機械工程專業(yè)課程的層次化與模塊化實驗教學體系改革探索與實踐*

劉德福，何玉輝

(中南大學機電工程學院，湖南長沙410083)

中南大學機電工程學院現(xiàn)設有“機械設計制造及其自動化”、“車輛工程”及“微電子制造工程”三個機械工程類專業(yè)，是一類實踐性非常強的工科專業(yè)。實驗教學是機械類專業(yè)課程教學過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對鍛煉學生的實踐能力、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量有著極為重要的意義［1－3］?，F(xiàn)代機械設計制造業(yè)與過去相比，發(fā)生了很大的變化。一是生產(chǎn)模式由“規(guī)模化、少品種、大批量”向“敏捷化、多品種、小批量”轉(zhuǎn)化;二是以信息技術為核心的高新技術向機械設計制造行業(yè)的滲透，使機械設計制造技術發(fā)生了根本性的變革，機械裝備也是涉及機、電、液、光、計算機、控制等多技術集成的產(chǎn)品。這些變化使社會對機械專業(yè)人才的素質(zhì)提出了新的要求，應該具有較寬的基礎知識，相應的專業(yè)知識，較強的實踐能力，較高的綜合能力和創(chuàng)新能力［4－5］。但傳統(tǒng)的機械工程專業(yè)課程實驗教學已經(jīng)無法滿足學生的需要，建立適合教學發(fā)展、適應社會需求的機械工程專業(yè)課程實驗教學新體系已勢在必行。本文在分析傳統(tǒng)機械專業(yè)課程實驗教學存在的問題基礎上，提出建立層次化與模塊化的機械專業(yè)課程實驗教學的新體系，開展了實踐探索，取得了較好的效果。

一、改革前機械專業(yè)課程實驗教學存在的問題

近年來，在機械工程專業(yè)課程實驗室建設方面，很多高校做了很多有益的探索與實踐，并取得了一定的成效。但每個高校都有各自的實際情況，探索適合我校校情的實驗室建設模式是當前實驗室教學改革的重點。改革前，我院有關機械專業(yè)課程的實驗室建設的主要問題表現(xiàn)在:

(1)實驗方法落后，實驗內(nèi)容陳舊。實驗教學以教師為中心，教學方法大多為灌輸式，學生只是被動的學習實驗方法和技能;演示性、驗證性實驗項目比例過高，許多實驗就是一個工具的使用或者是一種測量方法，綜合性、創(chuàng)新性、開放性的“三性”實驗項目比例過低，實驗內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性，使得學生對基本實驗能力的訓練不到位。

(2)重理論輕實驗，評價方法偏面。長期以來，機械專業(yè)課程教師制定教學計劃、教學大綱，習慣于將專業(yè)實驗課附屬于專業(yè)理論課。無完整的機械專業(yè)課程的實驗教學體系，只有理論課程教學體系，現(xiàn)有的實驗項目的設置不夠合理，少有整合多門理論課程、多個知識點的綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗項目，不利于實驗課程的分層設置，不利于學生的個性化培養(yǎng)，不利于學生的綜合能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不利于學生綜合素質(zhì)的提高。實驗成績也沒有計算到課程總成績當中或計算比例很低，并且評價方法偏面，主要依據(jù)實驗報告評價學生的實驗能力，缺乏對學生綜合知識、創(chuàng)新能力、動手能力以及非智力因素(鉆研精神等)的考察，使得學生不重視實驗實踐能力的培養(yǎng)。

(3)專業(yè)課程實驗室建設的投入不足。學校對基礎教學實驗室的投入比較重視，而專業(yè)實驗室建設經(jīng)費的投入比例過低，造成應用于機械專業(yè)課程實驗的儀器設備更新不足、臺套數(shù)偏少，能反映現(xiàn)代機械設計制造技術水平的高精尖大型儀器設備稀缺，特別是少許專業(yè)課的實驗條件基本為空白，使得教師、學生無法完成“三性”實驗的設計與實施。

