新工科下高校实验与实践教学体系改革与探索
 
            朱荣涛 胡炳涛 王艳飞 李延锋  
（中国矿业大学，化工学院，江苏 徐州221116）
 

摘要：本文以中国矿业大学过程装备与控制工程（简称过控）专业为例，按照“新工科”建设要求，以培养应用型复合人才，促进学生工程实践和创新能力的形成为目标，对专业实验与实践教学体系进行了改革和创新，构建了“一条主线、三个阶段”的多学科交叉、逐层递进的实验与实践教学“新结构”，并详细阐述了该体系中各阶段的培养内容。为推动新工科的实施，探索个性化人才培养模式，培养“善学习、懂操作、能创新”的综合素质高的应用型人才提供了有效参考。
关键词：新工科；过程装备与控制工程；实验与实践教学；创新能力       教育教学论坛
The Reform and Exploration of experiment and practice Teaching system in Colleges and Universities under the New Engineering course
 
Zhu Rongtao Hu Bingtao Wang Yan flying Li Yanfeng
 
(college of Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221116)
 
Abstract: In order to cultivate applied versatile talents and promote the formation of students’ engineering practice and innovation ability, we built an interdisciplinary experiment and practice training system that contains a mainline and three steps by reforming and innovating the conventional experiment and practice training system in Process Equipment and Control Engineering major of China University of Mining and Technology. Meanwhile, the training contents of the system in different steps were designed according to the construction requirements of “new engineering”. This paper can provide an effective reference for promoting the implementation of new engineering and exploring the training mode of personalized talents.
Keywords: New Engineering, Process Equipment and Control Engineering; Experiment and Practice Training; Innovation Ability

                          
 
0 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”、“一带一路”、“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，先后形成了“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的发展，对深化我国工程教育改革、建设工程教育强国，对服务和支撑我国经济转型升级具有重大意义^[1]。
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^{[2, 3]}。新工科的建设和发展不仅需要树立创新性、综合化、全周期工程教育“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”。工科的新结构不仅仅包括前沿和紧缺学科专业的设置，还应该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^{[4, 5]}。工程教育中实践环节是高等学校整个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的目标^[6]。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^[7]。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，并开展了新工科背景下的实验与实践教学体系的研究^[8-12]。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，构建了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，也是本专业培养目标的要求。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。
 
1 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。这种专业性质决定了该专业实验与实践教学的复杂性、融合性及多样性。因此，本专业更容易突破传统人才培养模式，更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^{[13, 14]}。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^[15-17]。因此，本文以过控专业为对象，将科学、工程、人文教育相揉和，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的发展模式，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，培养符合社会发展新需求的应用型复合人才。
 
2 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。
2.1 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，其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几个方面，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初步工程设计能力和观念，重视不同学科之间的交叉与融合。基本实验是指针对专业基础课程设置的课程实

图1 过程装备与控制工程专业基础实践能力培养方案框图
 
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了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，而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，为以后所从事的工程设计工作打基础、做准备。针对我校过控专业，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结合专业性质进行专业化和具体化。矿大过控专业的基础技能培养可分为化工原理实验、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；了解各单元操作的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初步设计能力培养环节可基于专业主干课程的课程设计来进行，利用已学的专业理论知识来指导课程设计。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、撰写设计说明书来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地初步工程观念培养主要通过认识实习的方式来进行。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生产中的主要工装；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的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，使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。相对于专业的知识和实践能力讲，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。这对学生素质的全面发展有着举足轻重的作用。本文中将社会实践能力培养作为实践教学体系中重要一环，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。针对我校工科专业而言，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，着重使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、形式与政策、辩论比赛、倡议宣传等讲座和活动呈现。
2.2 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专业不同设立不同的实践内容，过控专业的专业技能训练通常可以包括两部分：即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；而提高实验与实践主要为综合性或设计型实验，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。

图2 过程装备与控制工程专业技能与工程实践能力培养方案框图
 
工程实践能力是工科高等教育实践教学体系的核心。对于过控学生来说，这一能力培养的要求学生全面深入了解企业运行过程，熟悉生产工艺过程及所用设备，并具备对其进行控制与管理的能力；同时，熟悉并掌握典型过程装备的制造工艺、焊接工艺和无损检测工艺。通过工程实践能力培养，使学生能够综合运用专业基础理论和技能，分析生产过程中的实际问题，使学生工程素质和工程能力得到提高，增强学生适应社会的能力。为了保证工程实践能力的培养，响应新工科建设要求中强化实习、实训环节的建议，我校已与河南能源，皖北煤电、恒久机械等厂矿企业建立了长期的合作关系，并依托这些企业建成了实践创新基地和实践教学示范中心，通过这种学校-企业联合的方式培养学生工程实践能力。在实际实践教学实施过程中，此环节分为仿真实习和生产实习两部分。仿真实习可在校内或校外进行，部分院校的过控专业已经建立了化工过程虚拟仿真实验室，没有此条件的可以去厂矿企业完成这一环节。但是，生产实习均在企业进行，让学生深入工厂，跟随企业导师或车间师傅进行实操，了解并熟悉生产工艺流程，完成各车间轮岗学习，真正达到培养学生工程实践能力的目的。 
工程设计能力是初步设计能力的延伸与拓展，是一种专业综合设计训练。矿大过控专业将这一专业综合设计训练分为两个方向，其包括控制系统设计和过程装备成套装备设计。控制系统设计通常以典型过程工业为对象，通过控制参数的调节，使对象按工艺条件要求动作。此系统的设计目的为使学生掌握控制系统设计的基本原则，熟悉PLC控制器与输入输出设备的连接方式，完成硬件原理图、安装接线图的绘制，并能够设计PLC程序。成套装备设计同样以过程工业中关键装置为对象，熟悉其工作原理、结构特点，理解其设计技术和工艺要求，并对该装置进行工业设计。
2.3 创新能力培养与实践
新工科的建设要求明确提出了创新型工程教育的新理念，创新是驱动发展的动力，是提升我国社会生产力发展和增强综合国力的必要手段。创新能力的培养是实施创新驱动发展的必要条件，尤其是高等院校大学生创新能力的培养。因此，创新能力的培养与实践是应用型成才培养的最终目标，也是实施创新驱动发展的必然要求。结合我校本专业人才培养实际，创新能力培养的实践培养内容如图3所示。

