“新工科”背景下高等教育机械类专业课程教学方法探讨
汪振华 袁军堂 乔莉
摘? 要：随着科技的进步和经济的发展，社会对新型工程技术人才的需求日益加大，这就需要我国高等学校改变传统的工科培养目标和方式，以适应社会对新型工科人才的需求。文章以机械类专业课程教学过程为出发点，从教学目标、课程内容、教学模式、课堂教学规模、课堂教学方式、教学互动、课程项目教学和考核方式等方面对高等教育机械类课程教学进行了分析，以期对我国的高等教育发展与改革提供借鉴。
关键词：新工科;机械类专业;课程教学
中图分类号：G642? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）14-0100-04
Abstract： Due to the development of technology and economy， society needs more new engineering and technical personnel. In order to meet the social demand for new engineering and technical personnel， the colleges and universities must be required to change the traditional training objectives and manner. Based on the teaching process of mechanical courses， this paper analyzes the teaching of mechanical courses in higher education from the aspects of teaching objectives， course content， teaching mode， classroom teaching scale， classroom teaching mode， teaching interaction， course project teaching and assessment mode， so as to provide reference for the development and reform of higher education in China.
Keywords： new engineering and technical disciplines; mechanical major; course teaching
目前，我國正经历从制造大国到制造强国的跨越式发展过程，其中加快工程教育改革从而培养面向产业界、面向世界、面向未来并能够主动承担起应对挑战、造福人类、塑造未来的新型德才兼备创新工程人才是使我国能够成为制造强国的关键和基础[1]。为了培养创新型工程技术人才，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，探索形成工程教育的中国模式、中国经验[2]。针对新工科建设提出了“三个阶段、三个任务、三个突破”的行动方案，其中“教与学”是三个关键任务之一，要求重塑培养质量观、重构知识体系以及创新教学方法[1]。在新工科人才培养体系中课程教学是落实培养目标的重要手段之一，因此本文以机械工程专业为例，探讨新工科背景下高等教育机械类专业课程教学方法对提高人才培养质量具有十分重要的意义。
工科作为高等教育的一个重要分支，以为社会培养高级工程技术人才为教育目标，在推动国民经济的发展及社会的进步方面起着至关重要的作用。目前，随着科技的进步和经济的发展，社会对新型工程技术人才的需求日益加大，这就需求我国高校改变传统的工科培养目标和方式，以适应社会对新型工科人才的需求[3]。我国现代高等教育事业起步晚，发展相对落后，教育资源相对缺乏。但是随着经济的发展和生活水平的提高，人们对高等教育的需求日益增大。因此，如何进行有效的课程教学，特别是针对具有实践性强的工科课程教学是摆在高校教师面前的一个重要课题。
课程教学是教师教学而学生学习、消化吸收及应用的过程，具体包括教学目标、课程内容、教学方式、考核方式以及教学反馈与提高等内容。本文以机械类专业课程教学为例，从以上各方面分析现存的问题并探讨其改进方案，以期为我国培养能实现“两个一百年”奋斗目标的德学兼修、德才兼备的高素质工程人才。