(4)實驗室管理體制相對落后。改革前，為全校性工科基礎課程機械制圖、機械原理、機械設計、機械工程材料等基礎課程服務的實驗室已整合為“機械基礎實驗教學中心”，取得了較好的效果［6］;而為機械工程專業(yè)課程服務的機械制造及其自動化、模具設計與制造、機械電子、車輛工程、材料成型及控制、現(xiàn)代工程裝備設計與控制、微電子與光電子制造等7個專業(yè)實驗室，分屬于5個不同的系(所)，實驗人員也從屬于各系(所)，各專業(yè)實驗室條塊分割、壁壘森嚴，造成一些弊端:各專業(yè)實驗室相對獨立，設備共享困難、人員交流不暢，使得資源利用不合理甚至重復建設;不同專業(yè)實驗室的某些實驗重復設置，實驗安排不盡科學;實驗內(nèi)容只能在各專業(yè)方向范圍內(nèi)進行小綜合，無法跨專業(yè)或?qū)I(yè)方向進行大綜合，不利于實驗室的開放。

二、實驗教學改革思路

按照機械學科的特點和發(fā)展趨勢，以“加強基礎、突出創(chuàng)新、開拓思維、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)”作為機械工程專業(yè)課程實驗教學改革的指導思想，對機械專業(yè)課程的實驗教學進行系統(tǒng)設計，完善機械類專業(yè)人才培養(yǎng)方案，實施“三個轉(zhuǎn)變”(即:使學生從知識的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的主動探索者，使單純的知識傳授過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹R、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的培養(yǎng)過程，使注重共性教育轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貍€性教育)，樹立以學生為主體的教育思想，培育學生主動創(chuàng)造性、合作研究式學習方式。強化培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，建立一套具有系統(tǒng)化、創(chuàng)新型、實踐型、高起點的機械工程專業(yè)課程實驗教學新體系，重點做好以下幾方面的改革工作。

(1)理順實驗室管理體制。將依附于各系(所)的專業(yè)實驗室獨立出來，合并組建成“機械工程專業(yè)實驗室”，專門負責各專業(yè)課程的實驗實踐教學，按照其功能及所服務課程的類別，統(tǒng)一布局，資源共享，組合成若干個專業(yè)實驗平臺。實驗室組成人員包括實驗教師、實驗技術人員。

(2)改革實驗教學體系。以培養(yǎng)學生的工程實踐與動手能力、創(chuàng)新與綜合設計能力、運用現(xiàn)代技術解決工程實際問題的能力為宗旨，以機械專業(yè)課程體系和教學內(nèi)容的改革為核心，按循序漸進的認識規(guī)律，完善以“技術基礎型實驗、綜合型實驗、開放創(chuàng)新型實驗”三個層次為整體構架、適應人才培養(yǎng)需求的機械工程專業(yè)實驗教學新體系。

(3)教學與科研相互促進。依靠國家級一級重點學科——機械工程的學科優(yōu)勢，突出反映“有色金屬材料制備工藝與裝備”、“微電子與光電子器件封裝技術與裝備”、“數(shù)控加工技術與裝備”的特色和創(chuàng)新理念，將科研實驗儀器對學生開放使用、將科研成果教學化、將科學研究方法的核心用于實驗教學、將機械設計與制造的科學原理拓寬引申到工程技術應用和學生的創(chuàng)新實踐。更新實驗項目，使機械設計與制造實驗體現(xiàn)時代性和技術先進性，配備一批前瞻性強、品質(zhì)精良、數(shù)量充足、組合優(yōu)化、滿足現(xiàn)代機械設計與制造實驗教學要求的儀器設備。

(4)實行全方位開放式教學。必修與選修結合，課內(nèi)與課外結合，加強專業(yè)理論課程與實驗課的整合，打破原有的實驗教學完全附屬于理論教學的舊模式，建設獨立于理論課的機械工程專業(yè)實驗課程體系，以滿足各類學生的需求，學生可根據(jù)興趣、愛好，自由選擇實驗項目和實驗課程，實行個性培養(yǎng);努力創(chuàng)造學生自主實驗、個性化學習的實驗環(huán)境，建立能適應學生能力培養(yǎng)要求，能推進學生刻苦鉆研、自主學習、合作學習、研究性學習的教學模式。對不同層次的實驗采取不同的教學方式，做到因材施教，充分發(fā)揮教師的引導作用和學生的主體作用，注重實驗設計思想和綜合實驗能力的教育。

三、實驗教學改革實踐

在借鑒國內(nèi)外其他高校機械工程專業(yè)實驗室建設經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)以上改革思路，結合我校的實際情況，從以下幾個方面對實驗教學模式進行了積極的探索。

