突出知识融合与创新能力培养

突出知识融合与创新能力培养　构建机电类实践课程新体系

张文锦　郁建平　丁则信　许映秋　任祖平

非电专业电类课程是工科院校非电专业本科生所学电类课程的总称，对相应专业而言系统地学习掌握专业知识和所需的电类知识并具备应用能力已是非常必要，若能进一步重构其专业知识，实现多学科知识融合，则对培养其创新能力和提高综合素质有着非常重要的意义，从培养创新型人才的要求出发，我们应注重和强化对他们实践能力、工程应用能力以及知识综合能力的培养，特别是机电学科方面的知识融合能力、创新能力的培养。

自1999年起，我校就关注这一问题，当年由汤崇熙教授发起、教务处牵头、学校立项，成立了由教务处、实验室与设备处及相关院系组成的教改课题组，承担东南大学非电专业电类课程体系的教学改革。课题组按照各院系的培养目标制订了东南大学非电专业电类课程教学改革项目的总方案。在坚持拓宽基础、注意交叉、扩大专业面向、加强知识教育和实践环节的基础上，将原来隶属于各门电类理论课的实验内容从理论课中分离出来，分别对理论和实践课程进行整合重组，构建面向两个专业类（机械动力材料与土建交通）的相对独立的电类理论和实践课程新体系，按现有三个实践基地分为三个子课题组同时也是三个层次，制订结合各院系培养要求和纵横关联的教学改革方案。该方案充分考虑到我校多科综合性优势，体现了学科交叉渗透融合以及建立大工程意识和增强工程素质的要求，立足于激发创新思维，突出了工程实践能力和创新能力的培养。具体见图1。

非电专业电类课程的改革是以培养创新精神和创新能力为核心，以实现机电控制信息专业与本专业的知识融合为龙头，以建立工程意识和提高综合素质为主线，注重实践提升能力而进行的课程体系与教学内容方法手段的全面改革，该项目建设了一批综合性、设计性、研究性和可开展创新性实验的实践模块，建成了含有11门课程并以三个实践基地为主的多功能实践大环境，将课堂教学、实践教学、课外科技活动和创新实践组成了一个完整的体系，形成了全新的、相对独立性的实践教学体系。经过几年的实践，提高了非电类专业实验教学质量和水平，学生的实践能力、学科综合能力、工程实践能力、创新能力有了明显提高。

图1

一、教学内容改革

在分离课程整合重组后，构建了相对独立的电类理论和实践课程新体系，在教学内容的组织上以实现机电信息结合与创新意识和能力的培养为目标，精选、整合、重组并改造旧的实验内容，同时结合工程实践课题、学生的创新成果以及教师的科研成果设计综合性、设计性、研究性和创新性的实验项目；增强现代实验教学理念，实现不同学科、专业间交叉渗透；对实践教学内容进行整体优化。整个教学内容充分体现了机电控制信息一体化的知识结构要求，加强了机电控制信息技术与本专业知识的交叉融合，突出了创新之源在实践的指导思想。为此新开设3门新的实践课程——“机电基础实践”、“电工电子实践”、“机电综合实践”，在11门课程中已有6门重新编写了新教材——《电工电子实践》、《机械工程控制基础》、《机械工程测试技术》、《机电基础实践》、《机电控制技术》、《机电综合实践》，其中前两门教材列入国家“十五”规划，另四门列入东南大学“十五”规划，其他教材也在改编之中。

二、建设多层次的实践教学体系

实践环节是创新教育中极为重要的组成部分，实践是创新之源、实践是创新的基础。创新实践环节由创新认识、创新实验与实训以及创新活动三个部分组成。创新认识侧重在认识机电系统构成与原理的基础上，了解创新产品的设计思路与规律；创新实验与实训提供创新实验与训练，培养学生动手创新的能力，开拓学生设计与制造知识的视野；创新活动包括参加创新综合训练、组织申报创新大赛等活动，是对学生创新学习的全面整合与进一步深化，学生的创新成果既是一种示范也是学习的小结。

构建体现现代实验教学理念、相对独立于理论课教学、有非电类专业特点的两个教学体系，每一层次均体现了综合—分析—综合的认识规律，实践—综合—创新的教学模式，学习是基础—思考是关键—创新是根本的教学要求。

