基于模块化知识体系的创新实践能力培养教学改革

　　按照学校“全面贯彻科学发展观、坚持育人为本、积极推进素质教育，突出特色、努力培养应用型人才”的办学指导思想，以工程技术为主线，注重夯实基础，提升能力，我们对机械设计制造及其自动化专业进行了教学改革。在对国内外高校培养方案进行充分调研的基础上，提出转变教师教育理念，构建模块化知识体系，培养学生具有面向工程的综合实践能力。在教师的创新教育理念、理论知识与实践融合体系、综合实践应用、教学管理机制等方面进行了探索和实践。

　　一、多元素集成的教学体系全方位体现创新思维的培养

　　1.教师创新的观念与行为是教学改革的基础

　　要使学生在日常学习和生活中具有创新思维，首先要求教师将创新意识作为自己的行为习惯，以激发学生去创新，在实践中锻炼学生的创造性思维能力。

　　教师要转变教学思想，紧跟科技的进步，一边传授知识一边将新的思维和方法渗透给学生。教师要有“让学生会学、会用”的教学思想，积极鼓励和引导学生主动去获取知识，并用知识去改变生活。以生动的实例引领学生去探索，如饺子机、书本打包机、啤酒灌装机的出现，就是知识在生活中的应用。

　　教师要将知识灌输的教学方式改为学生主动探索式的学习方式，采用案例分析、项目设计等方法，努力创设有利于学生创新思维发展的教学氛围。

　　2.明确各教学环节内容和联系

　　在整个教学体系中，理论知识的讲授与动手实践相辅相成[1]，各个教学环节都应体现创新实践能力培养的思想。进一步规范理论教学、实验教学、课程设计、开放实验、毕业设计、科技活动等环节的相互关系，明确本专业各环节的教学内容以及如何进行理论与实践相结合的教学实现。如图1所示的多元素集成的教学体系，每门课程的理论学习和课程基本实验是学生知识体系的基础。专业基础课配套的课程设计、针对典型专业课设置的设计性和创新性实验是理论知识的进一步运用和巩固。开放实验、项目（毕业）设计、学生科技活动（学科竞赛）是知识的综合实践。规划好各个环节之间的层次关系，学生在模块化学习和掌握知识的过程中，培养创新思维，提升创新能力，达到灵活运用知识解决工程实际问题的培养目标。

　　图1 多元素集成的教学体系的架构

　　二、用专业课程模块构建面向工程的实践环境

　　目前综合性实验、开放性实验主要围绕各个课程展开，学生在掌握本课程基础上，利用所学知识，解决实际工程问题。但是课程知识之间还有衔接和综合应用的问题，学生应进一步在模块化知识体系中培养创新思维，提升创新能力。原有课程体系中，各个课程相对独立，课程实验也仅仅与本门课程的理论教学对应。为提升教学效果，优化课程结构，要打破这种课程独立性，明确课程之间的内在联系，建立培养目标明确的课程群模块。同时，要为课程群开设主题项目的综合实践。德国、美国的一些高校首先提出课程体系分模块的构建方式。以项目形式组织综合实践内容，以主题形式组织教学内容，涉及多个课程及实验，这就是课程模块化思想。在课程体系的各个模块单元中，每个单元都应有自己的教学目标，对所包含的课程还要设立子目标，实现教学内容优化。学生的知识体系经模块化梳理后，更有利于对原理、方法的领会及系统综合应用。

　　1.模块一课程群――产品设计与制造基础

　　机械原理、机械设计、机械制造基础3门课程的内容具有前后递进关系，讲述产品开发从功能原理分析、确定方案、结构设计到制造工艺的机械基础知识，将这3门课整合为产品设计与制造基础专业模块。注重课程之间内容的关联，同时明确前修课程――制图、力学课程的课程内容，为该模块课程群的讲授打好基础。该课程群的特点是知识点丰富、专业性强、内容各有侧重并共同打造机械基础平台。因此，在原有课程建设基础上，注重各课程知识点的衔接和综合应用，进行课程内容的整理和结构优化，使学生完整、系统地掌握从事机械专业的基本理论。