(一)理順實驗室管理體制，組建創(chuàng)新型機械工程專業(yè)實驗室

堅持“方向明確、規(guī)劃合理、重點突出、特色鮮明、改革創(chuàng)新”的原則，將各實驗室從系(所)中獨立出來，整合資源，整合為機械工程專業(yè)實驗室，根據(jù)功能布局下設數(shù)字化制造技術與裝備等6個實驗平臺，如圖1所示。組建機械工程專業(yè)實驗室后，實驗室由原來的“分散型管理模式”演變?yōu)橹睂賹W院統(tǒng)一管理的“集中型管理模式”，面向機械工程一級學科，立足本科實驗教學，兼顧研究生實驗教學。

圖1 機械工程專業(yè)實驗室組織結構圖

(二)建立層次化和模塊化完的機械工程專業(yè)實驗教學體系

依據(jù)我校綜合性創(chuàng)新型大學的辦學要求，突破原有的將所有實驗教學完全附屬于專業(yè)課程理論教學的模式，除保留、整合一批原來按機械工程分支學科設置的傳統(tǒng)基礎實驗項目外，還根據(jù)各專業(yè)及專業(yè)方向的特色，新建了一批綜合多門理論課程知識、但又獨立于理論課程的專門實驗教學課程。為全面提高學生的實驗知識、實驗技能、工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力，以基本能力訓練為基礎，以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以工程應用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，整體優(yōu)化設計，加強基礎，拓寬專業(yè)知識面，培養(yǎng)學生機械設計、制造、控制、材料、力學、計算機等多方面的綜合實踐能力，按照學生的學習、認知規(guī)律，構建以“三個層次”、“十個模塊”為整體構架的機械工程專業(yè)課程實驗教學新體系，如圖2所示。

第一層次:技術基礎型實驗。該層次的實驗主要培養(yǎng)學生的基本技能，主要為驗證型實驗，使學生接受機械設計與制造技術“基本知識、基本方法、基本技能”的訓練，學習并掌握常用實驗儀器設備使用等方面知識，在實驗內(nèi)容和方法上有較寬的覆蓋面，為綜合性、設計性實驗打下基礎。

第二層次:綜合型實驗。該層次的實驗是體現(xiàn)機械設計、制造、控制、力學、材料、計算機等知識的綜合運用而開設的一系列綜合型實驗，為學生提供了廣泛的選擇余地，學生可根據(jù)專業(yè)或?qū)I(yè)方向選擇不同的實驗模塊。目的是培養(yǎng)學生實踐動手能力和解決工程實際問題的應用能力，使學生由“僅有所知”變?yōu)椤澳苡兴鶠椤?，促進其理論知識與實踐能力的有機融合，成為培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

第三層次:開放創(chuàng)新型實驗。該層次實驗是結合學生科技活動、機械創(chuàng)新設計大賽、教師科研項目等，由教師引導，在明確實驗目的、要求和提供實驗設備器材的條件下，以學生為主體，由學生自行選題、自擬方案、自選儀器、自主進行實驗設計與操作，通過設計性實驗培養(yǎng)學生的實驗設計能力、獨立實踐能力、創(chuàng)新能力。注重開發(fā)難度適中、設計性強、工藝方案多、思考余地大的實驗作為開放創(chuàng)新型實驗項目。

不同層次各個模塊的實驗采用實物實驗與虛擬仿真實驗相結合、必做實驗與選做實驗相結合的形式。根據(jù)專業(yè)或?qū)I(yè)方向設置的“機械工程專業(yè)實驗模塊”為獨立設置的實驗選修課程，其實驗教學內(nèi)容、項目設置、學時計劃、進度順序安排要與理論教學協(xié)調(diào)銜接。實驗教學內(nèi)容與系列專業(yè)課程建立了有機聯(lián)系，系統(tǒng)地向?qū)W生展示了先進制造業(yè)的新模式與新技術;使學生在問題的觀測與判斷、創(chuàng)造與評價、建模與設計、仿真與制造的實驗過程中，提高其實踐能力和創(chuàng)新意識。

