高等工程教育实践改革

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1实践教学改革的作用和意义

随着世界科技迅猛发展和全球经济的日益一体化,科技转化为产品的周期越来越短,产品更新也越来越快,因而创新教育的重要性就越显突出。创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。一个国家和一个民族的创新基础是具有创新意识的国民,尤其是具有创新能力的高层次人才。正是社会主义市场经济呼唤大量的具有创新精神和实践能力的复合型人才,高等工程教育只有适应这种需要才符合高等教育的办学方针,如果墨守成规,或者仅进行“微调”来应付,那是没有出路的。当前,我们只有站在新时代对人才的新要求高度,对工程教育的培养模式进行国际国内双向比较,确定创新、复合型人才为培养方向,并明晰创新和复合的形式、内容及其进程,这样才符合时代对工程人才的要求。基于此,现阶段高等工程教育的改革、创新型复合型人才的培养,都必须从今后的工程技术和生产的发展实际出发,把对人才的素质和特点的要求作为考虑问题的依据和前提进行工程教育的改革,都需要以系统观点和系统方法去观察研究和解决问题。众所周知,系统是由若干相互依存和相互作用的部分为达到某些特定目的所组成的完整综合体。系统的性能主要取决于其组成部分的配合与协同作用的优劣。系统的具体构成形式是系统的结构,结构是系统功能与质量的集中表现。教学过程全局作为一个系统,课程和有关教学环节(含理论、工程实践教学环节等)构成这个系统的组成部分,教学计划是系统的结构。由此可见,改革不能保持传统的教学模式和体系,仅改变个别课程和环节的内容和方法也不够,而应该对现有教学计划进行全面分析和评价,予以应有的扬弃,用系统的观点和方法建立新的体系结构,对课程进行合理的综合与集成,同时必须对教学方法、手段和设施进行改进,以形成面向21世纪的教学体系。

高等工程教育无疑是要培养工程技术人才,无论是侧重工程技术,还是侧重工程科学,他们都是未来的工程专业人士,都必须以工程实践为基础,以实践作为立足的根本。作为高等教育结构中的重要组成部分——实验(实践)教学,它承担着科学研究、知识创新、教学改革和教书育人等学校的主体工作,它对于学生思想政治素质、工程素质、科学素质、文化素质、身心素质等综合素质的培养具有不可替代的作用,尤其是对于学生创新能力的培养,具有其独特的地位和作用。它是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。如果创新精神和实践能力不在学校里加以启迪和培养,便会延长学生把知识转化为社会生产力的进程,也必然会影响到整个国家和民族进步的步伐。综上所述,围绕高等工程教育的培养目标和对人才的素质要求,提出如下改革方案。

(1)构建科学优化的、与理论教学环节相辅相成的实验(实践)教学体系。编写系列的实践教学大纲、教材、指导书、报告书等一整套实践环节教学资料,独立设置实验课。以“开放实验室”为依托,在实验(实践)内容改革中,依据信息学科(专业)特点,按照“由浅入深、循序渐进”的方式,进一步有序地构建起一个与理论教学体系相匹配,相互联系、相互补充,由单项到综合性、设计性与研究性的相对独立的实践教学体系。在基础实验中注重基础知识的理解,基本技能的训练和整个实践环节的思维和过程训练;在综合性实验中突出培养学生对相关知识的融会贯通,让学生提出问题、分析和解决问题,不断提高实践能力和创新能力;在设计性和研究性实验中,给学生更大的自由空间,学生自己设计思路、总体方案和实验步骤,充分发挥学生的能动性和主体性,培养勇于探索的创新思维和创新能力。

(2)坚持科学、规模、结构、质量、效益协调发展的原则,拓宽专业口径,构建信息与电气工程大平台,将相近学科的实验室“联合共建”,形成“大概念”、“全方位”实践基地,以扩大其规模效应。建立一个现代化、多功能、多层次、立体型、开放型的工程综合训练中心。

(3)建立“开放实验模式和基地”,实行资源共享。学生随时可以到实验室做实验,把实践基地作为多学科的交叉领域和融合点,这更有利于激发创新的火花;实验内容上的开放,学生可以运用所学知识,自己拟定实验课题、实验内容、实验条件和步骤,进行创新地研究和探索。真正使实验室成为知识运用、知识融合、知识创新的基地,成为培养学生综合素质的基地。

