一、引言
为主动应对新一轮产业变革和科技革命,支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”、“互联网+”等国家战略, 2017年2月以来,教育部相继发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,全力探索新形势下工程教育的中国模式和中国经验,先后形成“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。新工科的推动和实施,旨在适应以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济发展,对深化我国工程教育改革、建设工程教育强国、服务和支撑我国经济转型升级具有重大意义。
新工科的“新”,主要体现在工程教育的新理念、学科专业的新结构等。新工科的建设和发展,不仅需要树立创新性、综合化、全周期的工程教育“新理念”,而且需要构建新兴工科与传统工科相结合的学科专业“新结构”。工科的新结构不仅包括前沿和紧缺学科专业设置,还应加快对现有工科专业的改革和创新,使其体现工程教育的新要求。因此,推动现有工科交叉融合和跨界整合,使科学教育、人文教育、工程教育相互渗透,对培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程人才至关重要。工程教育中,实践环节是高等学校教学过程的重要组成部分,具有理论教学不可替代的作用,是培养学生实践能力和创新意识的主要途径之一,直接关系到能否实现高校人才培养目标。同时,对增强学生的创业就业能力,培养具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需求的应用型和技能型人才,具有重要意义。因此,以校企合作、协同育人为基础,构建各学科交叉融合的新工科实践教学体系显得尤为重要。目前,各高校纷纷响应新工科建设,开展了新工科背景下的实验与实践教学体系的研究。本文以中国矿业大学过程装备与控制工程专业为例,以培养应用型复合人才为目的,将工程教育与人文、科学教育相渗透,构建实验与实践教学体系。过程装备与控制工程专业是一个典型的多学科交叉工科专业,推进各学科交叉融合及跨界整合,也是本专业的培养目标。本文构建的实验与实践教学体系,力图为新工科的推动和实施提供借鉴。
二、实验与实践教学体系建设的依据
过控专业以过程工业为背景,融“机械”、“过程”、和“控制”为一体,将“机械”、“化工”、“材料”、“控制”等学科紧密结合而形成的“化、机、电”一体的多学科交叉专业。这种专业性质决定该专业实验与实践教学的复杂性、融合性及多样性。因此,本专业容易突破传统人才培养模式,适合建立多样化和个性化的工程教育新模式,整合升级,综合发展,推动“新工科”建设。
针对高等工程教育中实验与实践的教学,目前研究成果认为,实践教学应以增强学生社会适应性为目标,它与理论教学相对,又与理论教学紧密联系。从理论上讲,实验与实践教学中,学生应以某种直观物化操作方式为主要手段,完成某种任务,从而将知识内化为个体经验的学习活动,旨在培养学生的实践操作能力、组织管理能力和创新能力等。因此,本文以过控专业为对象,将科学、工程、人文教育相融合,力图将专业实验与实践教学体系从简单的复合推进到综合交叉发展,努力实现实验实践体系工程化、综合化和学生参与的自主化,培养符合社会发展需求的应用型复合人才。
三、实验与实践教学体系建设的内容
本文试图从“新工科”的视角,依据创新型、综合化、全周期的新工科教育理念,将实验与实践教学体系细化为三个阶段,即基础实践能力培养阶段、专业技能与工程实践能力培养阶段和创新能力培养与实践阶段。
图1 过程装备与控制工程专业基础实践能力培养方案
