新工科背景下机械类专业升级途径研究与实践
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作者:李言 李淑娟 杨明顺 王权岱 杨振朝
［摘 要］文章从国家发展、行业和企业对人才的需求出发，分析了以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新工科人才应具备的知识能力和素质，针对当前工科人才培养中存在的主要问题，剖析了问题产生的原因和导致的后果。文章以西安理工大学机械设计制造及其自动化专业为对象，提出了以“培养计划制订、课程体系和课堂教学重构、技术能力和非技术能力融合以及综合评价机制建立”为主线的新工科升级改造途径和实现模式，以期为新工科建设探索出一种有效的方法。
［关键词］新工科；机械类专业；升级改造
［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）10-0006-04
随着以数字化、智能化为核心的新型产业的蓬勃发展，以“互联网+”引领的新技术、新产业、新业态、新模式为特征的新型经济逐渐成为新一轮工业革命的竞争焦点。高校作为人才培养的主阵地，如何适应新产业和新经济模式变革带来的冲击和挑战，培养出引领和推动经济社会持续发展的建设者和接班人，成为高校当前和今后一段时间内重要的历史使命和根本任务[1]。
一、新工科是产业对新型人才的呼唤
以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新型经济呼唤新工科建设，这也是当今经济社会发展对新型技术人才迫切需求的强烈呼唤[2]。
（一）新技术快速发展呼唤行业领袖人才
信息技术特别是以云计算、大数据、人工智能、数字孪生、区块链和互联/智联网为代表的先进技术深入发展，已渗透到各个行业和各个领域，在技术相互融合和应用的过程中，有力推动了各行业的变革和发展，催生了新的技术、新的产品和新的产业形态，使得迫切需要了解新技术发展动态、熟悉产业和产品升级途径、掌握新技术应用方法、能引领行业技术发展的领袖型技术人才，以确保行业快速可持续发展。
（二）新产业快速发展呼唤创新型人才
运用新技术和新成果产生和延伸出的新产品和新型经济活动已经成为企业高速发展的新引擎。纵观制造技术和产品的发展历程，过去拥有一项核心技术或产品，企业就可以维系和发展很长一段时间。但现如今，技术创新和产品更新步伐不断加快，4G技术刚刚普及，5G应用已全面推广，甚至6G都开始跃跃欲试。另外，单一功能的产品已走到了历史尽头，大多数产品都是走多功能集成、机电融合、软硬配套，甚至自动化、数字化、智能化一体发展的新路，从产品发展中已难以清楚划分专业界限。在创新驱动成为企业发展战略的今天，原始创新、集成创新、应用创新已经成为企业最核心的竞争力。企业对具有理念创新、理论创新、技术创新、方法创新、工艺创新和管理创新能力的人才的渴望前所未有，人才竞争成为竞争的焦点。
（三）新业态和新模式呼唤高素|复合型人才
为了满足社会和用户多元化、多样化、个性化的需求，企业依托技术创新和深度融合应用，从现有产业和领域中不断衍生出新的产品和服务，形成了新的环节和链条，呈现出以制造服务、产业链深度融合以及数字经济、共享经济、平台经济为代表的企业运行新模式，推动企业技术、产品、服务交叉融合、同步发展。因此，企业技术人才不仅要具备解决自己专业领域复杂工程技术问题的能力，而且应懂经营、懂管理，熟悉社会、文化、经济和环境等方面的知识，了解相关领域技术发展动态，具备跨专业组织团队协同攻关和创新的能力。这种要求看似不合情理，但是企业为了生存发展不得不提出这样的要求，否则企业的转型升级和创新发展就成了一句空话。为此，企业在难以引进高素质复合型人才的情况下，不得不花大量精力实施在岗培训，以提高已有人才的综合素质和能力，这也是当前企业实际面临的最大困难之一。
二、当前工科人才培养存在的问题
近年来，社会对高素质复合型人才的需求越来越强烈，对人才培养质量提出许多疑问甚至不满。作为从事工程教育的工作者，在当前的新工科背景下，必须进行深刻反思，找出教育过程中存在的问题，不断进行改革和完善，这样才能培养出满足社会发展需求的高素质人才[3]。
（一）工程教育系统相对封闭，造成人才供给与社会需求脱节