(4)改革考核方法,建立工程创新人才的质量评价体系。既考核学生知识掌握情况,又考核学生能力,更注重学生创新精神。

2实践教学改革的国内外双向比较

20世纪70年代以来,以高技术为标志的新技术革命迅猛发展,所有重大科学技术领域几乎都处于巨大的变革之中,尤其是市场竞争激烈化与国际化中优势的争取,都使得对高质量工程技术人才的需求空前迫切。发达国家无不把培养一流的工程技术人才放在突出重要的地位。同时也日益深切地认识到传统的高等工程教育存在的问题,以及学生培养质量与实际发展需要之间不相适应的严重性。世界各国,特别是美国、德国、日本等发达国家,从80年代中期开始,大力推行高等工程教育改革,取得了重要的成效和经验。改革的主要内容是在培养人才的类型和要求上、教学思想上、课程体系结构和教学方法上进行重大转变,突出特点是加强工程素质培养,课程的综合与集成,教学手段与设施的高技术化。1994年美国Derxel大学Quinn教授在“传统工程教育必须改革”的论述中指出:二次世界大战以后,我们的工程教育几乎总是按照各自独立的课程顺序讲授的,极少涉及与工程的关系,更谈不上讲授它们在工程中的重要作用和应用。教学方法以教师为中心,很少考虑学生的学习兴趣和积极性,以致学生很长时间体会不到自己是在学习工程专业。我国学者李哲浩在论述教育改革时也曾指出:现行教学计划,一方面在体系上仍然沿袭50年代的模式,另一方面又确实在内容上发生了很大变化。而这些改变大都带有硬砍、硬压、硬加的性质,造成相当严重的畸形发展,甚至比例失调。

上世纪末,美国Cornell、Stanford、加州Berkely等8所大学联合进行的工程教育改革计划中,认为传统的工程专业课程是一个僵硬的、彼此分离、各自独立的课程序列。每门课程一般都局限于一个狭小的范围,且倾向于抽象化,似乎与工程实际不相关联。他们联合进行的工程专业教学改革五年计划,改革的核心思想是“综合”,其含义是指将设计在内的工程知识与社会上普遍关心的实际问题相结合的集成。为了改变僵硬、彼此分离、各自独立的课程序列的传统模式,在一年级就设置工程设计课,同时大力组织“综合课程”,大量开发“课程模块”。在教学手段上,建立“高技术教室”,“在现代化的实验室中学习”。美国国家科学基金会(NSF)作为美国政府的联邦机构来推动美国的工程教育改革,使得高等工科院校出现了几种变化:由科研优先、注重研究生,转向重视本科教育;开始重视与工业企业界的结合,重视工程实践;师资队伍由原来注重学术研究型开始转向注重工程型;改革、修订教学计划。与发达国家相比,我们的科学技术和教育发展的历史过程;当前水平、资源、制度和政策上,以及社会条件方面,都存在不同性质或不同程度的差别。但从科学技术和教育发展的规律来看,却有一定的共同之处。国内、外著名高校的办学特色是多种多样的,但其共同点是均有一流的实验室(工程中心)。而目前我们所面临的情况是,实验(实践)教学规模小,效率低,且实验多以验证性为主,管理封闭,实验手段落后。

不少学生不知“工程”为何物,加之设备陈旧,经费短缺,实习(实践)机会和场所不足,工程环境训练有名无实;不少高校开设的实践教学环节,内容陈旧,单一(按课程、专业分类)。实践教学未体现其科学性、系统性和综合性。随着市场经济体制的建立,参加工矿企业的实际课题,固然能培养学生的工程创新能力,但由于校外实践不可控因素多,无法保证每个学生都经受较全面的工程实践训练,且一般生产现场不便于亲手做试验。由此可见,现有实践教学已成为学校进一步发展的“瓶颈”,成为学科发展的制约因素和人才培养的薄弱环节。加强实践教学是大学人才培养的关键环节,也是当前各大学教学中受到制约最多、困难最大的一环。根据目前高校实践教学现状,为满足国家和社会对具有创新精神和实践能力的高素质人才的需求,把高等学校办成“培养创新精神和创新人才的摇篮”,遵循教育教学规律,建立一种具有系统型、综合型、创新型的工程训练基地势在必行。

3改革方案的实施

航空工程的先驱者、美国加州大学的冯•卡门教授有句名言:“科学家研究已有的世界,工程师创造未有的世界”。用术语来说,前者是“发现”,后者是“发明与革新”。这些区别与联系,向我们展示:工程自古以来就是以利用和改造客观世界为目标的实践。作为高等工程教育重要组成部分的实践教学与理论教学,两者紧密联系、相互依存、相互促进,彼此没有高低和主从之分。但是事实上,实践性教学环节长期以来一直处于辅助从属的地位。就目前的实验(实践)教学来看,其体制、实践内容和手段等都不能适应新时期教育发展的需要。主要表现在:①实验室隶属于各教研室,设备重复购置,利用率低,使本来就不足的经费更显不足;②依照课程设置实验,使实验项目凌乱,缺乏系统性;③实验内容陈旧,且多为验证性实验。针对上述状况,我们将实验、实践教学环节的改革与课程体系和教学内容改革配套,构建新的实验教学、工程实践及工程训练体系;将各个分散的专业实验室合并、改建为电子信息与电气工程大平台的实践基地,实行统一管理,以便于系统地考虑实践教学体系。

