科教融合学部制背景下工科教学创新研究

2024-06-25姜少宁林江海许崇海刘文俊王朝峰曹芳胡心平

高教学刊 2024年19期

姜少宁林江海许崇海刘文俊王朝峰曹芳胡心平

基金项目：山东省本科教学改革研究重点项目“科教融合、产教融合与工程教育专业认证多元驱动‘三链衔接的机械类专业人才培养体系构建与实践”（Z2021142）；山东省工程机械智能装备创新创业共同体项目“高精密履带式传动部件驱动轮齿及链轨节的研究及应用示范”（GTT20220209）；齐鲁工业大学（山东省科学院）-枣庄市产学研协同创新基金项目“高性能球墨铸铁基复合材料在薄壁铸件中的研究及应用”（2021CXY-10）

第一作者简介：姜少宁（1982-），女，汉族，山东烟台人，博士，副教授。研究方向为高端装备零部件的失效分析研究和教学等。

*通信作者：林江海（1963-），男，汉族，山东烟台人，工程技术应用研究员，山东省机械设计研究院工程总工程师。研究方向为机电产品及制造技术研发设计及人才培养等。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.016

摘要：新一轮科技革命与产业变革的到来，需要大批应用型创新人才，要求新时代的工科学生不仅要具备扎实的专业知识，同时要注重工程实践创新能力的培养，具备多维度的能力素质。以失效分析课程为例，通过分析目前教学中存在的问题，分别从课程设计、教学内容以及教学方法三个方面，提出相应的课程教学改革路径。在课程设计上，基于科教融合学部制优势条件，优化专业理论与实践教学的合理设置，做到专业理论教学与实践教学并重；在教学内容上，将新技术、新方法、新案例等融入教学，推动高水平教材的编写使用，充分发挥教材的育人功能；在教学方法上，推行LBL（授课导向）-CBL（案例导向）-PBL（项目导向）-TBL（团队导向）四轨教学模式，提升理论与实践教学的科学性、层次性和系统性。通过以上研究，从根本上提高学生解决复杂工程问题的能力，促进教学质量的全面提升。

关键词：教学创新；科教融合；工程实践；创新人才；方法改革

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）19-0062-04

Abstract： With a new round of scientific， industrial revolution and industrial transformation， applied talents with innovation is needed. Then the engineering students in the new era should have not only solid professional knowledge， but also multi-dimensional ability such as knowledge ability， academic ability， technical ability and social ability， and pay attention to the cultivation of innovation ability. Therefore， there are higher requirements for teaching methods. Taking the course Failure Analysis as an example， this paper analyzes the outstanding problems existing in the curriculum teaching methods. The study puts forward the corresponding curriculum teaching reform paths from three aspects： designing the course system， optimizing the teaching content and reforming the teaching methods. In terms of course system design， it points out that the reasonable design of professional theory and practice teaching should be paid attention based on the integration of the faculty system and the integration of science and education. And the innovative and application-oriented students are cultivated. In terms of teaching content， new technologies， new methods， new cases and so on should be integrated into teaching to promote the writing and use of high-level teaching materials and give full play to the educational function of teaching materials. In terms of teaching methods， the four-track teaching model of LBL （Lecture-Based Learning） - CBL （Case-Based Learning） - PBL （Project-Based Learning） - TBL （Team-Based Learning） is implemented to improve the scientific， hierarchical and systematic nature of theoretical and practical teaching. Through the above research， students' ability is hoped to be improved to solve complex engineering problems， to promote the overall improvement of teaching quality.