我国早期的工科教育专业大多是依据行业和产业的需求，借鉴其他国家发展经验发展起来的，许多学校的工科专业有明确的行业背景和特色，为社会培养了大批行业专家和工程技术人才，为经济建设和社会发展做出了贡献。随着科学技术的发展和市场主体的变化，高校管理体制和专业设置在不断调整，这使专业的依托主体联系不再紧密，行业特色弱化，逐步与行业脱节。另外，科学技术的发展和新技术不断涌现，促使产业和产品不断交叉融合，使传统的产业界限变得模糊。例如MEMS、3D打印、健康医疗等新领域，往往涉及材料、机械、电子、控制、计算机、软件、通信甚至生物工程等众多专业的知识，受研究投入不足等综合因素的影响，专业教育系统与产业分离。专业只能以学校的自身条件、能力和理解设置人才培养目标和方案，形成了自我封闭的人才培养体系，培养过程与社会行业脱节，培养的人才难以与社会需求匹配。因此，必须打破工程教育系统自我封闭的局面，形成包括社会和行业参与的专业教育大闭环系统，这样才能有效解决供需脱节的问题。
（二）专业教育界限过于清晰，使新技术难以融入
与产业领域专业分工越来越模糊形成鲜明对比的是，专业教育界限过于清晰。经过多年的发展，学校每个专业都形成了自己较为完善的培养目标、培养方案，确立了基础课、专业基础课和专业课及各种教学环节，对专业的核心和边界有了共识，这是对的。但是在这样的专业建设体制下，社会需求快速变化，培养方案却很难适应和及时调整。现实情况是，每当修订专业培养方案时，就会面临这个是专业核心不能动、那个是专业关键不能动、一些必须开设的课程和环节不能动的窘迫。加上受学时和学分的限制，只能对培养方案进行小修小补，维持现状，造成一些新技术、新知识难以有效地融入人才培养体系。因此，在新工科背景下进行专业升级改造，必须打破常规，重新审视专业边界，以开放的思维、系统的观点重新构建专业体系。
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（三）教育过程领地化，造成学生所学知识碎片化现象严重
由于培养计划的系统性不强，课程及教学环节设置的相互衔接和逻辑性受到很大影响，甚至因人设课的现象在一定程度上依然存在。另外，在教学过程中，每门课程的教学内容和教学方式基本定型，形成了固定的模式，课程教什么、如何教、教到什么程度就成了教师的个人问题。在调查过程中笔者发现，不同届的学生谈到当时所学的某一门课时，基本没有什么差别和变化。加之现在部分青年教师受教学能力和教学经验的限制，在教学过程中就内容讲内容，用一个名词解释另一个名词，做不到用浅显易懂的语言给学生把道理讲清楚，不会把课程的前后内容相互联系起来，不能很好地把理论知识与实际应用相互衔接起来，不能把本课程与相关课程内容关联起来，形成整体概念。这种以课程为单元，理论教学和实践教学脱节的课程体系造成学习过程孤岛化、所学知识碎片化，学生学习的主动性、积极性不高，解决实际复杂工程问题的能力不足。
（四）评价方法单一化，使学生的综合素质和能力难以得到有效培养
学校是一个熔炉，主要任务是培养人，肩负着为国家建设培养德智体美劳全面发展的建设者和接班人的重要使命。如何培养和评价一个人的全面发展成为当前教育过程中的难题。学校通过理论学习、实践锻炼及各类课外活动环节，把学生塑造成高素质人才。按理说，凡是占用四年有效时间的任何教学和课外活动，都应该对培养学生某一方面的能力有直接作用和效果，都应纳入考核评价范畴，否则就是无用的，学生可以拒绝参加。在课内教学活动中，部分教师往往更加关注学生的学习成绩，成绩考核几乎成了育人效果的唯一标准，对立德树人，学生的交流、沟通、组织等非技术性能力关注不够，也缺乏有效的评价方法和手段。另外，在更加关注个人权益和隐私的今天，许多评价难以操作和公开，怕给学生造成负面影响和心理负担；对一些敏感问题教师不好处理，以至于部分教师的课堂组织和对学生的管理处于较为放任的状态，这对学生综合能力的培养也有很大影响。因此，必须形成师生共同参与、学校各部门齐抓共管的育人环境，探索建立大学生在校期间技术能力和非技术能力的培养与考核评价体系，促进人才健康成长。
三、机械专业升级改造的思路与探索
科学技术发展的历史洪流不可阻挡，社会和产业的变革势如破竹，对人才的渴望前所未有。作为人才培养的高等学校，只有顺应发展要求，正视存在的问题，以锲而不舍的勇气和精神面对现实，通过新工科建设对专业进行卓有成效的改造和升级，才可能不被社会抛弃[4-5]。
前述分析表明，第四次工业革命带来的新技术、新产业、新业态、新模式是全方位、多层次、多样化的变革，没有任何一个专业能够培养出满足各方面要求的全能人才[6]。依托已有专业的基础，不断融入涉及本专业领域的新理论、新技术、新方法，实现各自专业的升级改造，在协同攻关中体现专业优势、特长以及与相关专业的联系与配合，这恐怕是新工科建设最理智、最有效的途径之一。
