科教融合驱动的机械工程类专业教学体系改革研究

［摘 要］ 中国制造业快速发展并持续转型升级，机械工程学科教育在多学科交叉、新科技快速发展的背景下，对本科院校的人才培养和教学改革提出了新的挑战。机械工程是工程科学，机械工程的科研项目具有显著的前沿性、创新性、综合性和应用性等特点。通过以科教融合驱动的机械工程类本科教学体系改革，结合合肥工业大学机械工程学院的教学体系设置及人才培养目标，探索从课程体系、课堂教学、实践教学三个层面融入科研项目内容，从而建立“科研项目—课程—教师—学生”之间的桥梁，以期培养更适应行业发展的创新型、复合型高素质本科人才。

［关键词］ 科教融合驱动；机械工程；教学体系改革

［基金项目］ 2020年度安徽省教学研究项目“基于学科发展现状的机械电子工程项目导向教学模式研究”（2020jyxm1489）

［作者简介］ 黄海鸿（1980—），男，安徽安庆人，博士，合肥工业大学机械工程学院副院长，教授，主要从事绿色制造研究；朱利斌（1990—），男，安徽阜阳人，博士，合肥工业大学机械工程学院副教授（通信作者），主要从事绿色制造研究；王玉琳（1966—），男，安徽六安人，博士，合肥工业大学机械工程学院实验中心教工党支部书记，副教授，主要从事数控技术与数控系统研究。

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）01-0053-05 ［收稿日期］ 2023-02-13

近年来，我国经济规模和综合实力大幅增长，制造业发展迅速。在当今机械学科发展现状下，机械工程已成为多学科交叉的系统知识体系。超精密加工、仿生制造、3D打印、绿色制造和再制造、功能表面结构制造、高质高效加工、特种加工等领域已在国际学术界占有一席之地，研究水平总体上已步入国际先进行列。但随着国际局势的快速变化，我国部分“卡脖子”技术及部分领域人才短缺的问题也进一步凸显。教育部提出发展和建设新工科，统筹考虑工科的新要求，促进学科结合、交叉，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养［1］。国务院办公厅发布了《关于深化产教融合的若干意见》，强调推动学科专业建设与产业转型升级相适应，促进学科专业交叉融合［2］。在此背景下，如何为机械行业培养出符合社会、行业发展需求的高素质人才是当前高等教育亟待解决的关键问题。

项目驱动式教学模式，是以教师为引导，用项目实例贯穿理论知识与实践操作，将学生作为教学主体，通过项目实践提高学生学习能动性的教学模式［3］。项目驱动教学模式是以学生为中心的教学模式，其有助于培养学生的自主学习能力、解决问题能力以及创新能力。然而仅对单一课程实施项目驱动式教学，难以形成有效体系，在学生的系统化能力培养方面存在局限性。

机械工程是工程科学，机械工程的科研项目具有显著的前沿性、创新性、综合性和应用性等特点。因此，以合肥工业大学机械工程学科为例，结合教学体系设置以及为国家智能制造产业培养机械类骨干与领军人才的人才培养目标，从课程体系、课堂教学内容、实践教学三个层面入手，探索科教融合的机械工程类专业教学体系改革，以培养更适应行业发展的创新型、复合型高素质本科人才。

一、科教融合驱动的教学体系改革的必要性

机械工程学科的主要任务是解决机械工程的科技和工程问题，并在解决问题的过程中得到持续的创新发展，具有显著的应用特征。传统以教材为主的“教师讲、学生听”的教学模式难以体现当前学科科研和技术的发展，造成学生课堂学习兴趣低，且对行业、技术、理论的理解能力难以得到系统化提升［4］。而单一课程的项目驱动式教学，难以形成体系，对学生的创新能力及工程能力系统化提升有限，进而造成学生在工作、考研、创新创业时对行业的理解与行业现状脱节［5］。如近年我国新能源汽车行业发展迅速，成为机械工程类学生就业的重要行业之一。新能源汽车行业的快速发展对理论课程教学内容提出了新的要求。而由于任课教师的不同以及任课教师科研项目的差异化等原因，导致难以将新能源汽车行业知识体系化融入相关课程中。

因此，以学科层面进行顶层设计，从学科课程体系角度建立“科研项目—课程—教师—学生”之间的桥梁，使学生能力培养形成系统性，推动科教融合驱动的教学体系改革。继而将课程按照理论课程、实践环节分类进行落实，以“科研项目群+课程群”的形式推动科研项目内容在理论课程内容中的融入，以产教研融合实现科研项目及产业支撑的实践教学。