1.土木建筑交通专业类电类课程体系的两个层次

第一层次：机械工程概论（含认识实习）、机电基础实践（与机械制造基础实践和现代制造技术实践相关联）、创新综合训练。

第二层次：建筑电工，智能建筑，建筑电工/智能建筑实践、创新项目活动及SRTP。

土建交通类专业电类课程实践体系结构框图见图2。

图2

2.机械动力材料专业类电类课程体系的三个层次

第一层次：机械工程概论（含认识实习）、机电基础实践（与机械制造基础实践和现代制造技术实践相关联）、创新综合训练。

第二层次：电工技术、电子技术，电工电子实践；实验设计竞赛与创新项目活动。

机械动力材料类专业电类课程实践体系结构框图见图3。

图3

第三层次：微机原理及应用、控制工程基础、测试技术、液压与气动技术、机电控制技术，机电系统测控实验、机电控制基础实验、微机综合实践、机电综合实践和机电系统创新设计。

具体课程实践内容也分为三个层次：基础层、提高层、综合应用层。基础层是针对基本的教学要求；提高层则横跨课内外，对于优秀学生可以在课内完成，普通同学则在课外完成；综合应用层，均在课外完成，通常是结合创新实践和创新项目来实施。因此一般是在课内提出问题和任务，让有兴趣的同学利用课外时间走进实验室，自主完成任务。由此也解决了课内课时少和学生难以学到自己感兴趣的内容问题。

经实践检验，按改革后的实践教学体系修订了教学大纲并修改了教学计划，制定、修订了实验教学各项管理规章制度和管理办法。

三、培养学生主体意识并营造创新的外部环境

1.摆脱简单的传授、验证模式，引导学生自主学习，夯实“三基”，以培养学生综合运用知识和创新实践能力为目标，建立一整套教学质量监控保证体系。

2.基础实验模块提供菜单供学生自主选择组合，综合实验室与创新训练实验室的实验内容由学生根据自己的爱好和知识背景自由组合并自主实施。

3.基础实验室实现预约开放，综合实验室与创新训练实验室全部全方位开放。

4.将研究生培养、科研开发与本科生实验教学相结合，开发贴近科研、工程实际的综合性、设计性、研究性实验项目和实验装置，开发智能型实验装置和智能型实验室。

5.从1999年开始试行建立创新实践学分制度，用此办法鼓励大学生在完成课内实验后，主动进入每个层次的创新训练实验室，开展创新实践活动和申请SRTP项目，加上大力开展二课活动，从而突破课内学时限制，建设课内外相关联的进行综合训练、创新训练和培养学生创新能力的开放式的创新实践大环境及管理机制，为学生参加SRTP项目、创新开发实践和教师的科研活动创造了良好的条件，自然地实现了因材施教。

6.建成课题型研究性的全开放大型综合实践，既突现了多学科交叉综合，又利于在实践内容广度和深度上的开放，增加学生的参与机会，给学生传授创新设计的基本理论与方法。不仅向学生提供足够的理论知识，还通过大量实际工程设计问题，使学生与教师一起步入知识的创造过程，参与知识的应用过程，掌握获取知识的能力，同时也培养了学生的工程能力和综合素质，为使学生具备掌握现代设计理论与技术去解决实际问题的能力奠定扎实的基础。

7.多功能实验室是开展创新教学的主要支撑，共有机电系统综合Ⅰ、机电产品拆装、创新综合训练、机电综合实践Ⅱ、机电系统创新设计等7个多功能实验室。

四、强化多学科知识的交叉融合，提高创新设计能力

创造力是人的心理活动在最高水平上实现的综合能力。创新实践训练不仅依赖学生的基础理论知识，还依赖于学生对机电系统的感性认识。针对学生思维方式的特点，在实践教学中，除要求学生比较牢固而又全面地掌握基础理论和专业知识外，更重要的是加强学生各种能力的培养，特别是创新思维的训练，提出问题、分析问题和解决具体问题的能力，工程设计能力等。创新实践选题要从培养学生创新设计能力出发，强调使用现代设计手段，注重机电知识与现代设计方法应用，注重多学科知识的交叉融合，以期对学生有一个较全面的训练。

创新实践实验室目前有FISHER创意模型、日本安川工业机器人、Festo单元式自动化制造过程教学系统、Siemens可编程控制器，以及美国Rockwell公司捐赠的先进的控制设备等等，可开展以下层次的创新训练和创新实践：

