǎng)的重要平臺，對于新時代的工科學(xué)生來說，不僅要具備扎實的專業(yè)知識，同時要注重工匠精神、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具備多維度的能力素質(zhì)[1]，才能更好地適應(yīng)時代的發(fā)展、推動我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。當(dāng)前，我國人才培養(yǎng)正在努力與社會需求相契合，但總體水平仍有較大的提升空間。對于工科來說，亟需培養(yǎng)能夠解決復(fù)雜工程問題的畢業(yè)生，然而相關(guān)體制機制的支撐作用不夠，對工程創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)不足。學(xué)生的實踐經(jīng)驗不足，無法將多種知識在實際工程應(yīng)用中有機結(jié)合起來，進而有效地去應(yīng)對復(fù)雜工程問題，導(dǎo)致培養(yǎng)的人才與社會實際需求脫節(jié)[2]。

近年來，高等院校和科研院所實行科教融合協(xié)同育人等高等工程教育改革，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量[3]等方面取得了顯著的成效。為了更好地實現(xiàn)科教融合發(fā)展，優(yōu)化高等教育布局結(jié)構(gòu)，山東省探索出了一條有效的地方院?？平倘诤现?，將原齊魯工業(yè)大學(xué)與山東省科學(xué)院整合成為新的齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），按照“科教融合、雙輪驅(qū)動、優(yōu)化布局、改革創(chuàng)新”的基本思路，圍繞立德樹人根本任務(wù)，創(chuàng)新體制機制、優(yōu)化整合資源，建設(shè)應(yīng)用研究型大學(xué)?；诳平倘诤腺Y源條件優(yōu)勢，提出學(xué)院和對應(yīng)的科研院所一體化的創(chuàng)新教育模式培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用研究型創(chuàng)新人才。隨著科教融合深入推進，實施了學(xué)部制，其中，將具有教學(xué)科研優(yōu)勢的機械工程學(xué)院和具有科研及社會服務(wù)優(yōu)勢的山東省機械設(shè)計研究院合并組建機械工程學(xué)部。學(xué)部制架構(gòu)的運行，為工科人才培養(yǎng)提供了良好的機制支撐條件。

一? 課程教學(xué)分析

學(xué)部制一體化運行后，如何發(fā)揮現(xiàn)有體制機制對教學(xué)的支撐作用，進行科學(xué)合理的教學(xué)改革以達到科教深度融合、協(xié)同培養(yǎng)創(chuàng)新人才是需要解決的重要問題。以工科類重要的專業(yè)方向課失效分析為例，這門課主要講授機電產(chǎn)品及工程基礎(chǔ)裝備的金屬構(gòu)件及其系統(tǒng)在服役過程中出現(xiàn)失效的分析思路和方法，判斷失效模式，分析失效原因，提出預(yù)防措施[4-5]。該課程涵蓋了多學(xué)科門類知識，包括機械設(shè)計、材料科學(xué)、材料加工以及物理化學(xué)等，綜合性強、應(yīng)用性強。通過對本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握工程應(yīng)用中失效分析的理論知識，提高解決機電產(chǎn)品及工程基礎(chǔ)裝備中的失效問題的能力，為機械、材料等行業(yè)培養(yǎng)高水平專業(yè)人才[6]。盡管高校教學(xué)一直在不斷探索改革新路徑，但該課程對學(xué)生能力的提升支撐不夠。具體體現(xiàn)在以下方面。

一是學(xué)生對多學(xué)科知識點的掌握與應(yīng)用不夠。失效分析涉及多學(xué)科交叉知識點的運用，而學(xué)生缺乏對知識的系統(tǒng)性理解和掌握，無法有效應(yīng)用知識。例如，易混淆馬氏體、奧氏體、鐵素體和珠光體等鋼的組織概念，在失效分析中可能造成誤判；有些知識甚至在其他課程中沒有涉及，比如，腐蝕與磨損，這是兩個獨立的學(xué)科方向，短時間內(nèi)學(xué)生接受腐蝕與磨損方面的知識比較吃力，導(dǎo)致失效分析沒有理論高度，無法客觀認識該類問題導(dǎo)致的失效。另外，大量工科教師從學(xué)校畢業(yè)到學(xué)校工作，缺乏工程實踐經(jīng)驗，因此從課程設(shè)置到講授無法真正與工程實踐相聯(lián)系。

二是在教學(xué)中缺乏生動的、與時俱進的教學(xué)內(nèi)容。技術(shù)快速更新的現(xiàn)代，行業(yè)發(fā)展的新技術(shù)、新工藝、新方法等不斷出現(xiàn)，標準規(guī)范不斷修訂，這些在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)該得到及時體現(xiàn)。對失效分析課程教材來講，案例分析是非常重要的教學(xué)支撐，而教材中工程案例相對老舊，傳統(tǒng)典型案例較多，沒有將科研新進展以及由此帶來的新應(yīng)用、新案例及時納入教學(xué)內(nèi)容，也未能與行業(yè)需求有效對接。