一、机械类专业课程教学目标与课程内容
（一）教学目标
“新工科”的目的是为了培养能够适应、甚至引领未来工程需求的创新型卓越工程技术人才[4]，学生除了达到工程教育规定的12条毕业要求，还必须具有时代使命感和价值感、大工程观的空间感、创新性思维、知识体系的关联运用与再创造等能力。课程教学作为实现人才培养目标的重要抓手和着力点，要紧紧围绕人才培养目标设置课程的教学目标。以机械工程专业基础课程《机械制造技术基础》为例，融入了新工科人才培养目标后对课程教学目标修订如下：（1）培养学生时代使命感和
价值感：使学生充分了解为了实现“两个一百年”奋斗目标、从制造大国到制造强国转变及“中国制造2025”目标，机械制造业的重要作用，培养学生投身机械制造业的热情和使命感;（2）培养学生机械制造基本技术素养：通过切削加工的基本理论、金属切削机床和加工方法、机械加工工艺规程制定和典型零件加工的学习，在理论教学的基础上，配合实验和后续生产实习、课程设计等相关实践性环节的综合训练，使学生掌握切削加工的基本概念、基本知识，具备加工方法和切削要素的选择、典型零件工艺规程制订的初步能力;（3）培养学生综合运
用知识与创新能力：通过设置工程案例教学及课程综合实践作业，培养学生能够全面系统地解决制造过程中的问题并提出创新性解决方案的能力。
（二）课程内容
课程内容是实现课程教学目标的基本媒介，也是课程教学的基础。为了培养新工科背景下卓越机械工程技术人才，课程内容要包括课程思政、基础理论和知识体系及创新性思维培养等内容。以《机械制造技术基础》为例，浅析围绕课程目标的课程内容设置：
1. 将课程思政内容融入到教学内容中，通过讲授中国机械制造业艰苦奋斗的发展历程和目前面临的困难、机遇及成就，并通过观看《大国工匠》《辉煌中国》《大国重器》等记录片，并把“中国制造2025”及智能制造的理念融入到课程内容中，从而培养学生的家国情怀和使命感，使学生成为实现“两个一百年”奋斗目标的人才基石及合格的社会主义接班人。
2. 机械制造技术基础理论和知识包括金属切削原理、切削刀具、加工机床及加工方法、机械加工工艺规程、机床夹具设计、机械加工表面质量及机器装配工艺等方面，涵盖了一个产品机械加工所涉及的全过程主要知识点。在很长一段时间我国工科类课程教学培养体系沿袭苏联专业培养模式，力求培养某一学科和领域的专业技术人才，设置了大量专业课程，造成了学生课后或自主创造性学习时间大大减小。近年来，我国高校也在专业建设方面进行了大量改革，将原来的小学科、小专业整合成大学科、大专业进行培养，以期将学生培养成大学科广泛了解而小专业精专的新型复合型工程技术人才。机械工程专业对专业课进行了梳理，将金属切削原理和刀具、金属切削机床、机械制造工艺及机床夹具设计等原专业课程合并成机械制造技术基础课程，大大缩短了课堂教学环节，增加学生自主学习能力。
3. 《机械制造技术基础》是一门基础理论与实践相结合的课程，在课程教学中要融入实践教学案例，如轴类零件和箱体类零件加工，将刀具、机床和夹具等选择与设计结合起来，选择合理的加工工艺过程与具体的各类型参数。在先进制造技术方面融入智能制造、绿色制造和增材制造等基本原理和理念，在教学方式上融入有限元分析、虚拟制造仿真等技术分析切削加工过程及虚拟化设计夹具，培养学生运用知识及创新性思维。
二、机械类专业课程教学组织形式
（一）教学模式
传统的以课堂教学为主的教学模式已经无法满足新工科创新人才培养的要求，主要体现在新知识点增加及课堂教学学时有限。因此，要进行教学模式的改革。目前，最适合的方式是充分利用互联网的优势做到线上教学和课堂教学的深度融合。教师将学习的相关课程资料和录制的课程讲授视频上传到在线教育平台，如学习通。学生通过教学平台先行预习或学习。教师也可以通过在线教学平台发布作业和进行随机考试，以了解学生掌握知识的情况。同时，在课堂教学上主要讲授难点、重点和新知识，并且使得课堂教学以学生讨论为主，引导学生进行独立思考，重点培养学生解决问题的创新性思维。
（二）课堂教学规模