西安理工大学（以下称“我校”）机械设计制造及其自动化专业是在1958年机床和工具专业的基础上发展起来的，是国家特色专业和一流专业，两次通过工程教育专业认证。多年来，围绕专业认证和新工科建设，我校进行了有益的专业升级探索和实践。我校专业升级改造的基本理念是坚持需求为驱动、学生为中心、结果为导向，通过持续改进提高人才培养质量；基本原则是坚守专业底线、筑牢专业核心、拓展专业外延，通过专业内部课程和各教学环节的融合及与相关专业新技术的关联和交叉，保持培养方案和教学体系的系统性、先进性。我们的具体做法、体会总结如下。
（一）好的培养计划是专业改造的基础工作
培养计划看似简单，实则不易。说它简单，照猫画虎也能做；说它不易是因为，培养计划是专业建设和发展的总纲，涉及人才培养规格，人才需求和去向，知识、能力和素质要求，课程配置体系，教学环节设置等一系列问题。为此，我们主要做了以下三方面的工作。
一是建立了以专业带头人负责、核心课程链教授参加、老中青结合，聘请相关专业和企业工程技术人员参与的工作组，负责明确专业内涵和外延以及专业边界、构建人才培养模式和体系、制订培养计划、专业软硬件平台建设规划、专业和教学过程实施与改进等工作。
二是建立了专业和教学改革研究机制。成立了专业教师和70余位企业家组成的产学研用联盟，建立了产业链合作委员会，定期对行业发展、企业需求和专业建设等相关议题进行研讨，为专业改革和建设提供意见与建议。两年时间里，我们走访调研了百余家不同类型的企业，虽然各企业对人才的要求不尽相同，但从国家、行业和产品需求层面分析，对机械类专业人才的能力素质要求总体可以归为家国情怀、道德素质、专业素质、领导素质及身心素质几大类，通过专业内部的融合与匹配，最终形成了“以学生为中心、需求为拉动、过程为保障、融合为手段、结果为导向”的“拉式”人才培养体系构建方法，具体如图1所示。
三是建立了专业内部定期研讨交流机制。专业建设不是一两个人的事，只有全体专业教师参与才能取得成效。通过定期交流，每位教师要明确专业办学理念，熟悉课程与课程以及各教学环节之间的逻辑联系，了解自己所讲课程前后续课程的基本内容，及时获得企业和社会需求，使自己在教学过程中能把学生所学知识相互关联起来，及时把社会需求及新技术、新知识的相关内容融入课程及实践应用中，以促进学生融会贯通，形成完整的知识体系。
（二）好的课程体系和课堂教学是人才培养的根本
我们依据专业办学理念，瞄准企业和社会需求，在充分调研、论证分析的基础上，形成了以大机械复杂工程为背景，以机电系统“分析与设计―工艺与制造―测试与控制―系统与集成”四个知识链为主线的课程配置方法。按照守底线、保核心、拓外延的思路进行强干、削枝、配叶。除公共课程外，我们还遴选出包括力学、图学在内的8门专业核心课，建立了以机械设计为核心的“分析与设计”知识链、以机械制造技术为核心的“工艺与制造”知识链、以测试技术为核心的“测试与控制”知识链、以现代制造系统为核心的“系统与集成”知识链，每一条知识链设置一位责任教授，统筹每门课程内容取舍、链内课程的衔接工作。比如，在“分析与设计”知识链中延伸出机器人技术及应用课程，在“工艺与制造”知识链中延伸出智能制造技术课程，在“测试与控制”知识链中增加了智能传感技术和人工智能基础课程，在“系统与集成”知识链中增加了工业互联网和大数据等课程。同时，对一些课程内容进行了删减、调整，形成完整的课程体系。
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依据知识链系统性要求，对每门课程进行重构设计，按照学生一般了解的内容、应该熟悉的内容、必须掌握的内容划分出课程的重点和核心内容。按照基本知识、基本原理和基本方法的思路确定自学、研讨和讲述的课堂授课方式，并规划设计出人工智能、物联网、大数据等先进技术在本门课程中的融入点和应用点，拓展课程外延应用范围，引导学生对新技术进行关注和有意识的应用。同时，每门课程还要根据课程性质，把5%～10%的学时用于立德树人、环保、安全、交流沟通等方面的非技术能力和素养的培养。实践证明，筑牢课程和课堂授课这块最重要的阵地，是培B高素质人才的关键和根本。
（三）好的课内外融合实践环境是培养学生综合能力的重要途径
为了解决学生实践动手和应用创新能力不强的问题，依托国家工程训练实验教学示范中心和教育部数控机床与系统集成重点实验室，学校建立了良好的实验、实践和实训平台。按照学生的知识结构及对事物的认识规律，结合培养计划要求，学校把学生的实践创新与学生成长及能力培养融为一体，精心规划了机械工程发展“一个展览”，专业讲座及科技进展“两类报告”，验证性、综合性、设计性“三类课程实验”，机械设计、加工工艺、信号测试、制造系统“四类开放实验和实践项目”，工程训练、课程设计、毕业设计、生产实习、综合实践课“五种综合应用训练环节”，课程论文、社会实践、专题培训、科技创新、工程应用、科技活动、学科竞赛、创新实践、演讲辩论、书画比赛等“八种形式的课外实践活动”，构建了“123458”实践体系，将其有机地贯穿于教育教学全过程，从而形成四年不间断的递阶式实践体系。
