面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

摘要 本文從教學(xué)理念與改革思路、教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段、教學(xué)效果與成果等方面探討了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——天津大學(xué)機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)中心關(guān)于面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 機(jī)械工程 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 教學(xué)理念與改革思路

作為教育部和中國(guó)工程院共同實(shí)施的卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目的首批十所高校之一，天津大學(xué)非常重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重視國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)。2004年，天津大學(xué)投資3300萬(wàn)元建成15000㎡的實(shí)踐教學(xué)大樓，將原來(lái)分散的實(shí)習(xí)中心和各基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室以及專業(yè)實(shí)驗(yàn)室集中在一起，成立了機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)中心。

天津大學(xué)機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)中心圍繞國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)目標(biāo)，明確了長(zhǎng)期建設(shè)發(fā)展方向：

（1）圍繞學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)“培養(yǎng)理論基礎(chǔ)厚、專業(yè)口徑寬、實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高，具有社會(huì)責(zé)任感、國(guó)際視野和創(chuàng)新精神的高層次人才”進(jìn)行中心的規(guī)劃和建設(shè)。

（2）深化工程實(shí)踐教育改革，樹立以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，知識(shí)、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念；提升認(rèn)知、動(dòng)手、創(chuàng)新三個(gè)能力和整體綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

（3）構(gòu)建工程實(shí)踐教育體系，將實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)貫穿于現(xiàn)代工程教育的各個(gè)環(huán)節(jié)，用科研成果帶動(dòng)系列課程和教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)創(chuàng)新。

（4）整合優(yōu)化資源配置，與機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展緊密結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，以學(xué)科科研成果提升本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

2 教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容

2.1 建立與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，以能力培養(yǎng)為核心，分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

配合工程實(shí)踐教育改革，中心建立層次化、模塊化實(shí)踐教學(xué)體系。將實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)型實(shí)踐教學(xué)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)踐教學(xué)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)層次。形成了包括實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課內(nèi)外科技創(chuàng)新活動(dòng)等主要教學(xué)環(huán)節(jié)，貫穿于本科教育人才培養(yǎng)全過(guò)程的綜合工程實(shí)踐教育的新體系。

（1）基礎(chǔ)型實(shí)踐教學(xué)：面向本科低年級(jí)學(xué)生，培養(yǎng)基本的工程實(shí)踐能力。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，在教師指導(dǎo)下，按照既定方法和儀器條件，完成全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以深化課堂理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

（2）綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)：面向機(jī)械類和近機(jī)類學(xué)生，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識(shí)能力和一定的系統(tǒng)集成能力。學(xué)生經(jīng)過(guò)一個(gè)階段理論課和實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，完成一定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？梢栽谝婚T課程的一個(gè)小循環(huán)之后安排綜合實(shí)驗(yàn)，或在幾門課程之后安排較大規(guī)模的、較長(zhǎng)時(shí)間的綜合實(shí)驗(yàn)，在教師指導(dǎo)下，采用集設(shè)計(jì)與制作為一體的開放式教學(xué)模式進(jìn)行，主要目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和綜合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

（3）研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)：面向機(jī)械類高年級(jí)學(xué)生。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，開展創(chuàng)造性思維，確定實(shí)驗(yàn)方案。獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行綜合分析。培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考（科學(xué)研究）能力、組織能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

以我校黃田教授科研成果——Diamond 高速并聯(lián)機(jī)械手為載體，以其技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程為典型案例，將設(shè)計(jì)、制造和控制三大系列課程的主要內(nèi)容貫穿于機(jī)電產(chǎn)品的研究、創(chuàng)新與開發(fā)流程中，是以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)能力和系統(tǒng)集成能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力。并聯(lián)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)室面積120平方米，可同時(shí)容納一個(gè)班學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)貫穿了包括概念設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)/剛性動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維造型與運(yùn)動(dòng)仿真，工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、零件加工、裝配，機(jī)械手離線編程、控制系統(tǒng)搭建、程序網(wǎng)絡(luò)傳輸、運(yùn)動(dòng)控制等內(nèi)容系列課程的堂上案例教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)；使用同一載體，開設(shè)創(chuàng)新型綜合實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建可重構(gòu)的模組散件和控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)是以科研成果為引導(dǎo)的研究創(chuàng)新性教學(xué)——Research lead teaching，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的國(guó)際交流。這種基于“1+X”模式的教學(xué)改革與實(shí)踐，獲2009年第六屆高等教育天津市級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn) 28個(gè)，占54.9%；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)20個(gè)，占39.2 %；研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)3個(gè)，占5.9%。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)占總實(shí)驗(yàn)的45.1%。更新實(shí)驗(yàn)占總實(shí)驗(yàn)的15.7%。

2.2 教學(xué)內(nèi)容注重傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合，與科研、工程和社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系，融入科技創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不斷更新

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)方面，著重開展以下三方面的工作：

（1）規(guī)范基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行規(guī)范化管理，更新實(shí)驗(yàn)手段，修訂實(shí)驗(yàn)教程，完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高教學(xué)效果。

（2）加強(qiáng)數(shù)控等新設(shè)備、新材料、新工藝等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。利用世行貸款、天南大共建、“985”項(xiàng)目等建設(shè)經(jīng)費(fèi)，采購(gòu)一批數(shù)控車床、數(shù)控銑床、電火花加工等設(shè)備，加強(qiáng)數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

