新工科背景下贯通式项目制研究型综合实践教学模式探讨
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作者:李津津 叶佩青
摘 要：为践行“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体的培养理念，本文针对机械工程专业人才培养提出了贯通式项目制研究型综合实践教学新模式，探讨了该模式下机械工程专业实践教学的具体改革措施，为新工科建设提供了一种新思路。
关键词：新工科;实践教学;教学改革;项目化教学
一、背景
随着互联网、云计算、大数据等新技术涌现，机械工程不再是传统意义上的机械产品设计制造，而是以智能制造、云计算、人工智能、机器人等前沿领域为主要研究对象。为此，近年来国内高校就新工科发展做了大量的探索[1]，具体如表1所示。其中，“天大方案”由天津大学提出，主张将课程体系和培养体制进行重构，把三类五大项目（课程内项目、课题组项目、交叉学科项目、科研实践项目与毕设项目）串联为一个紧密的整体，形成“课程元”并组成一个完整的课程体系，把课程重点放置在遇到实际问题时如何学习及应用所学知识上。“新工科建设F计划”由华南理工大学提出，主张“通识+专业+双创”的课程体系模式，加强对学生的“5I”多维度培养（即学科交叉融合、工程深度学习、本研贯通、产学研合作、国际化教育），专注打造兼顾价值理性和工具理性、复合知识和核心能力（思想能力、学习能力、行动能力）、全球视野和家国情怀，且同时具备创新、创造、创业能力的顶尖技术人才。复旦大学增设课程核心为 “本研贯通+产学研融合”的新工科试验班，包括微电子科学与工程卓越班、智能科学与技术专业两类，为学生提供“本硕博连读”的培养模式，让优秀学生在这一模式下继续深造。中国科学技术大学近期新增了信息智能学部，以促进工科的学科交叉。北京理工大学增设了三个关于智能制造的新工科专业，包括人工智能、智能制造工程、数据科学与大数据技术等。大连理工大学对机械类项目群进行课程改革;北京大学图灵班新增人工智能方向;南京大学成立人工智能学院;西安交通大学启动大电类和机类等工科大类招生。
国外已有多个发展成熟的工程教育改革模式，如能力导向教育模式（CBE）、成果导向教育模式（OBE）和构思—设计—实施—运行教育模式（CDIO）。CBE 是一种以学生能力为本位，以个人能力为基础进行教学，督促学生进行自我管理、自我学习的教学模式，已在美国工程教育领域全面施行。课程内容为模块式结构、理论知识与实践技能训练有机结合，以学生为中心，注重“学”而非注重“教”。CDIO强调构建一个互相支撑且有机联系的一体化课程体系，并将产品全生命周期作为载体（包括研发、运行、维护和废弃），促使学生积极学习工程知识并主动实践。
除这些成熟的工程教育模式外，国外高校也在积极探索新的模式。麻省理工学院提出了国际科技计划（MISTI），为学生提供海外学习机会并加强与名企的交流实践[2]，并要求：
（1）学科设置与工业生产紧密结合，学生在实习过程中自觉学习交叉知识[3];（2）重视物理基础;（3）强调教授及教学科研办学于一身，办学理念与教育方法始终随着科研与社会发展而改革;（4）注重人文学科的发展。麻省理工学院等高校认为，人文素养对于科学工程创新具有潜移默化的革新与促进作用。斯坦福大學也积极进行改革[4]，包括：（1）“向本科生提供项目研究”制度，并向本科生全面开放实验室;（2）“拓展交叉学科研究”制度，以项目为基础进行交叉教学，让学生为用而学;
（3）“教育综合性”制度，以跨学科为基础进行教学环节的改革。滑铁卢大学主张合作教育人才培养模式[5]，学生可选择有报酬的工作岗位，工作学期实行导师指导制，选择该模式的学生将会有五个学年的学习时间，其中工作实习时间可占40%。在此期间，学生可以积攒大量工作经验，提升就业竞争力。普渡大学将大类教育、柔性化培养方案与企业社区参与方案相结合[6];南洋理工大学主张学生需在当地或海外实习，并推行全球教育计划（GIP）、海外实习计划（OAP），构建基于创新的“本科生在校研究计划”等;卡塞尔大学实行“宽进严出”“院系联合办学”“研讨班”等举措，提高学生的交叉学科学习能力。
