文章推荐·阅读经典 2019年 第33期上

《新工科与新医科》

1.“新工科”背景下国家级实验教学示范中心建设与实践

2.工智能背景下“新医科”建设的挑战与变革

3.产教融合下新工科ICT人才培养路径探索

“新工科”背景下国家级实验教学示范中心建设与实践

摘要：“新工科”目前已进入实际建设阶段，其目的是培养一批适应和引领新技术、新产业的创新型工程科技人才。国家级实验教学示范中心是高等学校组织高水平实验/实践教学、培养学生工程实践能力和创新创业精神的重要教学基地，在建设过程中需要及时更新教学理念与教学模式，以适应“新工科”建设的内涵。本文以西安交通大学“机械基础”和“机械工程专业”两个国家级实验教学示范中心为例，从中心硬件平台建设、实验教学体系及教学模式等方面详细阐述了国家级实验教学示范中心在“新工科”背景下的建设理念和建设成效，以期为同类实验教学基地（机构）建设提供参考和借鉴。

关键词：新工科，国家级实验教学示范中心，实验/实践教学，建设理念

基金项目；2016年高等教育学会工程教育专项课题：面向卓越本科人才培养的校企合作育人模式研究与实践（2016GCZD07）；2017年西安交通大学教学改革研究专项项目：面向国际工程教育认证的机械类专业课程综合性实验体系构建与教学模式研究（17ZX002）；模块化机械系统故障模拟综合试验台模型及样机开发（17ZX060）

一、全球化工程教育改革背景和新工科建设要求

高等教育发展水平是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志，而高等工程教育又与产业发展有着紧密关联，承担着为新产业提供人才支撑的重要使命。只有培养一批适应产业发展需求并能引领产业发展方向的人才，才能把握经济发展潮流并占领发展的制高点，反之则会迟滞产业升级进程。[1]

当今时代，智能制造、人工智能、大数据、物联网、量子信息技术等新技术迅速涌现并蓬勃发展，正一步步地影响着人类的生产和生活。可以预见，未来10～20年将是一个传统工业与新型工业有序转换、世界经济版图发生深刻变化的重大变革期。从2012年开始，德国、美国、日本等西方工业发达国家先后提出“工业4.0”“先进制造业国家战略”“机器人新战略”等国家层面的产业和科技发展战略；我国亦适时出台了“中国制造2025”战略规划，力争通过“三步走”实现建设制造强国的奋斗目标。这种全球范围内的科技和产业深刻变革的趋势和要求，无疑对我国高等工程教育提出了巨大的挑战。

在此背景下，教育部于2016年提出了“新工科”建设构想，并通过深入研讨，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等纲领性文件。[2]～[5]通过对以上文件的深入解读，可以看出“新工科”并非一种局部考量和改革，而是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，体现着我国工程教育发展的新思维、新方式，对于支撑以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展，具有十分重要的现实意义和战略意义。

“新工科”建设一方面需要关注新技术背景下的新专业建设问题，主动设置和发展一批新兴工科专业；另一方面则需要推动现有工科专业的改革创新。对于大部分工科优势专业和双一流建设高校来说，更应该关注传统工科专业转型升级，在原有专业优势的基础上促进学科交叉融合，满足新工科建设要求。综合相关文献[6]～[9]，“新工科”下高等工科教育人才培养目标主要包括以下几项特征：一是工程和科技创新能力的培养；二是多学科和跨界领导力的培养；三是解决复杂工程问题能力的培养；四是人文和管理能力的培养；五是要引导学生树立对产品、系统和过程全生命周期的系统工程观；六是要有广阔的国际视野。基于以上分析，对现有工科专业尤其是实践教学体系进行深入改革，通过学科间的深度交叉融合，改变传统的工科专业过窄过细的弊端，使学生达到以上多维度、综合性知识、能力、素质培养目标，是“新工科”建设的重要内容。

二、新背景下国家级实验教学示范中心的建设定位

实验/实践教学的本质是通过动手实践的方式让学生理解知识、利用知识，进而学习、创造新的知识的教学活动，其最终目标是要培养学生解决问题的能力。美国著名教育心理学家布卢姆曾于1956年提出认知领域教育目标分类，把认知层次分为六类，即记忆（Remembering）、理解（Understanging）、应用（Applying）、分析（Analyzing）、评价（Evaluating）和创造（Creating）。其中记忆是对学习内容的“保持”，与理解一同处于认知过程的基本阶段；应用、分析、评价是对各种知识的迁移、加工和应用，学习者在这些过程中习得解决问题的能力；创造作为教育目标的最高层次，指的是学习者通过认知过程，产生和形成各种新观念、新理论和新技术。从教学过程中看，理论教学主要实现知识的记忆及理解，应用、分析、评价和创造则更多地需要通过不同层次的实践教学来实现。[10]所以说实验/实践教学是工程教育的本质特征，也是工程教育改革的重点和难点所在。