1.基础实践能力培养内容。过程装备与控制工程专业基础实践能力培养方案如图1所示,包括基本实验技能培养、基础设计能力培养、专业基础技能培养、初步设计能力培养、初步工程观念培养及社会实践能力培养等方面,着重培养学生的基本实验能力、基础设计能力及初步的专业技能和工程设计能力与观念,重视不同学科间的交叉与融合。基本实验是指针对专业基础课程设置的课程实验,它与专业基础课程的理论教学相统一,是对基础理论的验证和补充。根据过控专业的培养计划,三力一机(理论力学、材料力学、流体力学及机械原理)及电工电子技术、大学物理等专业基础课程的实验教学环节构成基本实验技能培养内容。这两方面实践能力的培养与科学教育相贯通,主要体现为对科学理论的验证与初步运用。工程设计是过程装备全寿命管理的重要一环,基础设计是进行工程设计的前提,也是过控专业实验与实践教学体系的重要内容。基础设计能力培养的主要目的是培养学生的初步工程设计能力,为以后从事工程设计工作打基础、做准备。针对我校过控专业中计算机程序设计和工程制图是学生日后进行工程设计的基础课程,因此将其作为基础设计能力培养的主要载体。专业基础技能培养是基本实验技能培养的继承与发展,其将实践和实验训练与专业性质相结合,让其更为专业与具体。矿大过控专业的基础技能培养分为化工原理实验、控制原理实验和金工实习三个环节。这一实践教学环节是学生结合实践学习专业理论的重要一环。这一环节的目的是使学生初步接触机器和设备制造的过程、基本单元操作过程和典型控制系统;熟悉金属冷热加工工艺、常用切削机床和工具;加深对传热、精馏、吸收、流体流动、干燥等单元操作的理解与认识;熟悉典型控制环节的传递函数和动态特性;了解各单元操作原理及参数变化对控制系统动态性能的影响等;培养学生的初步工程意识和实践能力。该实验与实践教学体系中的初步设计能力培养环节,可基于专业主干课程的课程设计进行,利用已学专业理论知识指导课程设计。我校过控专业主要以化工原理和过程设备设计中的单元操作与单元设备为目标,通过手工绘制装配图、撰写设计说明书达到培养学生初步设计能力的目的。
实验与实践教学体系中的初步工程观念培养,主要通过认识实习的方式进行。认识实习,旨在使学生掌握过程设备及过程机械典型零件的制造工艺、结构和装配过程;了解过程机械生产制造中的主要工装;了解生产中的质量保证体系和质量管理体系。同时,熟悉生产过程中的主要设备和参数的控制方法及仪器装置;了解典型的化工生产工艺流程、生产用料等,了解化工安全生产保障体系,并启发和引导学生将已学专业知识运用于生产实践,巩固和拓展专业理论,熟悉本专业的技术领域。通过这一环节,学生建立初步的过程工程观念,为后续将要进行的工程设计学习与实践奠定基础。社会实践能力是该实验与实践教学体系的重要组成部分。相对专业的知识和实践能力,社会实践能力包括社会认知能力、人际交往能力、自主学习能力、表达能力、组织管理能力等。这对学生的全面发展有着举足轻重的作用。本文将社会实践能力培养作为实践教学体系中的重要一环,也是对学生进行人文社科教育的重要手段,体现了新工科多学科交叉融合的特点。针对我校工科专业,社会实践能力培养主要由暑期实践、管理实践、了解国情等环节组成。暑期实践活动主要包括支教、志愿者活动等项目;管理实践主要通过深入工厂与企业进行企业文化交流或管理模式调查等方式体现,一方面使学生了解企业实际运作方式和模式,另一方面和企业沟通交流,为学生进入社会参加工作积累经验。通过社会实践能力的培养,学生的社会认知能力、表达能力、人际交往能力、组织管理能力、自主学习能力进一步提高。了解国情的实践活动,可通过相关讲座和社团活动进行,如军事理论、形势与政策、辩论比赛、倡议宣传等讲座和活动。
2.专业技能与工程实践能力培养内容。专业技能与工程实践能力培养是实验与实践教学的深入阶段,其内容如图2所示。其中,专业技能训练是学生日后从事工程实践的基础环节。由于此环节的专业性,因此专业技能训练应根据不同专业设立不同的实践内容。
过控专业的专业技能训练通常包括两部分:专业实验和提高实验。专业实验和实践是学生专业技能训练的基本与必修实验,它与专业课程相配套,如内外压薄壁容器应力测定实验、压缩机排气量及功率测定实验、离心泵性能测试实验等,其对应《过程设备设计》、《流体机械》等课程;提高实验与实践主要为综合性或设计性实验,是为学有余力且感兴趣的学生准备的选修实验,各高校可根据自身情况酌情设定。
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