课堂教学规模的大小直接影响教师的课堂教学方法、教学效果。我国由于教育资源的缺乏，再加上适应社会发展对高素质技术人才的需求而进行的高校扩招，根据教育部公布的数据显示2019年全国各类高等教育在学总规模达到4002萬人。学生人数的增加使课程班级容量不断扩大，由90年代的30～40人发展到现在的50～200人，特别是一些全校或全院的基础课程，班级人数基本上在100人以上，在课堂上学生很难与教师进行互动，课程结束后教师也记不清谁是自己班的学生，教学质量不能保证。笔者2019年9月到新西兰奥克兰大学访学期间多次参加相关本科课堂学习，所有的课程均实现小班教学，学生规模基本控制在30～40人，这给教师与学生的大量互动提供了可能。以笔者随堂听课的机械设计课程为例，在南京理工大学每个班级的学生基本上都在120人左右，由于人数太多课堂上基本上没有学生提问和互动环节，有的教师会在课堂中设计一些提问环节以确定学生是否掌握了知识，至于分小组的课程项目设计更是没有办法开展。因此，为了适应新工科人才培养要求，建议在课堂教学上实行小班化，课堂学生规模控制在40人左右，使学生能够充分地和老师进行交流，对于课程项目学生能够充分进行阐述说明。另外，对于教室及其布置上也要适应小班化需求，教室不用太大，使教师很容易就走到学生中间与学生进行互动交流，在空间上就和学生产生了一种亲近感，能显著提高学生学习注意力，提高学习效率。
（三）课堂教学方式
教师的课堂讲解对于工科类课程来说是课堂教学的主体部分。在中国大学传统课堂教学中特别强调其中的基本概念，教师希望通过系统的讲解使学生能够清晰完整地接受知识，教师需要根据教学大纲所规定的教材中每一个章节、每一个概念及每一个知识点进行讲授。另外，传统的课堂教学必须严格按照教学规范来执行，包括讲什么、怎么讲、多媒体的使用、板书的规定等。这种严格的教学规范虽然在一定程度上能保证教学质量，但同时扼杀了创造性教学方法的开展，阻碍了教师根据教学反映和效果适时地调整课堂教学过程，也影响了课堂上积极的教学互动。同时，严格的教学规范必然导致课堂只有教师是主体而缺乏师生共融的学习现象，最终结果就是在课堂上只有教师在讲台讲，而下面坐着一群昏昏欲睡的学生。
因此，为了提高学生的创新性，教学方式也要改变。首先，采用翻转课堂模式，充分利用现在互联网的优势，将一些基本知识、概念及一般性的问题录制成视频教学通过学习通在线教育系统让学生学习。这样在课堂讲解时，一般性的内容就可以做到少讲或不讲，重点讲授那些学生疑惑的部分，而把更多的内容留给学生自学。在教学过程中使学生成为主角，课堂提供学生仅仅需要帮助的那部分。学生通过线上教学视频和参考资料的自主学习来掌握基础的系统知识，课堂教学主要用讨论和创新思维教学，可以说整个学习过程强调学生的主动性，教师在这个过程中只是起到引导的辅助作用。前面翻转课堂的教学模式是认为学生具有相当的自学能力，并且对需要掌握的知识进行了自学。因此，课堂上所要做的是深化课程知识，帮助学生解决疑惑。
（四）教学互动
有人说教师和学生之间的互动是整个教学的灵魂，直接反映学生的学习状态，促进学生的主动学习，同时也能够使教师更好地了解学生的学习程度。教学互动通常包括学生提问教师回答、教师提问学生回答及课堂讨论等。在当前的理工科类课程课堂教学上由于学生较多，基本上只剩下教师提问学生回答这一项互动了，教学模式是老师讲学生听。因此，急需加强教学互动，实行小班化教学，在课堂教学过程中学生只要有疑问随时举手打断老师的讲解而进行提问。除了提问和回答问题外，教室里听课学生应保持安静，保证了老师可以及时听到学生的问题。在课堂教学过程中教师要始终注意学生的反应，讲解时也要向学生提出问题，以判断学生对讲解的理解程度，便于老师及时调整讲授方式。另外，教学互动除了课堂教学互动还可以利用互联网增加线上互动。
（五）课程项目教学
在创新性工程教育过程中，通过课程项目教学环节的设置可以很有效地引导学生进行创新性思维及综合运用知识的能力，因此在机械类专业课程教学过程中要引入并加强课程项目教学，并且将项目完成情况作为课程考核成绩的一部分（约占20%～30%）。当前，以南京理工大学机械工程专业课程为例，进行课程项目教学的还较少，笔者曾在小班教学的时候进行了一定的尝试，效果较好，但对于大班教学时就存在困难。课程项目组织过程可以由教师在课程学习开始时给出一个总的框架和基本要求，要求学生综合运用该门课程所学的知识来解决问题，学生在基本要求下可以自由发挥，到课程结束时组织课堂答辩考核，考核成绩由教师和其他学生共同给出。以笔者讲授的《机械制造技术基础》课程项目为例，在课程前半程教师将课程项目要求发给学生，以便保证学生有充分的时间，学生可以自由组成小组，每个小组3人。