Keywords： teaching innovation; integration of science and education; engineering practice; innovative talents; teaching method reform

党的二十大报告明确提出“实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑”，将教育、科技、人才进行一体化战略布局，为强化现代化建设人才支撑提供实现路径。高质量教育体系是人才和科技力量可持续发展和创新要素可持续供给的基础保障，提升人才培养能力、培养符合我国需要的高素质人才是教育的重中之重。

高校是人才培养的重要平台，对于新时代的工科学生来说，不仅要具备扎实的专业知识，同时要注重工匠精神、实践能力和创新能力的培养，具备多维度的能力素质[1]，才能更好地适应时代的发展、推动我国制造业高质量发展。当前，我国人才培养正在努力与社会需求相契合，但总体水平仍有较大的提升空间。对于工科来说，亟需培养能够解决复杂工程问题的毕业生，然而相关体制机制的支撑作用不够，对工程创新思维能力培养不足。学生的实践经验不足，无法将多种知识在实际工程应用中有机结合起来，进而有效地去应对复杂工程问题，导致培养的人才与社会实际需求脱节[2]。

近年来，高等院校和科研院所实行科教融合协同育人等高等工程教育改革，在培养学生的创新意识、提高创新人才的培养质量[3]等方面取得了显著的成效。为了更好地实现科教融合发展，优化高等教育布局结构，山东省探索出了一条有效的地方院校科教融合之路，将原齐鲁工业大学与山东省科学院整合成为新的齐鲁工业大学（山东省科学院），按照“科教融合、双轮驱动、优化布局、改革创新”的基本思路，围绕立德树人根本任务，创新体制机制、优化整合资源，建设应用研究型大学。基于科教融合资源条件优势，提出学院和对应的科研院所一体化的创新教育模式培养高素质应用研究型创新人才。随着科教融合深入推进，实施了学部制，其中，将具有教学科研优势的机械工程学院和具有科研及社会服务优势的山东省机械设计研究院合并组建机械工程学部。学部制架构的运行，为工科人才培养提供了良好的机制支撑条件。

一课程教学分析

学部制一体化运行后，如何发挥现有体制机制对教学的支撑作用，进行科学合理的教学改革以达到科教深度融合、协同培养创新人才是需要解决的重要问题。以工科类重要的专业方向课失效分析为例，这门课主要讲授机电产品及工程基础装备的金属构件及其系统在服役过程中出现失效的分析思路和方法，判断失效模式，分析失效原因，提出预防措施[4-5]。该课程涵盖了多学科门类知识，包括机械设计、材料科学、材料加工以及物理化学等，综合性强、应用性强。通过对本课程的学习，使学生掌握工程应用中失效分析的理论知识，提高解决机电产品及工程基础装备中的失效问题的能力，为机械、材料等行业培养高水平专业人才[6]。尽管高校教学一直在不断探索改革新路径，但该课程对学生能力的提升支撑不够。具体体现在以下方面。

一是学生对多学科知识点的掌握与应用不够。失效分析涉及多学科交叉知识点的运用，而学生缺乏对知识的系统性理解和掌握，无法有效应用知识。例如，易混淆马氏体、奥氏体、铁素体和珠光体等钢的组织概念，在失效分析中可能造成误判；有些知识甚至在其他课程中没有涉及，比如，腐蚀与磨损，这是两个独立的学科方向，短时间内学生接受腐蚀与磨损方面的知识比较吃力，导致失效分析没有理论高度，无法客观认识该类问题导致的失效。另外，大量工科教师从学校毕业到学校工作，缺乏工程实践经验，因此从课程设置到讲授无法真正与工程实践相联系。

二是在教学中缺乏生动的、与时俱进的教学内容。技术快速更新的现代，行业发展的新技术、新工艺、新方法等不断出现，标准规范不断修订，这些在教学内容上应该得到及时体现。对失效分析课程教材来讲，案例分析是非常重要的教学支撑，而教材中工程案例相对老旧，传统典型案例较多，没有将科研新进展以及由此带来的新应用、新案例及时纳入教学内容，也未能与行业需求有效对接。

三是教学实践部分没有很好地与实际需求相结合。企业需要应用型创新人才作为支撑，而现有的课程在培养人才、提高学生解决复杂工程问题的能力等方面，其教学方法缺乏科学性、层次性和系统性的结合。受限于高校的条件，失效分析课程的实践部分以查阅案例、分组讨论为主，方法单一，与生产实践脱节，存在“工科理科化”的现象，影响了实践教学的创新性。