国家级实验教学示范中心是高等学校组织高水平实验/实践教学、培养学生工程实践能力和创新创业精神的重要教学基地，是教育部依托高等学校建设的国家级实验教学示范平台，其主要任务是聚焦国家人才战略和社会发展需求，紧扣高等学校人才培养目标，开展实验教学研究，创新实验室管理机制，探索引领实验教学改革方向，共享优质实验教学资源，以高水平实验教学支撑高质量人才培养工作。[11]～[14]在“新工科”的背景下，国家级实验教学示范中心更应该密切关注行业发展动态、社会发展需求，在实践教学中要主动改革创新，起到示范引领、辐射带动的重要作用。

实验教学中心的建设涉及教学理念、教学体系、教学方法、硬件设施、师资队伍等多个方面。本文将以西安交通大学“机械基础”和“机械工程专业”两个国家级实验教学示范中心为例，对其教学理念、实验教学体系建设，教学模式、方法改革及建设成效等做一简要介绍。

三、国家级实验教学示范中心实验教学改革与实践

近年来，西安交通大学机械基础国家级实验教学示范中心及机械工程专业国家级实验教学示范中心（以下简称“两中心”），聚焦“中国制造2025”战略需求，结合“新工科”建设理念与思路，突破传统工科的思维模式，及时更新教学理念与教学模式，以培养智能制造时代的新型工程科技人才为目标主线，以专业实践、工程实践和创新实践三种能力的培养为导向，围绕“三智”（智能化实验平台及项目、智慧化实验室信息管理、以学生为中心的智主学习模式）建设目标，系统推进实验教学条件建设、内容体系建设和教学模式变革，逐步构建完善了课内外四层次实验（实践）教学体系，初步建成了分别支撑机械类专业群课程实验教学的专业级综合实验平台和对接创新创业教育的学科级创新实践平台，同时依托平台，积极落实校企联合育人机制，加大校企实质性深度合作，强化专职实验师资队伍，引领和促进机械工程专业人才培养理念、目标和实验教学模式改革，为培养面向未来智能制造的具有创新创业意识和跨界整合能力提供保障。图1为两中心建设总体框图。

图1  两中心建设总体框图

1.全面推行OBE教学理念。

产出导向教育（Outcome-Based Education，OBE）在1981年由美国学者William Spady率先提出，其含义是清晰地聚焦和组织教育活动，使之围绕确保学生具备在未来生活中获得实质性成功而进行，主要强调如下四个问题：希望学生获得的教学成果或者能力是什么？为什么要让学生获得这些成果和能力？如何保证学生取得期望的成果和能力？以及如何判断学生是否具备了这些成果和能力？因此，OBE理念下的教学活动是围绕明确的学习成果来组织，并以学生为中心展开，教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证达到这些预期目标[15][16]，同时还要有合理科学的体系来评价学生达到了预期目标，最后要对教育结构体系不断改进以确保学生更好地获得预期目标。

我国2016年6月正式成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式成员，《华盛顿协议》的工程教育专业认证全面接受了OBE教学理念。在OBE教育理念中，教学单位必须首先对学生毕业时及毕业一段时间内（5年左右）应达到的能力及其水平进行清晰的设定，即有明确的培养目标，然后构造适当的教学体系来保证学生达到这些预期目标，也就是说所有的教学环节包括课程体系、教学内容、教学方式等都是为达到培养目标而设置的，教学体系及教学方法是达到培养目标的手段而非教学的目的。工程教育认证委员会提出了毕业要求通用标准12条，各个学校在制定毕业要求的时候需要对这些通用标准做到全覆盖；而其中的每一条又进一步分解细化为若干个二级指标点，每个指标点都要有具体的教学环节来支撑。

