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标题 基于逆向思维的材料类工程性创新人才培养模式探索
范文 陈永楠+陈华鑫+王振军+徐义库+盛燕萍

[摘 要]根据材料类及近材料类专业创新人才培养的国内外发展现状可知，加强大学生逆向思维的培养具有其必要性。长安大学材料学科结合本科培养特点提出了构建基于逆向思维工程的教学模式的框架结构。该体系将教学实践环节和理论环节设置顺序调换， 采用逆向、反复实践—思考—实践这种递进式学习方法，通过本科实验教学中心调控，建立从实践到认知、从验证到创新的实践教学内容。同时，其也为探索新形势下本科人才实践创新能力培养提供了理论依据。
[关键词]拔尖创新；实践教学；多层递进教学；教学改革
[中图分类号] TG44 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）09-0125-03
一个国家在国际上的竞争水平与其工业化程度都直接且极大地受到工业创新科技人才的数量和质量的影响，竞相招募工程科技人才，是世界各国应对新一轮国际竞争的一种有效手段，为此，一系列国家战略和应对政策纷纷出台。着力发展工程前沿科技，提高创新能力，是一些发达国家如美国、日本等为抢占未来国际间发展制高点而采用的先导性战略。这些国家在工程教育教学以及创新型人才培养方面，都把强化教育的工程性与创新性相结合这一点作为重要的改革目标。这要求高校要将工程科学与技术的教授作为工程教育的主要内容，使学生自身的知识生产功能在发展过程中稳步提高，从而成为国家科技健康可持续发展的必要基础和动力。学校需要教授学生前沿的科学知识，培养出符合社会企业需求的高素质创新型人才。若要在理工科高等院校工程教育中实现创新，就必须要以工程性为基础，既重视能解决实际生产问题的实践，又要求在实践中培养学生的创新能力。针对理工科类高等院校，特别是机械、材料类专业学生，采用与探索逆向工程培养模式，开展针对学生能力培养的创新性工程教学，在当下显得更加重要。综上，进行培养方法和方式的改革，促使学生在学习上投入更多的兴趣和热情，是目前在高等教育课题中尤为重要的课题之一。
一、逆向工程思维
逆向工程思维（Reverse Engineering），简称RE，是使用现有的条件与产品，通过数字化测量仪器分析测量样品得到大概轮廓数据，再使用轮廓数据进行模型重构的一种倒装式思考方式。所谓逆向工程思维是以逆向工程技术为基础的思考方式，换句话说是从逆向工程的角度来思考问题的一种思维方式。这是一种与传统的正向设计思路完全相反的方式。其是以设计目标作为思考的出发点，一步步拆分和还原设计目标，将目标的优先级与层次理清，将我们的设计目标分解还原为最初始的单个要素，而后再以单个要素的分级层次为基础去修改与再设计的一种创新倒装思维。为了让学生适应开发产品和思维创新的方式，以培养具有先进知识、优良技能和高素质的创新型人才为基本目标，将实践能力和创新能力互相结合这一理念贯穿于整个培养过程当中，在整个教学体系上进行改革，以提高学生工程创新能力和实践能力为目的，形成教学运行新模式。
二、教学创新与学生能力的培养措施
目前我国的高等教育强调以“传道、授业、解惑”为理念。“传道”是第一位的，就材料类专业课程，如模具设计与制造、材料加工原料等课程来说，就是教师教授给学生一个模具的具体制作流程，然后学生按照教师教授的次序流程去把它还原出来。这个过程看似是很简单且流畅，没有任何疑问，但是经过细心考究，会发现学生在这个过程中就像是一台只会被动接受的机器，没有思维，也缺少去发现与解决问题的动力，这违背了高等教育的宗旨。所以在这些概念性较强的专业课程中，应该强调“解惑”的重要性而非一味的“传道”，让学生发现问题并解决问题。而教师只是學生在这个过程中的一个指南针，在他迷失方向时为他指明前行的道路。目前，国外许多名校的工科专业针对 RE 开展了适应教学模式，这些学校在本科教育培养目标上明确学生要掌握逆向制造模型和快速制造能力，只要可以实现实物模型的再现即可，对学生在综合各方面知识的基础上进行产品创新的能力培养反而要求不高。而以原产品为基础进行再一次设计、分析、提高从而实现产品创新设计，才是逆向工程的真正意义所在。在实践课程完成后，教师要求每个学生掌握产品数据收集、逆向造型和快速制造能力，且实现实物模型的再现。在此基础上，对于综合能力强的学生，要鼓励他们发散思维，进行创新设计。