二、贯通式项目制研究型综合实践教学模式
贯通式项目制研究型综合实践教学从顶层设计，贯穿本科大学四年，重视学生的个性化发展，培养学生综合运用知识的能力和解决问题的能力。从大一开始，就针对学生设计一个综合性的实践项目，以研究性项目为主导，在导师指导下，学生用3～4年时间完成实践项目。该模式将构筑一个符合卓越创新人才成长特点的学习条件和培养环境，支持学生自主学习与创新创业，并以“创新教育模式、激发学术志趣、提高培养质量”为目标，强调“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体的培养理念。
1.贯通式项目制研究型综合实践教学现状
在国外大学，比较系统的实践课程设计要求学生利用整个本科教育阶段所学的知识，在特定的设计题目、设计要求以及项目预算下，以团队为单位，发挥专业能力、协作能力及创新精神，完成产品的设计、制造及控制等全部任务。比如，宾夕法尼亚州立大学与企业合作进行了本科顶点实践课程建设;加州大学洛杉矶分校开设了为期2个学期的“机械产品设计”顶点课程设计，集合了从产品设计到自动化控制等多个环节的综合性创新实验课程。这些可以看作是本科生贯通式项目制研究型实践教学的雏形。
在国内，本科生贯通式研究型实践教学并没有形成系统的教学方案，都是在已有的实践课程基础上进行优化设计。例如，清华大学机械工程系已经建立了比较全面的实践教学课程体系，并取得了较好的教学效果（2018年通过了ABET认证）。2018年在大四上学期开设的实践课程“制造工艺设计与实践教学”为专业必修课（64学时，4学分），着重培养学生运用知识的能力和解决实际工程问题的能力。而2016年开设的挑战性课程“产品工程化设计实践”（64学时）通过引导式实践和自主式实践相结合的方法培养学生的创新意识。但实践课程也存在一些不足：一是缺少创新设计，实践主要针对传统的实验验证和机械设计。二是比较碎片化，各个实践之间缺少联系但又存在一定的重叠。三是缺乏顶层设计，没有根据学生的培养目标进行整体设计。 2.贯通式项目制研究型综合实践教学改革思路
在新工科建设背景下，我们提出了贯通式项目制研究型综合实践教学新模式，从顶层对实践课程进行全面设计，从而保证更全面地培养学生创新、创造、创业能力。
以机械工程专业为例，首先需要对一年级本科生进行机械领域的专业知识拓展，可以邀请机械系教授对一年级本科生进行科普教育，让他们对机械领域有一个初步认识。其次，在第一学期结束后由老师给每组学生设置一个研究课题。在课题设置上，需要根据学生的特点和兴趣量身定做，或是让学生根据自身兴趣找寻相关的课题。我们不鼓励本科生跟着研究生做课题，而是将本科生独立出来，从深化课堂理论知识的学习和运用出发，让他们独立完成相关课题。这样既能发挥本科生的主观能动性，也能让他们体验到实践创新和科学研究的乐趣，为将来继续深造打下坚实的基础。
下面重点介绍贯通式项目制研究型综合实践教学模式的具体改革思路。
（1）入学通识讲座。在新生刚入学时，结合“机械的奥秘”等科普类课程，邀请机械系不同研究领域的教师为新生开设机械领域的通识性讲座，深入浅出地为新生讲解机械研究领域前沿以及发展趋势，培养学生对本领域的研究兴趣。讲座应以本科新生能够理解且能够产生兴趣为宗旨，切忌讲述过于生涩的内容，避免使学生失去研究兴趣。
（2）班级组建及学生分组。项目实施初期，可以考虑采用选修制，并根据实际学习课时分配学分（比如4～6个学分）。在本科一年级下学期或二年级上学期，给学生讲解贯通式项目制人才培养的优势等，吸纳学生组建试点班级。试点班级组建完成后，根据学生的兴趣爱好成立若干个小组，每个小组原则上至少3人（不超过5人）。应根据学生感兴趣的课题领域进行分组（学生自由组队，或寻求教师帮助安排），以避免选择课题时同组同学分歧过大。