三是教學(xué)實踐部分沒有很好地與實際需求相結(jié)合。企業(yè)需要應(yīng)用型創(chuàng)新人才作為支撐，而現(xiàn)有的課程在培養(yǎng)人才、提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力等方面，其教學(xué)方法缺乏科學(xué)性、層次性和系統(tǒng)性的結(jié)合。受限于高校的條件，失效分析課程的實踐部分以查閱案例、分組討論為主，方法單一，與生產(chǎn)實踐脫節(jié)，存在“工科理科化”的現(xiàn)象，影響了實踐教學(xué)的創(chuàng)新性。

二? 課程教學(xué)改革實踐探索

針對失效分析課程教學(xué)中存在的問題，發(fā)揮機械工程學(xué)院和山東省機械設(shè)計研究院的一體化優(yōu)勢，在科教融合、實踐教學(xué)等方面創(chuàng)新設(shè)計課程體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法，積極倡導(dǎo)OBE（基于成果導(dǎo)向的教學(xué)）理念[7-8]，從“專業(yè)理論＋專業(yè)實驗+工程實踐”方面，深入推進失效分析課程教學(xué)改革實踐。失效分析課程有三個特點：一是綜合性強，需要扎實的多學(xué)科基礎(chǔ)理論知識；二是應(yīng)用性強，需要將基礎(chǔ)理論知識與工程實踐很好地結(jié)合，需要掌握重點工程應(yīng)用問題和典型工程案例，且工程案例需要體現(xiàn)代表性、先進性和時效性；三是失效分析過程多涉及開放的多場景因素，需要全面分析，綜合論證，通過建立系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生開放思維。面對教學(xué)中的問題，失效分析課程從以下方面進行教學(xué)改革探索。

（一）? 優(yōu)化課程設(shè)計，基于科教融合學(xué)部制優(yōu)勢條件，優(yōu)化專業(yè)理論與實踐教學(xué)的合理設(shè)置，做到專業(yè)理論教學(xué)與實踐教學(xué)并重

推進教學(xué)創(chuàng)新團隊建設(shè)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，選聘教學(xué)經(jīng)驗豐富的教學(xué)人員和具有工程技術(shù)背景的院所科研人員組成授課團隊，明確團隊成員在理論教學(xué)、實驗教學(xué)和實踐教學(xué)等方面的職責(zé)支撐，同時，鼓勵團隊的高校教師增加企業(yè)實踐經(jīng)歷，參與產(chǎn)業(yè)化項目，提升實踐教學(xué)能力。課程設(shè)計優(yōu)化示意圖如圖1所示，調(diào)整后的課程體系，特別增加典型工程實踐案例的實驗分析，以便于做好理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有效銜接。安排工程應(yīng)用場景實踐，促進學(xué)生對工程實踐知識的掌握，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

圖1? 課程設(shè)計優(yōu)化示意圖

（二）? 更新教學(xué)內(nèi)容，將新技術(shù)、新方法、新案例和新進展等融入教學(xué)，推動高水平教材的編寫使用，充分發(fā)揮教材的育人功能

失效分析是一個從結(jié)果到原因的逆向分析過程[9]，可能涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、加工制造和裝配使用等全周期，因此，教學(xué)內(nèi)容要貼近實際，緊跟形勢。聚焦機電產(chǎn)品的質(zhì)量分析、使用壽命、可靠性等方面，收集來源于工程實踐的具有代表性、先進性和時效性的案例，融入新理論、新方法等，編寫失效分析案例集。在案例集中，根據(jù)常見的失效分類（變形、斷裂、磨損和腐蝕）劃分失效類型，在失效類型中涵蓋基礎(chǔ)理論知識、分析測試方法、典型先進案例以及預(yù)防/改進措施，做到系統(tǒng)、全面，反映學(xué)科前沿與技術(shù)進步，體現(xiàn)行業(yè)標準與企業(yè)需求，解決案例教學(xué)支撐不足的問題。

（三）? 改進教學(xué)方法，推行LBL（授課導(dǎo)向）-CBL（案例導(dǎo)向）-PBL（項目導(dǎo)向）-TBL（團隊導(dǎo)向）四軌教學(xué)模式，提升理論與實踐教學(xué)的科學(xué)性、層次性和系統(tǒng)性

第一，在理論教學(xué)中，以LBL結(jié)合CBL的教學(xué)模式進行[10]。課前階段，制定失效問題任務(wù)單，學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺資源開展自主學(xué)習(xí)，既回顧與以往所學(xué)知識點的相關(guān)性，也了解授課內(nèi)容；課中階段，首先采用提問等方式檢驗課前效果，鞏固基礎(chǔ)知識理論，隨后以案例為導(dǎo)向引入學(xué)習(xí)內(nèi)容，進行案例教學(xué)。討論分析失效案例，充分互動，促使學(xué)生高度投入。通過兩種教學(xué)模式的結(jié)合，解決學(xué)生基礎(chǔ)知識不牢固，以及多學(xué)科知識能力應(yīng)用不足的問題，并在案例分析中激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展理念。以磨損失效為例，課前要求學(xué)生查閱磨損和磨損失效的資料，對磨損的概念、分類進行了解，課中講授磨損的基礎(chǔ)知識，隨后以工程機械耐磨件的磨損失效為例拋出案例，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：如何確定磨損失效類型？如何查找失效原因？結(jié)合所學(xué)知識是否能提出提高耐磨性的措施？在充分的課題互動氣氛中，加深學(xué)生對磨損失效的理解和掌握。