三、改革与创新
逆向工程思维对于材料类专业学生培养，特别是成型专业学生的培养来说非常重要，其培养模式具有很强的实践性、应用性、综合性。传统的培养模式是首先要求学生在大脑中构思好设计目标的形貌、性能和大概的生产参数等要素，然后通过细致的设计与分析以完成各类数据的模型，例如动态三维立体模型等，最终将这个模型投入到接下来的生产活动中，并完成项目的整个设计与研发周期。我们将这样的设计过程称之为正向设计过程。而逆向工程课程学习和设计恰恰相反，它是一个从产品到设计的过程。换而言之，逆向工程思维就是根据现在已有的现象，反向来推出需要完成的项目数据的过程。特别是在科技日新月异的今天，它对于学生后续课程的学习和将来的工作都有巨大的现实意义。作者结合长安大学交通行业特色，针对材料及近材料类专业，采用逆向工程思维模式，构建以实用性内容为主的、培养学生工程应用能力的培养方案，将能力要素与知识点结合每个教学环节中，培养学生科学的思维方式，建立理论联系实际工程理论的理念，培养较强的探索、发现、反思的能力。该方案体现在课程的创新性设计和实验课程安排等多方面（如图1所示）。
（一）培养方案的构思
培养方案的设定和实施是保障学生学习效果的重要步骤。长安材料科学与工程学院是近年来发展起来的，材料学院以突出实践创新能力为培养目标。逆向工程思维首先构架适合本学院特点的课程体系。学院教学以理论够用为度，强调的是逆向思维模式下学生的实践工作及由此形成的创新能力。这种状况下实践课程和理论课程的比例和开设时间对教学效果影响极大。为了实现以培养工程技术人员为目的、以创新能力为本的应用型人才的培养目标，学院在专业基础课及专业课程中设置了10%～20%的实践环节，并在5至6学期进行综合实验，通过项目制度，来评估学生的实践创新能力。
（二）课程大纲设计、教材的选取及创新设计
开设逆向工程思维课程，一体化的课程内容体系包含主团队设计项目和子团队设计项目。主项目主要是课程教学和整体演示性教学，贯穿于课程的整个教学阶段，通常为一个完整的项目或者产品，其中包含了课程的核心知识点和能力要求。针对每个项目或产品，每个组件分解为多个子项目。子项目以单项操作为基础，该项目的目的是加深和加强学生对课程内容的理解和应用，是基于单一操作和课程教学过程的需要。在此基础上，学院制定了材料成型与材料科学上特色的教学大纲，这有力体现了我院对培养创新型实际人才的目标和因材施教的原则。
在教材的选择和应用方面，教师在授课时会设定主教材一部，参考教材多部，实验指导教材一部。经过4年的努力，目前实验指导教材已经实现全面覆盖，学校自编著教材已经覆盖课程的30%。
（三）教学模式与方法
课堂教学以理论教学和实践操作教学相结合，是项目和案例相辅相成的综合教学方法，本文着重强调学生的自主探索和参与。教学应以实例教学为主，在每章的开头给出一个具有代表性的例子，使学生在刚开始就对学习目标有一个比较全面的了解。在知道和了解所学习知识的用途之后再以实例为主介绍相关的知识。构建以项目设计为目标的教育方式，培养学生实践创新能力，引导学生去主动学习独立思考。使得学生在项目设计过程中发挥出足够的学习能力、综合应用能力，还要提高学生团队合作精神和基础项目管理能力。创建出可以一边跟着教师的思路学习一边可以自我实践、满足每个学生不同个性需求的因材施教的培养方法。在运用计算机网络的前提下，要以学生本人需求为中心，向学生提供独立自主使用逆向思维建模的学习环境，以此来提高学生在工程技术上的实践创新能力。