二、课程体系贯穿式科研项目设计

单一课程的项目驱动在设计时往往以任课教师为主体，造成课程之间所采用的项目背景、行业、知识有所差别，缺乏系统性。因此，从学科的课程体系角度，解析“科研项目—课程群—课程—学生能力”之间的关联性。按照科研项目分类，落实项目的对应教师、对应课程及学生能力培养需求的步骤，进行课程体系贯穿式科研项目设计，如图1所示，以使学生能力培养形成系统性。

首先，对科研项目、课程群、课程、学生能力进行解析。科研项目主要包括源于国家各级单位成立基金支撑的纵向项目和源于企事业单位的横向项目，机械工程学科的科研项目具有行业应用背景。纵向项目要求具有一定的理论创新性，对应可提升学生的创新能力；横向项目通常要求能解决行业技术问题或能开发出相应的装备、产品、实验平台等，对应可提升学生解决复杂工程问题的能力。将科研项目的应用背景进行行业分类，形成科研项目群。将本科生课程按照能力培养划分课程群。以合肥工业大学为例，进行如下划分：（1）机械产品设计及建模分析能力，对应设计基础及软件技术课程群，包括“机械原理”“机械设计”“C语言程序设计”“有限元分析与应用”等课程；（2）机械产品制造及设计实验能力，对应制造基础及制造技术课程群，包括“工程材料及成形技术”“制造技术基础”“快速成形技术”“先进制造技术”等课程；（3）机械产品控制系统设计及调试能力，对应控制基础及控制技术课程群，包括“控制工程基础”“传感器原理与应用”“工业机器人技术”“机电一体化系统设计”等课程；（4）工程实践能力培养，对应“制造技术综合实验”“控制基础综合实验”等实验课程以及工程实训、生产实习、毕业实习、毕业设计等实践环节。

在解析科研项目、课程群、课程、学生能力的基础上，进行课程体系贯穿式科研项目设计。首先，将科研项目的应用背景与本科生就业行业对应，根据机械工程行业需求和学生优势就业行业，形成多个行业的科研项目群，再对应行业筛选科研项目。以合肥工业大学机械工程学院为例，根据本科生就业统计，优势就业方向主要有汽车行业、家用电器行业、工程装备行业等，学校相应建立汽车行业科研项目群、家用电器行业科研项目群、工程装备行业科研项目群等。然后，推动教职工“项目负责人—任课教师—实践环节导师”三重身份融合，建立不同课程和教师之间的协调机制，打通课程之间的科研项目界限。最后，以“科研项目群+课程群”协同的组织形式落实科研项目驱动的课程内容改革，将具体科研项目内容在理论课程、实践环节进行落实。例如，将具有汽车行业为应用背景的项目归为一个汽车行业科研项目群，其中包含的科研项目主题有：高强钢性能研究、热冲压成形工艺、全铝汽车车身制造、冲压成形检测与形性协同控制等；将上述项目划分入制造基础及制造技术课程群和控制基础及控制技术课程群，对应课程为“工程材料及成形技术基础”“CAD/CAM技术及应用”“先进制造技术”“控制工程基础”“传感器原理与应用”；科研项目群和课程群协作将科研项目内容在课程教学中进行融入设计。

三、“科研项目群+课程群”推动的理论课程教学内容改革

科研项目在申请和实施过程中主要明确的内容包括：行业背景、研究目标、研究内容、技术路线等。将科研项目群中不同科研项目的行业背景、研究目标、研究内容、技术路线按照课程群中课程所包含的基础内容体系及学生能力培养进行对应、划分，将科研项目内容融入授课内容。在课程初始，明确课程相关科研项目的行业背景及研究目标；继而以科研项目的研究内容和技术路线中的科学问题、工程问题引出理论研究及技术研究，开展课程教学；在课程教学及考核过程中，将科研项目申请执行方式与课程考核方式结合。

1.背景及目标引入。在课程初始的引言阶段，引入科研项目所涉及的国际现状、国家政策趋势、行业发展动态等背景，以及项目目标与科技发展、行业应用之间的关系，拓展课程背景知识的广度，激发学生的科技报国情怀，补充课程的思政育人功能，培养学生关注行业前沿发展动态、关心技术发展趋势的能力。如在“工程材料及成形技术”课程中，介绍国内外燃油汽车的发展对比，以及近年我国新能源电动汽车弯道超车的行业动态，并将全铝车身等科研项目在奇瑞新能源电动汽车的应用情况以及往届毕业生在奇瑞汽车股份有限公司具体岗位的就业情况进行介绍，显著提高了学生的学习主动性和积极性。