在基于OBE理念构建的西安交通大学机械工程本科专业毕业要求与课程体系支撑关系矩阵中，各类实验/实践教学环节对毕业要求中大多数指标项，如“设计/开发解决方案”“职业规范”“个人与团队”“沟通”“项目管理”等都起到了不可替代的支撑作用。特别是诸如“个人与团队”“沟通”“项目管理”等非技术性能力，在传统的理论教学环节很难有效培养，而更多地需要实验特别是综合性实验/实践环节来加以支撑。[10]这从一个方面凸显了现代工程科技人才培养中实验教学的重要性，也对我们在新的理念和认识下探索改革实验教学的内容、方法、教学组织形式和学习效果评价提出了更高的要求。

两中心对照国际工程教育认证理念和要求，以机械工程专业2015版教学大纲制定为契机，在12门专业核心课程中大力建设综合性、设计性实验，每门课程中综合设计性实验在课程实验总学时中的占比均达到三分之二以上，有的课程甚至占到四分之三以上；所有课程实验建立了产出导向的评价标准，采用量规表的形式对学生学习效果进行全面且有重点的评价；同时在校内首开实验课学生评教，每个学生完成实验后，从自身收获的角度，对该实验课程和任课教师进行评价，与学生学习效果的直接评价一起，共同作为实验项目持续改进的依据。

2.实验平台建设。

根据当前制造业发展的战略趋势，结合机械工程学院实验教学体系的总体布局和功能规划，“两中心”的目标定位是建设成为支撑西安交大先进制造领域新工科人才培养的重要基地。基于这一定位，两中心在“新工科”建设中，主动对接“中国制造2025”战略，首先是加大学院核心课程综合设计性实验平台的建设；在此基础上，通过资源的进一步整合规划，以“智慧车间”为建设载体，进而打造学科级、工厂化的创新实践平台，以培养未来智能制造时代所亟需的具有系统思维能力及规划调度能力的复合型人才。平台建设遵循工业性、开放性和模块化三大理念。图2为智慧车间构成与专业核心课的对应关系图。

图2  智慧车间构成与核心课程关系

（1）专业核心课程综合性实验平台建设。

专业核心课程是实现机械工程专业本科人才培养目标的核心，也是学生后期科研、工作、创新创业活动的基石，核心课程的实验教学在培养学生创造性思维、综合设计能力和工程实践能力方面占有重要的地位。根据2015版培养方案，专业核心课程要求综合性实验占到课程实验教学学时的75%，为此需要加大专业核心课程综合性实验平台的建设，两中心建设和完善机械设计类课程实验平台、先进制造类课程实验平台、测试控制类课程实验平台、质量可靠性类课程实验平台、机器人类课程实验平台和工业设计类课程实验平台六个综合性实验平台，重点开设了综合性，设计性，以及创新性三大类实验项目，为机械学院12门核心课程开设综合设计性实验提供硬件支持，同时为学生自主实验提供条件与平台。

（2）学科级创新实践平台建设。

专业综合实验教学平台建设除了支持具体课程外，所购置的设备经过一定的组合和联网可以对已经初步建成的智能制造生产线、机器人创新实践平台、车辆创新实践平台进行功能上的完善，使智能制造生产线成为真正融合信息大数据的学科级交叉创新实践平台，让学生足不出户就能学习到智能制造生产线的组成和运行原理，着力开设面向全校尤其是机动电大机类的综合设计性实验、开放创新实验及CDIO项目实践和本科毕业设计题目，着重培养本科生在智能制造系统方面的设计能力、车间级的管理能力及工厂级的组织能力。同时学科级创新实践平台面向全校学生，支持跨机械、能动、航天、电气、电信学科的大学生科研创新训练项目、学生自主创新实践、学科竞赛等活动。

3.教学体系/教学模式建设。

（1）基于能力的四层次实验教学体系。

经过多年积累和沉淀两中心构建了课内实验、开放创新实验、CDIO项目实践、创新创业教育四个层次的实践教学体系，实现品行养成、知识传授、能力培养、思维创新“四位一体”育人目标，特别为优秀的学生实现“不设天花板”的教学及创新体系。课内综合性实验依据国际工程教育认证的通用标准和机械工程专业的培养目标、毕业要求，以培养学生“解决复杂工程问题的能力”为主线，基于OBE的教学理念重视学生学习产出，通过过程性评价的方式得到反馈依据并总结改进，采用以培养学生能力为主的任务驱动教学法，重点使学生掌握宽厚的机械工程专业知识，培养现代设计能力、动手能力、知识运用能力、解决复杂工程问题的能力；开放创新实验以课程群为基础面向全校开设，重点培养学生多学科知识综合运用能力、解决问题的能力及工程和科技创新能力；CDIO项目实践采用基于项目的实验教学方式，让学生以小组为单位设计制作一个产品，了解产品全生命周期，培养学生设计、制造能力，成本控制能力，团队沟通协作能力、自主学习能力、系统工程观及国际视野；创新创业教育为学生提供完整的创新创业环境，培养学生创新创业能力、科学研究能力、系统工程观及国际视野，图3为基于能力的四层次实验教学体系。