圖2 機械工程專業(yè)課程實驗教學體系

(三)強化專業(yè)實驗室?guī)熧Y力量

通過實驗教學對學生進行創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實驗指導教師極其關鍵。創(chuàng)新性實驗教學對教師提出了很高的要求。長期以來，我國高校機械工程專業(yè)普遍都是重視課程的理論教學，優(yōu)秀教師大都集中于理論課教學，將學歷相對較低的教師甚至工人安排在實驗室對學生的實驗課進行指導，使得實驗教學的師資力量大打折扣。為提高實驗教學的師資力量，建立一支適應實驗教學改革的教學師資隊伍，學院采取了如下相應的管理、保障與激勵措施，有效地調(diào)動了實驗教師和實驗室技術人員的積極性，提高了實驗教學隊伍的思想素質(zhì)和業(yè)務水平，為機械專業(yè)課程實驗教學的可持續(xù)發(fā)展提供了可靠的保障。

(1)引導和激勵高水平教師積極投入實驗教學

通過“三位一體兩結合”(教學、科研、學科融為一體，教學與科研相互結合，實驗課師資隊伍建設與學科建設相互結合)，打造實驗教學隊伍成長的環(huán)境和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的平臺，突破實驗教學、理論教學與科研之間的瓶頸，給實驗課程教師提供一個良好的教學和科研結合的平臺，從體制上保證實驗課教師不脫離理論教學和科學研究，有效地提高了實驗教學隊伍的學術水平。

通過“三位一體兩結合”，促進了實驗課程教師、理論課程教師與科研教師身份的融通。吸引了學術水平高的教師充實到實驗教學隊伍中來，穩(wěn)定了實驗室教師隊伍，形成了有專家教授作指導，以中青年教師為骨干，擁有充足實驗室技術人員的實驗教學隊伍。

(2)健全與落實實驗教學隊伍培養(yǎng)培訓制度

通過選留優(yōu)秀畢業(yè)生增添新鮮血液，通過引進人才改善結構，通過在職培養(yǎng)提高師資水平。對每位新進的青年教師由一名具有豐富實驗教學經(jīng)驗的教師擔任指導教師，根據(jù)工作崗位要求制訂培養(yǎng)計劃，進行1－2年的具體教學指導;鼓勵青年教師和實驗技術人員積極參與教學改革實踐，在教學、教改實踐中提高業(yè)務水平。強調(diào)教學與科研緊密結合，師資培養(yǎng)與學科建設相結合，依托學科優(yōu)勢，優(yōu)化教師的知識結構，提升教師的實驗教學水平。

(四)完善實驗教學方法

在實驗教學方法上，之前的機械專業(yè)課程實驗教學都使用固定模式，教師將實驗目的、實驗方法、實驗流程、實驗結論都先向?qū)W生進行詳細的降解，實驗教師的教學重心僅局限于實驗內(nèi)容本身，而對實驗所蘊涵的科學內(nèi)涵及其社會應用價值規(guī)律挖掘不夠，學生只要跟著教師的講解，按步驟將實驗完成即可。這樣的教學方法，學生總是處于相對被動的狀態(tài)，學生雖然動手進行實驗，但是對實驗內(nèi)容的理解并不深刻，使得實驗教學效果大受影響。在完善實驗教學方法方面，應充分發(fā)揮學生的主體作用，將學生置于自主實驗的情境中，從實驗項目的選擇、實驗時間的確定、實驗方案的設計與可行性分析到實驗結果的分析與研究等各個環(huán)節(jié)，全程強化學生自主學習意識，營造開放式、引導式、研究式的教與學的實驗環(huán)境，有效調(diào)動學生對實驗課的積極性，促進其個性發(fā)展。為使學生的“知識、能力、素質(zhì)”全面協(xié)調(diào)發(fā)展，采取以下方式完善實驗教學方法，以提高教學效果。

(1)全開放模式、自主式學習

實驗室建立了運行良好的開放式教學管理機制，實行教學時間開放、實驗項目開放、面對所有學生開放的“三開放”模式。從實驗項目的選擇、實驗方案的設計與可行性分析到實驗結果的分析與研究等各個環(huán)節(jié)，全程強化學生的自主學習意識和主體地位。在實驗教學中堅持“五個結合”:必做項目與選做項目相結合、教師引導與學生自主學習相結合、虛擬實驗與實物操作相結合、課內(nèi)與課外相結合、知識考核與能力評價相結合，以保證自主學習的效果。