为了更好地培养学生交流沟通、团队合作、组织领导、创新意识等非技术能力，使各类实践活动落到实处，学校建立了把非技术能力纳入培养过程各环节的融合机制，如图2所示。把理论教学、实践教学和非技术能力培养在不同层次、不同阶段进行交叉融合，促进学生专业能力和非技术能力同步提升。按照机械部件“原理―功能―结构―应用”和机电产品“原理分析―结构设计―加工制造―装配调试―测试控制”全过程需求要素，推动理论实践和非技术能力一体化贯通式教学方式，以技术要素诱导非技术能力的养成，促进学生的全面成长。在实施过程中，注重加大课外训练。我们通过人文和课程思政、社会实践培养学生的家国情怀和人文素养，在基础阶段穿插报告会、辩论赛、科技活动、开发实验实训等课外活动，拓展学生的工程认知和科技视野。在课内理论和实践教学中，将5%～10%的学时用于学生非技术能力的培养。
（四）好的评价机制是激发学生全面发展的重要手段
虽然目前对学生考核评价的问题一直是大家比较关注的问题，也有各式各样的考核评价方式，但总体而言还是以学习成绩作为最主要的考核指标。考核体系不完善、不及时，使学生的学习和成长状态不能及时准确反馈，这一方面影响了评价结果的科学性；另一方面，如果学生一旦成绩不好，就容易丧失前进的动力。为此，我们建立了定量与定性结合、技术能力与非技术能力相结合、结果性评价与过程性评价相结合的评价体系。通过学生在校期间诸如班团活动、社会实践、创新实践及学习状况、身心状态等项目，采用学生自评、互评，教师、辅导员、班级导师评价的方式，定期对学生的知识学习效果、解决实际问题的能力、合作担当精神、持续发展潜能进行综合评价，建立良好的沟通与反馈机制，这种评价效果比较好，受到学生的欢迎。目前，我们正在探索区块链在人才评价中的应用。
四、结束语
文章针对新工科背景下机械类人才培养过程中存在的问题，从大机械工程背景和人才成长规律出发，从国家、行业和机电产品设计制造三个层次提出对人才素质能力需求的分解和综合，树立知识联动配置的“拉式”人才培养理念；建立了以反映复杂机电产品“分析与设计―工艺与制造―测试与控制―系统与集成”为主线的课程配置方法，以及与之相适应的知识链映射关系；构筑了以实践设备为代表的硬支撑条件和以教师教学为代表的软支撑条件的培养保障机制；以校内与校外、课内与课外、理论与实践、技术因素与非技术因素四个融合为手段，把学生成长成才所必需的理论、实践及非技术三种素质提升过程在学习的不同阶段、不同教学环节进行有效的交叉融合，培养学生健全的人格和家国情怀、过硬的专业能力和良好的综合素质，从而形成了“以需求为拉动、学生为中心、平台为支撑、过程为保障、融合为手段、结果为导向”的机械类人才培养思想及实现模式。经过多年的实践，这种人才培养模式效果良好，我校机械设计制造及其自动化专业被评为国家一流专业，已两次通过工程教育认证；专业核心课机械制造技术被评为国家一流课程；2020年“新业态下机械类专业人才培养体系构建与实践”获陕西省教学成果一等奖；学校与澳大利亚詹姆斯・库克大学合办机械设计制造及其自动化专业，共同培养智能制造方向的人才。
［ 参 考 文 献 ］
[1] 王武东，李小文，夏建国. 工程教育改革发展和新工科建设的若干问题思考[J].高等工程教育研究，2020（1）：52-55，99.
[2] 钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：1-6.
[3] 赵继，谢寅波. 新工科建设与工程教育创新[J].高等工程教育研究，2017（5）：13-17，41.
[4] 李正良，廖瑞金，董凌燕. 新工科专业建设：内涵、路径与培养模式[J]. 高等工程教育研究，2018（2）：20-24，51.
[5] 马坤，郭炳晖，郑志明. 基于“新工科”建设的人才培养挑战与机遇[J]. 大连理工大学学报（社会科学版），2019（5）：109-113.
[6] 郑庆华. 新工科建设内涵解析及实践探索[J]. 高等工程教育研究，2020（2）：25-30.
［责任编辑：陈 明］
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