图3  竞赛驱动的实验教学体系示意图

（2）建立学科内——学科间实践教学培养体系和模式。

学科内，开展模块化专题实验。专业级综合实验平台支撑机械工程专业的“机械设计”“机械制造装备与工艺”“数控技术”“测试技术”“制造工艺规划与FMS”“现代机器人技术”等核心课程开展基于系统的模块化专题性课程实验，通过统一的系统级实验平台的支撑作用，使学生在专项知识、技能的学习运用的基础上，进一步了解不同模块的关联及协同关系，强化对学科知识系统化、综合性的理解和运用；机器人创新实践平台开设机器人原理、工业机器人应用、机器人视觉、智能机器人制作等专题性实验；汽车创新实验平台开设发动机原理、钣金成型、汽车总体设计、大学生方程式汽车制作等专题实验。

学科间，学科级综合创新实践平台作为一个校级平台将面向全校学生开放，开展智能制造示范性实验教学、机器人创新设计实践教学、汽车创新设计实践教学等，通过结构、功能的介绍及演示，使学生感知、理解智能制造、机器人、车辆的基本内涵与特征要素，接触学科前沿，开阔专业视野。支持跨机械、能动、航天、电气、电信学科的开放创新型实验、大学生创新创业训练基金、毕业设计、学科竞赛等实践项目。通过跨学科知识体系的碰撞和融合，培养学生系统级规划、设计、集成和运作的实践能力。

（3）虚实结合教学体系建设。

中心加大虚实结合的教学模式的研究和实践，在《数控加工技术》《装备制造技术基础》《机械系统故障诊断》及车辆相关课程中实施虚实结合的教学模式。虚拟实验可以在理论教学和实物实验之间建立一座桥梁，起着过渡作用，“虚”是手段，“实”是目的，虚实并存，优势互补，虚拟实验可以对抽象的概念、理论进行形象化的展示，可以作为教师课堂讲解的手段，同时虚拟实验让每个学生都有独立思考和操作的机会，让学生熟悉设备操作了解设备功能和工作原理、数据处理方法、典型结果等，为实物实验做好了理论和方法准备，保证实物实验教学的质量和效果，真正培养学员解决实际问题的能力，实现培养学生综合素质的教育目标。[17]～[20]

（4）学生评价体系。

在工程教育认证的标准下，各个教学环节都需要有清晰可实施的评价体系，课程或环节的达成度评价是认定毕业要求是否达成的基础，科学、合理和真实的评价方式才能反映毕业要求是否达成，才能反馈教学中存在的问题，为教学内容、教学方法的持续改进提供依据，评价体系应以评价学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度和应用能力为重要内容。[10]

实验/实践教学由于涉及环节较多，对这些主观性较强的教学活动采用量规法可直观地反映教学的效果，也可以更好地引导学生的学习。所以两中心制定了包括课内综合性实验、CDIO项目实践、毕业设计、生产实习等实验/实践环节的量规表，来公正、清晰的评价每一个学生学习结果，关于量规表的构建首先评价内容和过程上与实验教学目标要一致，要针对学生的主要方面进行重点评价，以起到激励和引导作用，评价原则和标准要清晰，评价体系要具有公开性和透明性及持续改进性。表1是CDIO项目实践的量规表（部分），可以看出量规表详细地给出了该课程涉及到的评价指标，每个指标有具体的考核内容及评价依据，每个评价依据都有详细的评价标准，教师在评价学生时严格按照标准给出学生客观、公正、科学的评价，该评价体系面向学生公开，学生也可以对照标准，在实验/实践环节做到有的放矢，因此评价体系也可以起到引导作用。

表1  CDIO项目实践量规表（部分）

4.师资队伍建设。

中心早在2011年就启动了骨干实验技术人员计划，首批招聘具有硕士研究生学历及有大型企业工作经验的5位骨干实验教师，后期通过3次的招聘又补充了7名骨干实验教师，重点招聘在智能制造、大数据、人工智能、数控加工方向的骨干实验教师，为中心实验教学改革提供人员和技术支撑。