1.机构搭接实验

学生根据对象的功能要求，对机构进行总体方案设计，通过机构搭接台，按比例搭接所设计的机构，并观察其运动情况，验证设计是否满足功能，做进一步地改进设计。

结构搭接实验：同样根据设计要求，利用结构搭接台采用较少的零件，组合设计与装配出各种典型轴系结构，进一步熟悉和掌握结构设计的基本内容。

2.机电系统仿真搭接实验

要求学生理解机械零部件、机构、结构、传感器、计算机、电气零部件和功能模块的结构、组成与功能。确定机电系统的组成方案，通过机电系统的搭接拼装、线路连接、联合调试与运行以及系统的性能测试与分析，提高学生对机电系统的认识、理解和应用能力，锻炼创新能力，掌握创新设计方法，提高工程实践能力。使学生对机电系统有一个综合的、全面的了解。

3.机电系统模拟实验

利用工业用零部件和功能模块通过开发制作了物料传输与控制、电梯模型、机电综合控制实验装置、自动化制造过程教学模型、开放式机器人等一系列具有代表性的机电系统，让学生在模拟工业现场的环境中完成创新训练和实践，从而使他们真正学会怎样把所学知识运用到实际中去。这些对象在深度和广度上都有较大的拓展空间，因此这些工作本身很有意义，也很有挑战性。

五、实践教学队伍建设

加强责任意识进行制度创新，由教师担任实验室主任和实践基地负责人，参照教学科研人员考核规范以及实验室工作的特色、制度完善了实验教学人员的考核标准，对开放实验室承担创新实践项目、指导学生参加学科竞赛或指导学生SRTP项目，实行按项目与效果给予工作量补贴。

实验技术与管理队伍建设稳步发展。目前在三个实践基地承担实践教学和教学管理工作的有3名教授、8名副教授与高级工程师，博士研究生4名（2人在读）、硕士研究生9名（3人在读），整个实验教学队伍职称、学历、年龄结构日趋合理。

六、科学研究、实验教学成果

1.申报各级教学研究课题19项、承担科研课题15项。

2.获国家、省、校级教学改革成果13项，其中国家级教学成果二等奖1项、省一类优秀课程1门、省优秀课程群1项，新编教材6部，11门课程都制作了多媒体课件，7门课程制作了网络课程，其中3门网络课程获省多媒体课件竞赛二等奖，发展教学研究论文19篇。

3.该项目自实施以来，已对非电类专业（必修）和全校各专业（选修）实践了5届，每年有近3000名学生参加了学习与实践，撰写了近2000篇有特色的创新小论文和创新总结，教务处专门刊印了《创新活动收获荟萃》和《创新基地活动集萃》文集十多期。

4.申报立项创新项目47项。

5.指导SRTP项目14项。

七、实践基地建设成果

在课题实施期间，“211”工程、世行贷款项目、教育振兴行动计划以及学校专款向课题组的三个实践基地投入仪器设备费约1200万元，由于经费到位，对实践基地的再建设和创新实践教学功能的再提升得到了充分的保证，增强了实验室功能，确保了本项目教学改革目标的顺利实现。

教改成果既体现在实践教学体系的形成、教材建设以及建成40多项新型实践模块和三个创新实验室，更体现在三个层次的实践基地的整体建设方面：

第一层次工程训练中心的建设成果荣获了2001年国家级教学成果二等奖，其建设的核心课程“机电基础实践”于2002年被评为江苏省一类优秀课程；

第二层次电工电子中心的建设工作在全国十大电工电子基础课程教学基地中期评估中名列榜首获得肯定，其建设的核心课程“电工电子实践课程群”被评为江苏省优秀课程群；

第三层次机械实验中心的实验室建设也取得了江苏省优秀实验室称号，主要建设课程的教材被列入国家“十五”规划。

教改项目实施以来利用我校多学科的优势，初步实现了以机电控制信息结合为主线的非电专业电类课程教学改革的目标，实现了学科交叉渗透融合，我校非电专业电类课程的实践教学质量和水平得到了稳步提升，已形成培养具有较强知识融合能力、创新能力和工程实践能力大学生的有效实践教学新体系，推动了我校相关专业实践教学改革的进程。