2.以问题牵引技术。提取项目中的研究内容、技术路线所面向的科研问题和工程问题，并进行细化，与所需教授的课程知识点对应。引导学生灵活运用课程的理论知识解决项目中的科研及工程问题，从而锻炼学生的创新能力、思辨能力以及知识应用能力。在“传感器原理与应用”课程中，介绍汽车自动驾驶技术发展中所面临的传感器及数据采集系统问题：在《传感器特性》章节中介绍自动驾驶技术中激光雷达采样频率、精度等特性对数据的影响；在《传感器类型》章节，讲解激光雷达的市场、品牌、技术指标、硬件等对自动驾驶市场应用的影响；在《传感器采集系统》章节，将检测和自动驾驶的智能决策功能作为能力提升部分进行讲解。

3.科研项目申请执行方式与考核方式结合。理论课程的考核方式中主要有课堂汇报、研究报告、课程实验、课堂测试、考试等环节。将课程的部分考核方式与科研项目申请执行方式结合，如项目申请式课堂汇报环节、项目结题式研究报告环节、科研开发式实验环节。采用项目小组的组织形式对学生进行分组，教师以项目指导者角色，采用团队协作开展科研项目的形式引导学生进行教学活动。

在每学期期末，各课程形成课程目标达成度评价报告，并综合分析理论课程教学内容改革对学生能力培养目标的提升作用。在实施改革后，学生的解决机械工程领域复杂工程科学技术问题能力、机械工程领域的设计/开发能力、针对复杂机械工程问题使用现代工程工具和信息技术工具能力、理解和评价复杂机械工程实践对环境及社会可持续发展影响的能力等学生能力培养目标的评价分数整体上得到了提升。

四、产教研深度融合的实践环节改革

实践教学对学生解决复杂工程问题的能力和创新能力培养有极其重要的作用，而实践教学又要避免理论与实践、科研与教学相对脱节的问题。因此根据机械类专业的应用行业特点，面向创新创业教育、实验教学、实训课程及毕业设计等实践环节，推行产教研深度融合的实践教学，践行工程实践和科学思维相统一。

1.融合科研项目的创新创业教育。汇集高校、企业和社会力量，共建产教研融合的创新创业实践基地，打造机械工程创客平台、企业创新实验室等，采用校企协同管理模式，面向全体本科生实施群体创新教育。以教师的科研项目为主导，以产学研合作为导向，以产教研融合的创新创业实践基地为基础支撑，开展创新创业课程、创新创业项目及科技竞赛等创新创业教育。创新创业教育围绕前沿科技和核心技术，着重提升学生创新性解决复杂工程问题的能力，以满足拔尖创新人才培养需要。如立足于合肥市“中国家电产业基地”的优势，以合肥工业大学机械工业绿色设计与制造工程研究所与合肥美菱电器、格力电器的校企合作科研项目为基础，开展了省部级大学生创新创业项目“废弃电路板元件自动拆解装置”“智能压缩机拆解回收解决方案”等，项目组学生对家电行业以及绿色制造有了更为深入的了解，其环境保护和可持续发展意识得到了提升。经过改革，机械工程学科竞赛获奖率超80%，获得国家级（含国际级）奖励从每年40项左右增长到每年100余项。机械类专业学生组建的大学生方程式赛车队，获全国首批大学生“小平科技创新团队”。

2.依托科研平台开展实验教学及课程设计。依托学校及学院的科研平台，将先进设备、仪器和科研成果引入实验教学及课程设计中，加强教学、实验、科研之间的联系，以增强学生的创新意识，提高学生的实验技能和科研能力。依托智能机器人先进机构与控制技术国家地方联合工程研究中心、机械工业绿色设计与制造重点实验室、安徽省智能数控技术及装备工程实验室等科研平台，向学生开放柔索并联机器人、绿色冷却润滑切削加工系统、多工位液压机系统、磁噪声检测设备等基于科研项目的自研装备及仪器，以及SLM 3D打印机、激光熔覆加工系统、高频热像仪等前沿装备及仪器。进而改进实验教学及课程设计，如开设“3D打印”实验课程、在“传感器原理及应用”课程实验中加入在线热像监测等前沿监测技术、在“机电一体化系统设计课程设计”中加入柔索并联机器人主题模块等。