实验教师要求坐班制，专职承担课内综合性实验教学、开放创新性实验、教学研究教学改革、指导学生学科竞赛及公共服务性工作。中心根据新进教师的专业方向及中心需要进行有针对性的培养，以“老代青”、“传帮带”的培养方式为中心培养下一班的骨干力量，帮助青年实验人员能尽快融入教学并承担实验教学改革等核心工作；中心积极推选有能力的实验人员晋升职称，肯定他们的工作和业绩，形成了一个良性循环，提高实验人员的工作积极性；中心鼓励教师及骨干实验人员对外沟通交流学习，到国内知名高校参观学习，鼓励参加负责课程方向的相关会议，了解国内外教学改革情况，提高教师的教学敏锐度和进步的积极性；中心鼓励实验教师结合实验教学积极参与科研工作，包括在职博士，为以后的高质量的教学打下基础。

四、建设成效

两中心经过近三年的建设已逐步形成了“专业实践能力、工程实践能力、创新实践能力”培养三位一体的实验教学体系，建设了以支撑机械类专业群课程实验教学的专业级综合实验平台和对接创新创业教育的学科级创新实践平台，探索得到了一系列以多目标能力培养为核心的实践教学新方法，为先进制造领域系统级工程技术人才的培养提供有力的支撑与保障，同时也为同类专业的教育教学改革提供了有效的示范或借鉴。

近三年，中心共获批教育部中央高校改善基本办学条件项目、教育部新工科研究项目、高等教育学会十三五规划重大攻关项目等教改项目24项，有力的支撑中心在新背景下的的教学改革研究及实践。在人才培养成效方面，两中心负责的各类学科竞赛近几年已经取得了令人瞩目的成绩，在第五至第八届全国大学生机械创新设计大赛中共获得国赛一等奖23项、二等奖14项，在2013年至2018年全国大学生机械产品数字化设计大赛中共获得全国特等奖2项、一等奖16项、二等奖19项等，获得全国第十二届挑战杯一等奖1项，在2016-2017的VEX机器人世界锦标赛的比赛中，获得赛季最高荣誉—“全能总冠军”，在2017-2018的VEX机器人世界锦标赛的比赛中，蝉联赛季最高荣誉——“全能总冠军”，并获包揽赛季“联赛冠军”“技能赛冠军”；F1大学生方程式车队在2016年中国大学生方程式汽车大赛中夺得新秀车队第二名；本科生创新训练项目获批国家级项目58项，省级54项，校级99项，每年参与学生超过300余人，学生共发表论文15篇（其中SCI3篇），专利授权25项。

五、结论

国家重大战略和需求是工程教育改革创新的重要起点，国际竞争归根到底是人才和教育的竞争。新工科不再是简单的扩大规模、增加专业的传统机遇，而是倒逼我们反思工程教育、建设“新工科”的新机遇。目前两中心已经构建了资源融合充分、结构体系完整、学科特色鲜明的实践教学平台，但是在新工科发展与构建的背景下，立足国际工程教育改革发展前沿，以面向未来和领跑世界为目标追求，提出新工科人才培养的质量标准，仍需继续深入探索工程教育人才在新工科背景下的培养模式，促进我国高等工程教育的内涵发展；继续探索现阶段专业综合性实践课程教学改革、提高各类实践课程的兴趣度与学业挑战度；进一步推动多学科交叉融合，保持交叉学科平台的深度产出，完善多元化个性化培养的专业实践体系；继续保持各类竞赛与成果的持续产出，不断提高学生的受益面，更加注重对各类新形势下开展各类新工科的要求与建设内涵的人才培养的质量；继续推进信息技术和教育教学深度融合，建设和推广应用虚拟仿真实验课程（项目），充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式；继续完善新工科人才“创意—创新—创业”教育体系，广泛搭建创新创业实践平台，建设创业孵化基地和专业化创客空间，推动产学研用紧密结合和科技成果转化应用。总之，国家级实验教学示范中心要持续的为学生完善各类培养环境与应对这种新形势变化的硬件设施创造条件，让所有的学生拥有一个可持续发展的培养平台，进而提升我国工程教育的整体实力与国际竞争力。

作者： 西安交通大学 王保建 王永泉 段玉岗 陈雪峰  

来源： 《高等工程教育研究》2018年第06期