(2)引導式、研究式教學

引導式、研究式教學貫穿于實驗教學的全過程，體現(xiàn)教師在實驗教學中的主導作用。實驗中啟發(fā)學生擴展出內(nèi)容相關的小型設計性實驗，使傳統(tǒng)實驗體現(xiàn)創(chuàng)新;綜合性實驗過程中引導學生對知識結構、關鍵技術和實驗方法進行分析歸納;而設計性實驗則由學生獨立設計、自行完成。同時，將創(chuàng)新研究實驗與科研實際接軌，充分利用教師的科研資源，高年級本科生直接參與到教師的科研項目與課題，既促進了人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，又可促進科研成果轉(zhuǎn)化為實驗項目，解決了“創(chuàng)新型實驗”的源頭問題。

(3)積極組織學生開展創(chuàng)新實踐活動

實驗室積極實施學校制定的“中南大學學生科技創(chuàng)新行動計劃”，引導學生申報“中南大學學生創(chuàng)新教育基金”。我校多次組織主辦了“湖南省金工設計制造競賽”、“湖南省機械設計創(chuàng)新大賽”，還積極組織學生參加“中南地區(qū)港澳特區(qū)金工設計制造競賽”、“全國大學生機械設計創(chuàng)新大賽”、“全國大學生挑戰(zhàn)杯競賽”等創(chuàng)新大賽，參與學生近千人，獲得省級及國家級獎項200余項，取得了令師生滿意的實驗教學效果。我校于2008年獲得全國大學生機械設計創(chuàng)新大賽組織獎;2009年又獲得湖南省大學生機械設計制造創(chuàng)新競賽組織獎。2008年以來，我院本科生供貨國家專利6項、發(fā)表科技論文35篇。2009年，全國高校僅有兩件創(chuàng)新作品參加了全國科技活動周活動，我院劉舜堯教授指導的《“福娃”爬桿清潔除冰智能機器人》即為其中之一;2010年，我院學生設計的“多功能電動輪椅”作為全國8個大學生創(chuàng)業(yè)項目成果之一再次參加了全國科技活動周活動。兩項作品均得到了中央政治局委員劉延東、科技部部長萬鋼等領導的高度評價。

四、結語

在經(jīng)過一系列改革和探索后，我院機械工程專業(yè)課實驗室堅持以學生為中心，以教師為主體，狠抓實驗教學質(zhì)量，得到了學生的歡迎和認可，得到了教師和教學管理人員的贊同與支持，收到了良好的教學效果。

(1)調(diào)動了學生對實驗學習的積極性。良好的實驗教學環(huán)境和豐富的教學內(nèi)容，極大的激發(fā)了學生的學習興趣和求知欲望，學生重視實驗課程，珍惜動手實踐的每一分鐘，虛心求教，愿意討論，實驗教學現(xiàn)場呈現(xiàn)濃厚的學習氛圍。學生能夠主動進入實驗室，能夠與指導教師進行一些深層次的討論，教師也體會到了教學相長的無窮魅力。

(2)學生的動手能力和工程素質(zhì)有較明顯的提高。通過多層次實驗教學鍛煉和創(chuàng)新設計的磨練，學生的才智與潛力得到了充分的發(fā)揮，來自學校教學質(zhì)量評價系統(tǒng)、研究生培養(yǎng)部門或用人單位的反饋意見表明，強化機械專業(yè)課的實驗教學對學生綜合能力的培養(yǎng)起到了重要作用。近幾年來，學生的綜合工程素質(zhì)也有了明顯提高，在省級和國家級機械創(chuàng)新大賽中取得了驕人的成績。

［1］羅意平，潘迪夫，文振華．面向新世紀機械專業(yè)本科人才培養(yǎng)的教學改革探索與實踐［J］．廣西高教研究，2002，(3):83－85．

［2］謝黎明，靳嵐，沈浩，沙成梅．機械設計制造機器自動化專業(yè)實驗教學改革［J］．實驗室研究與探索，2009，28(4):128 －130．

［3］彩紅，毛立民，孫志宏．加強學生綜合實踐能力培養(yǎng) 改革機械專業(yè)實驗教學［J］．東華大學學報(社會科學版)，2010，10(3):246－248．

［4］楊叔子，吳波．先進制造技術及其發(fā)展趨勢［J］．機械工程學報，2003，39(10):73 －78．

［5］楊叔子，吳波．再論先進制造技術及其發(fā)展趨勢［J］．機械工程學報，2006，42(1):1 －5．

［6］云忠，王艾倫，湯曉燕．機械基礎層次化創(chuàng)新教學實驗體系建設［J］．長沙鐵道學院學報(社會科學版)，2009，10(1):69－70．