具体的项目设置可以要求学生设计一个阶梯轴并对其进行加工工艺规程的制定，具体要求可以设置如下：1. 需要提供阶梯轴的设计图纸，包括加工精度、加工表面质量及材料选择等;2. 用本课程学习的知识对零件结构和加工要求进行分析，设计装夹方案;3. 采用有限元方法模拟切削过程，获得不同刀具结构和切削参数对切削力和切削温度的影响;4. 制定加工工艺规程;5. 提供所有小组成员项目进行过程中的活动、会议及讨论记录册;6. 进行项目汇报。在最终考核时，整个汇报过程中要求每个小组成员都参加其中，小组成员轮流讲解自己所做的工作，汇报结束后进行提问，所有在场的人都可以自由提问，这充分保证了学生有足够的时间对自己的工作进行阐述和说明。汇报和提问结束后，汇报小组人员回避，进行评分，评分分成两部分，一部分由教师进行，一部分由其他小组进行互评。
三、机械类专业课程考核方式
课程考核是课程教学的一个重要环节，它应该是教学目标、教学内容的集中反映。科学的课程考核方法对调动学生的学习积极性，提高学生的综合素质具有十分重要的作用。高等教育工科类课程考核不仅要重视基础知识要点的掌握，而且更要突出考核学生的自主学习、知识综合应用及创新性思维等能力的评价，要从单纯检验知识的掌握转向创新能力的关注。我国目前的考核方法比较单一，往往是一考（一张试卷）定成绩，忽视了对学生创新和实践能力的培养，导致了“教为考、学为考”的应试教育现象。随着教育的发展，人们已經充分认识到仅以考试作为评测学生课程学习情况的依据具有局限性。以南京理工大学《机械制造技术基础》课程考核为例，该课程考核主要由三部分组成：期末考试成绩（70%）、试验成绩（10%）和平时成绩（20%），期末考试由学校统一组织，老师集体阅卷，试验成绩由试验老师根据学生的试验报告给出，平时成绩给出较为机动，但通常包括到课率、课堂表现、课程作业等。实际情况表明该种考核方式不能充分地调动学生学习积极性，大部分学生平时不学习，等到考试前临时突击对老师讲的考试重点进行复习，学生只是为考试而学并没有充分地掌握知识，然后考完就忘，更谈不上对学生学以致用能力的培养。
因此，课程考核的形式和方法都需要进一步完善和改革，可以增加过程考核比重，将课程考核穿插于整个课程教学过程，更加注重过程考核和知识应用能力考核，即对学生在整个课程学习过程中的学习状态、知识应用能力的考核。如考核成绩可由以下部分构成：考试成绩60%（期中成绩20%、随堂考试10%和期末考试30%）、作业15%和课程项目25%。考试分三次进行，期中考试在上课时间进行，试卷和时间由老师决定，随堂考试在课堂期间进行，有时甚至只有1道题，让学生在课堂上花20分钟解答，期终考试统一进行。作业要求学生独立按时完成，作为课程考核的一个重要部分。课程项目考核是整个课程考核的一个突出点，学生一般分成小组，每个小组独立设计完成一个任务，成绩的评定根据设计任务报告和答辩情况由授课老师和其他小组成员集体给出。
四、结束语
本文以“新工科”背景下培养能够适应、甚至引领未来工程需求的创新型卓越工程技术人才为出发点，对机械类专业课程教学方法进行了探讨，重点分析了教学目标、课程内容、教学模式、课堂教学规模、课堂教学方式、教学互动、课程项目教学和考核方式。主要体现在教学目标和课程内容的设置上要加强课程思政的教学，教学模式上实行线上线下教育深度融合互有侧重点，课堂教学规模以小班化为主，在课堂教学方式上注重引导学生进行思考和创新，增加教学互动，通过设置较为复杂的课程项目引导学生综合运用知识解决问题，考核方式由结果考核向过程考核转变，改变目前一考定成绩的结果考核形式。
参考文献：
[1]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.
[2]新工科[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/新工科/20597803？fr=aladdin.
[3]周开发，曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索[J].重庆高教研究，2017，5（3）：22-35.
[4]李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究，2017（4）：1-5.