(1)遵循认识论原理和教育规律,打破原有以“课程”设置实验和按系(教研室)严格划分实验界限的条块分割局面,对实验(实践)基地进行调整和整合,消除小而全、低水平、低效益建设的弊端。按实用、先进、集中的原则,从管理体制、实验内容、方法、手段及实验条件等多方面进行全面规划。将现在开出的几十门课程的几百个实验进行整合、优化,重组实践教学体系。既要注意到各门课程的独立性,又考虑各门课程之间的连贯性及专业的系统性,进行分层次教学,形成验证性实验、设计性实验(含课程设计)、综合性实验等由浅到深、由简到繁,从接受知识到培养综合、创新能力的逐步提高的实践教学体系。把附属于理论课程的实验内容抽出来,按照三个不同层次的总体方案进行建设:基础实验及基本实验技能;专业综合技能培养;工程技能训练与科技创新。每门实验(实践)课程均制定完整的教学大纲,编写专门教材,且规定为学生必修课程,单独进行教学和考试,使学生受到较全面、系统的工程技能培养。如我们正在筹备的自动控制系统综合性实验,覆盖了可编程控制器应用、电力电子技术、接口技术、检测技术、控制技术及计算机技术等十几门课程。该实验平台既可以开设某一门课的实验,又可以根据学生所学的不同专业和学生的兴趣爱好开设各种综合性、设计性实验。

(2)我们经过充分调研、论证和多年努力,现已建成了一个初具规模的电工电子中心,基本解决了专业基础课的实践教学需要。拟进一步扩大电工电子中心规模,完善大电工平台功能,保证基础训练质量;在原电气信息类专业实验室基础上,遵循实践教学与学科重组和建设相结合、与教学改革的内容相结合、与科研及现代科学技术相结合、与学生课外科技活动的开展相结合、与校外实习基地的联建相结合的原则,改建一个跟踪现代科技发展、技术密集型的信息与电气工程技术综合训练中心。从工矿企业现场正在使用和推广使用的现代科学技术中采集和筛选了12个课题,每个课题配有多套实训装置,配置了基本的开发平台;依托现正在进行的国家自科基金项目“基于虚拟原型的虚拟实验室实现原理研究”,开发、构建“虚、实”结合,多功能、多目标、多用途的“虚拟实验室”创新、设计环境。在实践教学过程中坚持学、研、产相结合,强化学生工程实践训练,引导学生社团开展科技创新,以培养高素质的高级工程技术应用性人才。工程环境的营造,真正体现信息科学的现代化、柔性化和系统性、综合性。这是本改革方案的重心和实施的重要条件。

(3)具体实施计划:①进一步调研高等工程教育改革的现状和发展趋势,根据高等工程教育培养目标的定位,遵循认识论原理和教育教学规律,制定课题的三年总体规划、年度计划和实施细则。②为实现培养学生创新和实践能力的总体目标,对理论教学与实践教学环节进行总体设计,把四年的实践教学作为一个整体来考虑,建立实践教学四年一体化独立运行机制。③根据新的理论与实践教学体系,将理论和实践、知与行紧密结合,打破学科、专业壁垒,把“知、会、是”三者有机结合,重新整合教学内容,使实验、实习、设计、制作、调试相互结合。制定、编写(出版)一套行之有效的教学系列文件[实验(实践)大纲、实验(实习)计划、实验(实践)教程、考核评分标准与方法、实习图纸;实验(实践)规章制度、安全操作规程、安全管理制度]。④根据学校、系部学科建设整体规划,采用多学科融合方式,改建一个适应科学技术发展的对学生进行工程技能训练的形象化的工程综合训练中心。a.以强电为主的工程训练实践基地,含电机与电器、电力电子、PLC(可编程序控制器)、运动控制、电力系统及自动化等;b.以计算机技术为平台的信息与控制工程实践基地,含检测技术与智能仪表、信号采集与处理、单片机、EDA(电子设计自动化)、网络与通讯、计算机控制、过程控制等;c.以信息与控制研究所为依托,建立创新、设计型实践基地,含DCS(分散控制系统)、FCS(现场总线控制系统)、倒立摆控制系统、智能机器人等。⑤开发、建立“虚、实”结合的“虚拟实验室”,营造工程创新、设计环境。⑥严格工程训练与设计各环节的教学过程管理,确保教学质量。我们的目标是:从今后工程技术和生产发展的实际出发,把对人才的素质和特点的要求作为我们实施改革的依据。按照“由浅入深、循序渐进”的原则,遵循螺旋递升的创新能力培养规律,构建“基本训练-综合训练-工程实践”新的面向21世纪的实践教学体系;力争建成一个主动适应高等工程教育培养目标,具有国内领先水平的,能对学生进行信息工程技能综合训练的工程基地,使学生的工程创新、综合、应用能力提高到一个全新的水平。百年树人,功在未来,只要我们坚持不懈努力,积极投身改革,在人才培养上一定能够走出一条新路。