第二，在實驗教學(xué)中，以PBL教學(xué)模式為主，鼓勵學(xué)生參與具有一定前沿性的產(chǎn)學(xué)研合作項目，承擔(dān)項目中的部分研究內(nèi)容，根據(jù)研究內(nèi)容自主設(shè)計實驗性教學(xué)方案，以此推動科研反哺教學(xué)。在實驗教學(xué)中，重點突出學(xué)生分析能力的提高，解決教學(xué)與實踐銜接不夠的問題。具體實施執(zhí)行中，通過產(chǎn)學(xué)研項目中失效常用的斷口分析、力學(xué)性能分析、裂紋分析、結(jié)構(gòu)分析和缺陷分析等手段，進行形貌觀察、性能測試、結(jié)構(gòu)分析和成分分析等，使學(xué)生熟練掌握失效分析的基本方法，加深對失效分析的認識，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，提高分析問題的邏輯思維能力。

第三，在實踐教學(xué)中，以TBL教學(xué)模式為主，從企業(yè)的實際需求出發(fā)，選取生產(chǎn)中的變形、斷裂、磨損、腐蝕和加工缺陷等失效案例，由學(xué)生分組協(xié)同合作設(shè)計并完成實踐內(nèi)容，形成完整的失效分析報告，分組進行答辯。以熱作模具斷裂失效為例，某批次模具在熱模鍛使用過程中斷裂率高達15%，嚴重影響了熱鍛產(chǎn)品的生產(chǎn)率。該模具的制造要經(jīng)歷設(shè)計、選材、鍛造、退火、機加工和熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)的設(shè)計不當(dāng)或操作不當(dāng)都會造成模具過早失效，降低模具的使用壽命。針對模具斷裂，由學(xué)生查閱相關(guān)資料制定分析方案，分組進行結(jié)構(gòu)分析（由DEFORM軟件模擬計算模具的流變應(yīng)力）、理化分析（分析模具斷口的顯微組織、冶金質(zhì)量、力學(xué)性能是否符合要求），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在力學(xué)性能測試中，模具的沖擊韌性存在各向異性。由此，回到模具生產(chǎn)全過程環(huán)節(jié)，進行工藝復(fù)核（查閱該批次模具的生產(chǎn)全過程工藝資料，核對工藝技術(shù)參數(shù)），分析導(dǎo)致韌性各向異性的失效類型，有針對性地提出改進措施。通過實踐階段的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力、溝通交流能力，以及復(fù)雜工程問題的分析能力和復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計能力。

總之，通過以上教學(xué)方法改革，使學(xué)生獲得工程教育中解決復(fù)雜工程問題所具備的能力和素質(zhì)，教學(xué)設(shè)計、教學(xué)磨損與對應(yīng)的能力/素質(zhì)見表1。

在考核過程中，加大以實驗、工程實踐等為基礎(chǔ)的考核比例，構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)成果多樣性和創(chuàng)造性的教學(xué)考評體系，并鼓勵、引導(dǎo)學(xué)生將實驗、實踐中獲得的經(jīng)驗/成果用于參加中國大學(xué)生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽，如材料熱處理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽、全國大學(xué)生金相大賽、全國失效分析大獎賽等具有重要影響力的大學(xué)生創(chuàng)新競賽活動，達到以賽促教、以賽促學(xué)的效果。由此，分層次進行理論、實驗和實踐教學(xué)，從圍繞教材的課堂教學(xué)延伸到課外的開放教學(xué)，解決課程的理論性與實踐性結(jié)合不緊密的問題。

通過以上教學(xué)改革探索，學(xué)生課堂表現(xiàn)更加活躍，學(xué)習(xí)興趣更高，積極踴躍參加各類競賽（圖2）。從圖3可以看出，課程目標達成度均超過了目標值。后續(xù)會持續(xù)跟蹤畢業(yè)生在研發(fā)、質(zhì)檢、失效和理化等相關(guān)崗位的就業(yè)情況，檢驗學(xué)生在邏輯思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力等方面的提高。

三? 結(jié)束語

以失效分析課程教學(xué)改革為例，發(fā)揮科教融合學(xué)部制優(yōu)勢，以學(xué)生為中心，注重專業(yè)理論+專業(yè)實驗+工程實踐的結(jié)合，從課程設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法三個方面探索提高學(xué)生多維度能力的措施，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，促進教學(xué)質(zhì)量的全面提升。改革措施可為學(xué)部制一體化背景下的工科課程教學(xué)改革探索提供借鑒。

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