此外，由于专业课程研究的对象主要是针对材料、机械以及力学等，特别是复杂几何产品的测量和建模，使用多媒体和上机联合教学，这种教学内容需要生动直观的教学方法，否则，学生很难建立逆向工程理论与体系的基础知识。许多复杂模型是无法在课堂上画出的，所以使用多媒体课件在一定程度上能让学生有一些基本的视觉感知理论。课程教学应当尽可能地采用小班化教学，只有这样才能满足学生动手实验的需要，并且需要确保学生每人有一台电脑在独立的教学机房中进行授课，这使学生在教师介绍完基础理论课程之后，可以自己独立地逐步完成某些相关软件功能的操作，理论结合实践，这样可以使学生尽快建立对相关内容的直观理解，加强对内容的理解。
（四）实践教学设计
以往材料学方面上的实验中只是简单地运用课程知识，以验证为目的，缺乏自主创新。为了提高学生在新產品开发上的创新能力，构建新型的实践创新教育培养体系，以及该体系下的实验项目成果的评价要素、评价方式和运作机制等，突显出与设计项目密切相关的交叉学科的跨领域交流合作。实践教学环节除了在课程中体现以外，还特别设置了综合性试验。在注重基础的同时，强调创新能力，讨论启发式教学，引导学生从选料、设计到制备一体化进行操作，这是实践教学的主体。鼓励学生对一个实际应用案例进行分析，大量搜集各种相关资料，将其消化并理解，提出多种成熟的方案，进行创新设计，在实验中提出自己的观点，一起讨论、相互启发。教师点评其优劣，并将学生在实验中处理的问题及表现作为评定其成果的重要依据。理论与实际相结合是创新的根本，是当代大学生需要具备的重要素质。以逆向工程思维为基础的实践创新能力培养，应该多以生产生活为起点，像是我国的一些主要产品如汽车、电脑等，目的是通过生活中随处可见的产品帮助学生加深对教学内容中理论的理解；以此为基础，使学生能够独立地进行实验测量仪器的独立操作，并且熟知实验数据的基本处理分析方式。整个过程都是以培养学生的实践动手能力、创新思维能力和团队协作能力为主要目的的。
（五）课程总结
在课程结束后，在课下让学生运用所学的逆向工程思维方式，以设计项目的形式完成综合实验来对学生进行考核，不同的组完成不同的项目。以模具设计类课程为例，可采用分配任务制度，让学生分组完成产品数据测量、 CAD 制图设计及快速形成模型等工作。在这种综合实验过程中提高他们分工互相帮助的意识，体现了对逆向工程思维方式运用的效果。
四、结语
我院以逆向工程教育为目的，对教育体系进行了改革，构建了学生为中心，以提高实践创新能力培养为目的，以高等教育教学方法为基础，以课堂教学与网络教学相结合为方式的学习环境。通过逆向工程思维的培养模式，侧面提高了学生动手操作能力和创新实践能力。在经过这个新的教育体系培养后，学生在学习过程中，主动去探索、发现、反思的能力大大提高，而且也对于相关理论知识烂熟于心，达到一箭双雕的目的，这必将对学生以后的成长起到不可忽视的积极作用。
1.教学模式方面：构建了一体化教学模式。由于传统教育手段过于单一且缺乏互动性，本课程基于局域网，以现有机房为基础，运用软件技术组建网络教室，大大改善了当前教育培养模式，实现了实践与理论相结合且通过网络表现的一体化教学。同时形成了以学生为中心的实践创新能力培养的教学模式，突出提高了学生的创新实践能力以及提高学生的学习兴趣。
2.教学内容方面：注重系统性与实践性。以当前国际间的前沿科技为出发点，确保教学的系统性、实践性、创新性，以逆向工程思维为着眼点，注重学习新式测量设备的操作方法、数据处理软件的操作方法、逆向建模软件的操作方法和快速成型设备的操作方法。让学生全面掌握逆向工程思维的思考方式，以及整个流程所需知识，充分利用实验测量设备与相关条件，着重于对学生工程实践创新能力的培养。
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[责任编辑：刘凤华]
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