二课程教学改革实践探索

针对失效分析课程教学中存在的问题，发挥机械工程学院和山东省机械设计研究院的一体化优势，在科教融合、实践教学等方面创新设计课程体系、优化教学内容、改革教学方法，积极倡导OBE（基于成果导向的教学）理念[7-8]，从“专业理论＋专业实验+工程实践”方面，深入推进失效分析课程教学改革实践。失效分析课程有三个特点：一是综合性强，需要扎实的多学科基础理论知识；二是应用性强，需要将基础理论知识与工程实践很好地结合，需要掌握重点工程应用问题和典型工程案例，且工程案例需要体现代表性、先进性和时效性；三是失效分析过程多涉及开放的多场景因素，需要全面分析，综合论证，通过建立系统的逻辑关系，引导学生开放思维。面对教学中的问题，失效分析课程从以下方面进行教学改革探索。

（一）优化课程设计，基于科教融合学部制优势条件，优化专业理论与实践教学的合理设置，做到专业理论教学与实践教学并重

推进教学创新团队建设，优化结构，选聘教学经验丰富的教学人员和具有工程技术背景的院所科研人员组成授课团队，明确团队成员在理论教学、实验教学和实践教学等方面的职责支撑，同时，鼓励团队的高校教师增加企业实践经历，参与产业化项目，提升实践教学能力。课程设计优化示意图如图1所示，调整后的课程体系，特别增加典型工程实践案例的实验分析，以便于做好理论教学与实践教学的有效衔接。安排工程应用场景实践，促进学生对工程实践知识的掌握，提高学生解决复杂工程问题的能力。

图1 课程设计优化示意图

（二）更新教学内容，将新技术、新方法、新案例和新进展等融入教学，推动高水平教材的编写使用，充分发挥教材的育人功能

失效分析是一个从结果到原因的逆向分析过程[9]，可能涉及结构设计、材料选择、加工制造和装配使用等全周期，因此，教学内容要贴近实际，紧跟形势。聚焦机电产品的质量分析、使用寿命、可靠性等方面，收集来源于工程实践的具有代表性、先进性和时效性的案例，融入新理论、新方法等，编写失效分析案例集。在案例集中，根据常见的失效分类（变形、断裂、磨损和腐蚀）划分失效类型，在失效类型中涵盖基础理论知识、分析测试方法、典型先进案例以及预防/改进措施，做到系统、全面，反映学科前沿与技术进步，体现行业标准与企业需求，解决案例教学支撑不足的问题。

（三）改进教学方法，推行LBL（授课导向）-CBL（案例导向）-PBL（项目导向）-TBL（团队导向）四轨教学模式，提升理论与实践教学的科学性、层次性和系统性

第一，在理论教学中，以LBL结合CBL的教学模式进行[10]。课前阶段，制定失效问题任务单，学生利用网络平台资源开展自主学习，既回顾与以往所学知识点的相关性，也了解授课内容；课中阶段，首先采用提问等方式检验课前效果，巩固基础知识理论，随后以案例为导向引入学习内容，进行案例教学。讨论分析失效案例，充分互动，促使学生高度投入。通过两种教学模式的结合，解决学生基础知识不牢固，以及多学科知识能力应用不足的问题，并在案例分析中激发学生的社会责任感和可持续发展理念。以磨损失效为例，课前要求学生查阅磨损和磨损失效的资料，对磨损的概念、分类进行了解，课中讲授磨损的基础知识，随后以工程机械耐磨件的磨损失效为例抛出案例，引导学生思考以下问题：如何确定磨损失效类型？如何查找失效原因？结合所学知识是否能提出提高耐磨性的措施？在充分的课题互动气氛中，加深学生对磨损失效的理解和掌握。

第二，在实验教学中，以PBL教学模式为主，鼓励学生参与具有一定前沿性的产学研合作项目，承担项目中的部分研究内容，根据研究内容自主设计实验性教学方案，以此推动科研反哺教学。在实验教学中，重点突出学生分析能力的提高，解决教学与实践衔接不够的问题。具体实施执行中，通过产学研项目中失效常用的断口分析、力学性能分析、裂纹分析、结构分析和缺陷分析等手段，进行形貌观察、性能测试、结构分析和成分分析等，使学生熟练掌握失效分析的基本方法，加深对失效分析的认识，激发学生专业学习兴趣，提高分析问题的逻辑思维能力。