（3）组建教师团队。聘请机械专业领域高水平教师组成导师团队。为了鼓励教师参与贯通式实践教学的积极性，可以将导师在学生指导方面的工作折算成课堂教学工作量。每位教师需要在网站上公布自己的研究领域和研究方向。通过双向选择，每组参與学生都需要选择一位教师作为课程导师。导师需要对每个小组学生的学习情况有所了解，并针对每个小组制定一个3年的项目研究计划，在项目研究过程中给予足够的指导。导师要根据学生的兴趣和发展量身定做相关的研究课题，或让学生根据自身的兴趣寻找相关课题。
（4）课题的持续推进。机械工程专业本科课程主要涉及力学、电工电子信息基础、工程材料、机械设计、机械制造、测试与检测等。在课题实施过程中，学生不断学习新的课程，不断利用新的知识解决项目实施中遇到的问题，其学习能力、科研能力和实践能力逐步提高。随着课程和实践的推进，应及时丰富项目功能并加以改进，力求让所设计的项目达到最优状态。这种基础课程学习与贯通式实践课题相结合的思路，促进了专业重塑，培养了学生独立思考、独立分析和解决问题的能力。
（5）效果评估与总结。在课题实施过程中，班级可以组织内部的比赛交流，或是组织队伍参加国家和国际级别的竞赛，比如创意设计大赛、全国大学生机械创新设计大赛等。通过比赛，学生开阔了眼界，同时发现自己设计的不足，达到以赛促学的目的。与此同时，需要逐步制定量化、可操作的评价体系，对贯通式项目制人才培养模式的改革效果进行有效检查和评估。要以学期或学年为单位，定期对学生课题进展进行督促检查。学生的设计作品可以作为毕业设计使用，优秀作品可以参加优秀毕业设计的评选。同时，学生要对自己的学习实践进行总结，为今后学习或工作打下良好基础。
3.贯通式项目制研究型综合实践教学保障措施
贯通式项目制研究型综合实践教学的开展，首先需要有完善的课程体系和实践教学平台支撑。近年来，清华大学机械工程系一直在完善相关课程体系及实践教学平台的建设。具体包括：（1）比较重要的基础课程都包含了相关的实验教学内容。（2）比较重要的专业课，包括机械设计与制造、材料成形与加工、检测与机电控制等，都开设有综合性的实验或实践课程。（3）建设了机械工程教学示范中心（国家级）和机械基础教学基地，可以满足不同年级本科生的金工实习和社会实践。（4）开设了培养本科生专业能力的训练环节，包括初步科研能力培养及专题训练。这些工作为贯通式项目制研究型综合实践教学的开展提供了课程和平台支撑，有力地保障了教学的开展。
其次，组建专业导师团队是提升本科生贯通式项目制研究型综合实践教学质量的关键。导师的悉心指导，可以帮助学生培养科研思维、提高实验技能和提高对知识的融合能力。
最后，需要建立和完善与贯通式项目制研究型综合实践教学模式相适应的教学管理机制，包括本科生导师制的落实、学分的分配、激励机制和教学经费支持，从制度上保障贯通式项目制研究型综合实践教学的顺利开展。同时，建立并拓展本科生社会实践培养基地和交叉学科科研平台建设，为项目的实施提供全方位的保障。
参考文献：
[1]陆国栋. “新工科”建设的五个突破与初步探索 [J]. 中国大学教学，2017（5）：38-41.
[2]董一巍，殷春平，等. 麻省理工学院创新型人才的培养模式与启示[J].高等教育研究学报，2018，41（1）：79-86.
[3]李明金，郄海霞，杨秋波. 国外一流工科高校实践教学体系的特征分析及启示[J]. 现代教育科学，2016（3）：109-114.
[4]陈定方，张安富，金诚. 借鉴斯坦福大学的成功经验 探索理工科大学的教改之道[J]. 高教论坛，2008（6）：36-38.
[5]尹晖.滑铁卢大学Co-op教育理念对测绘工程人才培养模式的启示[J].中国大学教学，2011（11）：93-94.
[6]林健，彭林，Jesiek B. 普渡大学本科工程教育改革实践及对新工科建设的启示[J]. 高等工程教育研究，2019（1）：15-26.
[责任编辑：夏鲁惠]
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