图3 过程装备与控制工程专业创新能力培养方案框图
 
培养学生科技创新能力，首先需了解科学技术发展史及学科技术前沿和发展趋势，这是培养学生创新能力的基础。针对我校过程装备与控制工程专业，此环节主要采取两种方式：一是请从事本专业教学科研、经验丰富的教授或高级工程师进行前沿讲座，使学生了解学科研究方向和发展趋势、认识工业生产中的技术难题和待解决课题；二是鼓励学生参与专业老师的科研课题，使学生在解决实际问题中理解、发现学科前沿，并提出可行的解决方案，通过科研课题驱动的方式提升自己的创新能力。
个性培养模式是新工科人才培养的亮点之一，它是在尊重学生个性的基础上分类分层次培养，积极开发学生的创新能力。矿大实施创新能力个性培养的过程中，常常通过各种大学生创新训练、开放实验室及各种创新大赛来进行。实施过程中，在承认每个学生都具有创新潜能的基础上，根据学生创新个性的差异性制定创新能力个性培养的目标。同时，根据学生的创新个性特点，分类制定目标。如结合全国大学生节能减排大赛，过程装备实践与创新大赛等实践活动推行试验型创新能力培养，学生需要完成产品研究报告、实施规划等。更进一步，如结合“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛和开放实验室等途径，鼓励学生实施跨学科探索型创新。这里，学生不但要完成实验产品的研究报告，还要完成创新产品的设计及制作等。
创新能力综合培养环节是对学生专业知识和技能的综合考量和检验，是培养复合型、应用型人才实践教学体系不可或缺的环节。针对矿大过控专业，本环节的培养以毕业设计（论文）和毕业实习为主要形式。毕业设计（论文）内容可结合指导老师的科研课题，完成系列实验研究，或以特定的典型工艺装备为对象，优化结构以提高该设备某一方面的性能。无论是试验性的毕业论文还是设计性的毕业设计，均需要要求学生在传统工艺及设备的基础上实现部分创新，同时将论文或设计形成文本或说明书。例如，以典型设备为题的毕业设计，需完成过程工艺设计计算，工艺流程设计，典型设备工艺计算和设备设计等内容。当然，创新性的成果必须以大量的调查研究为基础，因此毕业实习环节也是不可或缺的，通过毕业实习的调研，为创新性的毕业论文（设计）服务。使学生初步掌握科学研究的方法，培养学生创新能力。
 
3  实验与实践教学体系建设的目标
 
本文以过控专业为对象，以新工科建设的具体要求为依据，构建了三阶段实验与实践教学体系，三阶段逐层递进，相辅相成，为“培养应用型复合人才，深化学科交叉，促进学生工程实践和创新能力的形成”这一总体目标服务（一条线）。通过本文实践教学体系的实施，期望培养动手能力强、会设计、懂运行、善管理的工程师；通过实验与实践教学，巩固和拓宽专业理论知识、熟悉专业领域，增强学生学习的主动性和针对性、培养学生理论联系实际及解决实际问题的能力、培养学生的专业工程素质和工程能力、增强学生的创新意识和适应社会的能力。
 
4  结语
 
“新工科”建设是应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展，提出的一项持续深化的工程教育改革行动计划。本文响应新工科建设的要求，以过程装备与控制工程专业为例，从实践教学的内涵和专业人才培养目标出发，构建了“一条线、三阶段”式的各学科交叉融合的、全方位综合教育的实验与实践教学“新结构”。该体系包括基础实践能力培养、专业技能与工程实践能力培养和创新能力的培养与实践培养三方面的内容，并逐层递进介绍了该体系中各方面的培养要求和培养方式；最后阐明了该实验与实践教学体系的目标。本文为推动新工科的实施，探索个性化人才培养模式，培养“善学习、懂操作、能创新”的综合素质高的应用型人才提供了借鉴。
 
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作者简介：朱荣涛（1983-），男，汉族，博士，中国矿业大学化工学院副教授，
基金项目：本文由中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践课题（YJSJG-2017-007），中国矿业大学教改项目（2017KCSZ11、2017YB16）资助