　　对模块中各课程的实验、课程设计内容进行改革，让学生能够综合应用设计制造基本知识解决工程问题。图2所示为产品设计与制造基础课程群的框架结构。每门课程设置的实验也具有递进性，从认知分析上升到最终的工程实践，并从横向将3门课程的实践串起来，完成一个具体工程产品的开发。以小型机电产品的设计和关键部件制造贯穿该课程群的实践环节：机械原理课程设计实现机械的方案分析，用机构运动简图表达机械的工作原理，分析机械运动特性；机械设计课程设计实现对关键部件的强度/刚度分析及结构设计，画出装配图；在机械制造基础课程设计中，挑选某些零件，编排工艺文件，实现加工和装配。

　　图2 产品设计与制造基础课程群框架

　　2.模块二课程群――建模仿真与性能分析

　　机械系统的建模仿真与性能分析课程群，包含计算机辅助设计、产品建模与仿真、有限元分析基础和机械优化设计等课程。该课程群的课程是面向机械类专业学生开设的设计类专业课，在后续的课程设计、毕业设计以及工程实践中应用广泛。该课程群教学目标是：学生在本科阶段掌握ProE、ADAMS、ANSYS等大型工程软件的应用，具备使用这些软件进行工程问题的建模、仿真分析计算的能力。图3所示为建模仿真与性能分析课程群的框架结构。针对每门课程设立理论教学与上机实践教学相结合的教学体系，各课程相继建立了综合性、设计性实验。并且，改变传统教学中各门课程各自为政的现象，对各个课程的授课内容重新整合规划，在学生头脑中形成从建模到分析计算，再从分析到优化的机械设计的整体分析思路。同时，在计算机辅助设计课程中，建立典型案例和项目实践贯穿本课程群中关于建模、有限元分析、优化的知识要点，培养学生能够综合运用计算机辅助设计的方法和大型软件进行工程设计的能力。该课程模块还与研究生的计算机辅助工程课程构成知识递进的课程模块层次。 　　图3 建模仿真与性能分析课程群框架

　　3.模块三课程群――产品创新与系统化设计

　　如图4所示，该课程群包含机械系统设计学、机械创新设计、单片机应用技术基础以及综合实践课程，是专业知识的高层次应用。将综合课程设计及综合实验周内容融合在一起，开设综合实践项目，以支持学生对本课程群授课理论知识的理解与应用。学生以设计小组形式参与本课程群的综合实践项目，在方案讨论、分工设计制造过程中，领会从系统角度考虑产品设计问题，以及产品创新设计的内涵。结合北京市机械创新大赛，从生活中发现问题，综合应用知识去解决问题，完成产品的方案设计、结构设计与分析、加工制造及运动控制。

　　图4 产品创新与系统化设计课程群框架

　　三、开放式管理机制支撑面向工程实践的教学体系

　　完善的实践教学体系对培养大学生的创新实践能力起着重要作用[2，3]。建立以项目为导向的多层次实验课程架构（验证性实验、设计性/综合性实验、创新性实验），各种类型实验在不同课程群中比例不同，各个层次实验相辅相成，才能使学生牢固掌握整个知识体系。同时，以本专业基础理论知识为引领，扩展基础实验，提升设计性实验的内容，精心打造创新性实验，培养学生的综合设计以及工程实践能力。建立导师指导下的课外科技创新设计小组， 围绕机电一体化产品进行创新设计，在课程设计、生产实习和毕业设计等环节精选创新设计题目，利用创新设计实验室、机电实习中心进行创新设计方案的制作，解决生产实际中的一些问题，并进一步参加各种层次的科技创新项目和比赛。

　　建立有利于创新能力培养的宽松环境和高效机制，构建开展创新活动的完善管理体系，实现对过程和结果的有效管理。开放式管理学生的课程设计、毕业设计的选题工作，将创新设计题目纳入选题范围，并在执行过程中制定规范进行约束管理。将部分专业实验室与学生实践基地联合，设置开放实验项目，使学生能够灵活地进行创新实践。另外，学校、学院设置资助专项以及鼓励政策，引导教师和学生从事工程实践。

　　多元素集成的教学体系、面向工程的实践环境、约束有序的管理机制，相得益彰。学生从理论学习到实践活动，都置身于先进制造系统的应用性、创新性的教学环境中。教师转变思想，加强理论知识讲授的有效性，在学生头脑中始终建立创新的概念并使其成为行动的指南。建立多元化教学体系，形成模块化知识体系和全方位实践体系，使学生系统学习理论知识。拓展面向工程的实践环境，构建主题式实践项目，用完整的产品开发过程培养和锻炼学生创新实践能力。行之有效的管理机制，约束有序并具有灵活的空间，有效保障了创新实践的实施。

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