（3）采購(gòu)快速原型、教學(xué)機(jī)器人、MPS模塊化制造系統(tǒng)、激光焊機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備和儀器，用于實(shí)踐教學(xué)，籌建了金相實(shí)驗(yàn)室和熔模鑄造實(shí)驗(yàn)室，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

3 教學(xué)方法與教學(xué)手段

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，不斷引入現(xiàn)代技術(shù)，采用多媒體等教學(xué)手段，融合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造等多種方式輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如：通過(guò)多媒體資料作為實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)的輔助教學(xué)手段，擴(kuò)充學(xué)生對(duì)機(jī)械加工全面知識(shí)的認(rèn)識(shí)，開闊視野。在線切割實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，利用CAD、CAM軟件輔助教學(xué)，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代加工流程有直觀的認(rèn)識(shí)與了解。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的設(shè)計(jì)中，中心注重啟迪學(xué)生思維，注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、開辟校外實(shí)踐教學(xué)基地，組織大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等科技競(jìng)賽活動(dòng)，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

（2）建立適應(yīng)學(xué)生能力培養(yǎng)、鼓勵(lì)探索的多元實(shí)驗(yàn)考核方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。中心采用命題實(shí)驗(yàn)、自選實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)等多種方法，逐步形成以學(xué)生為中心的自主式、合作式、研究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。所有試驗(yàn)全部為學(xué)生親自動(dòng)手完成，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力。不同實(shí)踐教學(xué)模塊采用不同的考試制度和考試方法。對(duì)于獨(dú)立設(shè)課的綜合性、研究型、開放式實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考核學(xué)生的完成項(xiàng)目的思路、質(zhì)量、工作態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作精神和研究創(chuàng)新能力，并為此制定了詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，其中包括實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)總結(jié)等內(nèi)容。改革考試制度和考核方法讓學(xué)生真正體會(huì)到：考試是手段，真正學(xué)到本事才是目的。

中心鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和多人共同設(shè)計(jì)大型實(shí)驗(yàn)。例如：機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)及三維實(shí)體構(gòu)型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)旨在鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力以及熟練使用三維實(shí)體繪圖軟件的能力；實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生分組進(jìn)行，在具備一定的知識(shí)背景后，融入創(chuàng)新理念和方法，鼓勵(lì)學(xué)生從生活中觀察、討論、研究并確定每組各自的機(jī)器人方案，完成從概念設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)到產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計(jì)的過(guò)程。在成果展示階段，本組對(duì)各自機(jī)器人的名稱、功能、用途和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)等做詳細(xì)介紹，同學(xué)們自由提問(wèn)與當(dāng)堂解答的方式調(diào)動(dòng)了課堂氣氛，最終成績(jī)?yōu)楦鹘M互評(píng)和教師打分相結(jié)合。為學(xué)生在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)中奠定基礎(chǔ)。

4 教學(xué)效果與成果

中心以現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室為依托，以機(jī)械設(shè)計(jì)模型室為主要基地，建立貫穿于大學(xué)生認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)，以及課外科技創(chuàng)新活動(dòng)的綜合性開放實(shí)驗(yàn)室硬件環(huán)境。中心建立了面向?qū)W生課外開放的實(shí)驗(yàn)室，建立創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，成立大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)俱樂(lè)部?！按髮W(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)俱樂(lè)部”的功能是學(xué)生與教師、學(xué)生與企業(yè)之間溝通的平臺(tái)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)輔助機(jī)構(gòu)。俱樂(lè)部強(qiáng)調(diào)成功是一種財(cái)富，失敗同樣是一種財(cái)富，重在實(shí)踐；強(qiáng)調(diào)各類創(chuàng)新活動(dòng)，但并不以大賽獲獎(jiǎng)為目標(biāo)；強(qiáng)調(diào)跨專業(yè)的團(tuán)隊(duì)合作和知識(shí)的融合。組織不同年級(jí)、不同專業(yè)的學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。建立了多個(gè)學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)基地，例如：“天津金輪自行車集團(tuán)有限公司”、 “天津福源世紀(jì)生物質(zhì)能源技術(shù)”、 “天津東義鎂制品股份有限公司”、 “天津賽象科技股份有限公司”。學(xué)生們?cè)趨⒓觿?chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)深入“天津福源世紀(jì)生物質(zhì)能源技術(shù)”活動(dòng)基地，參加了節(jié)能減排大賽并獲獎(jiǎng)。

實(shí)驗(yàn)室開放活動(dòng)已經(jīng)在天津大學(xué)本科生中成為一種重要的學(xué)習(xí)形式。以機(jī)械類學(xué)生為例，每屆學(xué)生約150人，參加開放式實(shí)驗(yàn)的學(xué)生約30人，參加大學(xué)生創(chuàng)新俱樂(lè)部的學(xué)生20余人，參加天津大學(xué)機(jī)器人大賽常規(guī)賽項(xiàng)目的學(xué)生約20余人，參加其他各類競(jìng)賽預(yù)賽及決賽的學(xué)生約30人，參與教師科研項(xiàng)目的學(xué)生約40人，總計(jì)參與各類實(shí)驗(yàn)室開放活動(dòng)的學(xué)生占應(yīng)授課人數(shù)超過(guò)60%。通過(guò)這些活動(dòng)，學(xué)生獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)或發(fā)表論文。

天津大學(xué)機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)中心經(jīng)過(guò)5年的建設(shè)，形成了鮮明特色。在機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科的平臺(tái)上，構(gòu)建了面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的，服務(wù)于多層次工程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)和科技創(chuàng)新活動(dòng)的機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)體系，并具有強(qiáng)大的示范輻射功能。