第三，在实践教学中，以TBL教学模式为主，从企业的实际需求出发，选取生产中的变形、断裂、磨损、腐蚀和加工缺陷等失效案例，由学生分组协同合作设计并完成实践内容，形成完整的失效分析报告，分组进行答辩。以热作模具断裂失效为例，某批次模具在热模锻使用过程中断裂率高达15%，严重影响了热锻产品的生产率。该模具的制造要经历设计、选材、锻造、退火、机加工和热处理等一系列工艺环节，每一环节的设计不当或操作不当都会造成模具过早失效，降低模具的使用寿命。针对模具断裂，由学生查阅相关资料制定分析方案，分组进行结构分析（由DEFORM软件模拟计算模具的流变应力）、理化分析（分析模具断口的显微组织、冶金质量、力学性能是否符合要求），结果发现，在力学性能测试中，模具的冲击韧性存在各向异性。由此，回到模具生产全过程环节，进行工艺复核（查阅该批次模具的生产全过程工艺资料，核对工艺技术参数），分析导致韧性各向异性的失效类型，有针对性地提出改进措施。通过实践阶段的学习，提高学生的团队协作能力、沟通交流能力，以及复杂工程问题的分析能力和复杂工程系统的设计能力。

总之，通过以上教学方法改革，使学生获得工程教育中解决复杂工程问题所具备的能力和素质，教学设计、教学磨损与对应的能力/素质见表1。

在考核过程中，加大以实验、工程实践等为基础的考核比例，构建学生学习成果多样性和创造性的教学考评体系，并鼓励、引导学生将实验、实践中获得的经验/成果用于参加中国大学生机械工程创新创意大赛，如材料热处理创新创业赛、全国大学生金相大赛、全国失效分析大奖赛等具有重要影响力的大学生创新竞赛活动，达到以赛促教、以赛促学的效果。由此，分层次进行理论、实验和实践教学，从围绕教材的课堂教学延伸到课外的开放教学，解决课程的理论性与实践性结合不紧密的问题。

通过以上教学改革探索，学生课堂表现更加活跃，学习兴趣更高，积极踊跃参加各类竞赛（图2）。从图3可以看出，课程目标达成度均超过了目标值。后续会持续跟踪毕业生在研发、质检、失效和理化等相关岗位的就业情况，检验学生在逻辑思维能力、实践能力和创新能力等方面的提高。

三结束语

以失效分析课程教学改革为例，发挥科教融合学部制优势，以学生为中心，注重专业理论+专业实验+工程实践的结合，从课程设计、教学内容以及教学方法三个方面探索提高学生多维度能力的措施，提高学生解决复杂工程问题的能力，促进教学质量的全面提升。改革措施可为学部制一体化背景下的工科课程教学改革探索提供借鉴。

参考文献：

[1] 马成龙，武美萍，王全龙.“卡脖子”困境下新工科教育中的原创思维培养与教学模式探索[J].教育教学论坛，2023（29）：153-156.

[2] 郑琼，杨晓丽，王世进，等.我国高等教育实践教学研究热点与进展分析[J].高教学刊，2024，10（5）：12-16.

[3] 王战军，于妍，张微.高等工程教育与高技术产业的耦合协调度研究[J].高等工程教育研究，2021（5）：57-63.

[4] 何坛.《材料失效分析与防止》课程改革与创新创业型人才培养初探[J].高校教育，2023（5）：52-53.

[5] 杨振国，毕彤彤.《材料失效分析》课程互动式教学的实践与拓展[J].教育教学论坛，2017（45）：142-145.

[6] 何秦川，贾若男.新工科建设背景下“材料失效分析”的教学思考[J].科技与创新，2022（17）：93-95.

[7] 闫茂德，朱礼亚，许唐雯.OBE理念下自动化一流本科专业课程教学改革与实践[J].高教学刊，2024，10（5）：7-11.

[8] 李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（3）：32-39.