機構(gòu)學(xué)研究生課程中美大學(xué)比較分析

吳宇列，吳學(xué)忠，席　翔

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)　機電工程與自動化學(xué)院，湖南　長沙　410073)

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機構(gòu)學(xué)研究生課程中美大學(xué)比較分析

吳宇列，吳學(xué)忠，席翔

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，湖南長沙410073)

高等機構(gòu)學(xué)是一門機械類研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課，在國內(nèi)外不少高校都有開設(shè)。通過對該課程在中美高校的設(shè)置、教材使用、課程內(nèi)容，講授方式、評價方式等情況進行調(diào)研和對比分析，可以為改進該課程的教學(xué)內(nèi)容和提高授課質(zhì)量提供有益的參考。

高等機構(gòu)學(xué)；研究生課程；比較

一、概述

高等機構(gòu)學(xué)，又稱為高等機械原理、機構(gòu)分析與綜合，它是在機械原理課程的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)、機構(gòu)運動學(xué)、機構(gòu)動力學(xué)以及其他相關(guān)內(nèi)容的課程[1]。機械原理是機械類本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的核心內(nèi)容是介紹常用機構(gòu)如平面連桿機構(gòu)，齒輪、凸輪、棘輪等機構(gòu)的原理、應(yīng)用及設(shè)計。而高等機構(gòu)學(xué)則是機械類研究生的一門重要專業(yè)課，它是在機械原理的基礎(chǔ)上采用專門分析理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析工具，對機構(gòu)進行深入的分析，或者對某類型機構(gòu)進行專門的分析與綜合。高等機構(gòu)學(xué)作為機械專業(yè)的研究生課程，雖然在國內(nèi)外不少高校都有開設(shè)，但是這門課程并不屬于熱門課程，往往不被重視，似乎可有可無。實際上，機構(gòu)學(xué)所研究的結(jié)構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、奇異性分析等內(nèi)容對機械產(chǎn)品的設(shè)計、制造、控制等具有重要的基礎(chǔ)意義。機構(gòu)學(xué)也是制造業(yè)的基礎(chǔ)，是機械產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)造的源泉，是提高國家制造業(yè)水平和國際競爭力的關(guān)鍵[2]，因此有必要加強對該研究生課程的重視。為此，本文對機構(gòu)學(xué)在國內(nèi)外高校的開設(shè)情況進行了詳細的調(diào)研和比較分析，其中國外高校以研究生教育最為發(fā)達的美國大學(xué)為例，并根據(jù)調(diào)研和分析結(jié)果為該課程的建設(shè)提出了發(fā)展思路。本文的研究對改進該課程的課程內(nèi)容和提高授課質(zhì)量具有較好的參考意義。

二、美國大學(xué)機構(gòu)學(xué)研究生課程情況

(一)美國大學(xué)機構(gòu)學(xué)研究生課程開設(shè)情況

機械工程是比較傳統(tǒng)和經(jīng)典的學(xué)科，國外大學(xué)一般都設(shè)有獨立的機械工程系。國外大學(xué)的機械工程系對機械方面的專業(yè)基礎(chǔ)課程都比較重視，一般都開設(shè)了與機構(gòu)學(xué)相關(guān)的研究生課程，但是這些課程中和國內(nèi)“高等機構(gòu)學(xué)”課程名稱完全一致，內(nèi)容也相近的課程還是不多，大部分課程都只涉及機構(gòu)學(xué)部分內(nèi)容。

我們以美國大學(xué)為例對機構(gòu)學(xué)研究生課程的開設(shè)情況進行分析。麻省理工學(xué)院(MIT)機械工程系為研究生開設(shè)了兩門機構(gòu)學(xué)相關(guān)課程，分別是“Introduction to Kinematics and Robotics”和“ Robotics”，這些課程主要介紹與機器人相關(guān)的機構(gòu)學(xué)。斯坦福大學(xué)的機械工程系開設(shè)了三門可供研究生選擇的機構(gòu)學(xué)相關(guān)課程，即“Introduction to Robotics”，“ Kinematic Synthesis of Mechanisms”，“ Advanced Kinematics”，主要介紹了機器人、連桿等機構(gòu)的分析方法和數(shù)學(xué)計算方法。加州理工學(xué)院開設(shè)了一門與機構(gòu)學(xué)相關(guān)的研究生課程：“Introduction to Kinematics and Robotics”。佐治亞理工學(xué)院有兩門相關(guān)的研究生課程，即“Dynamics of Mechanical Systems”和“Robotics”。 密歇根大學(xué)也有兩門相關(guān)的研究生課程，即“Mechanisms Design”和“Robot Kinematics and Dynamics”?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的機器人研究所開設(shè)了一門與機器人機構(gòu)學(xué)相關(guān)的研究生課程“Kinematics, Dynamic Systems, and Control”，威斯康辛大學(xué)開設(shè)了與國內(nèi)課程相對比較接近的機構(gòu)學(xué)課程，“Kinematics and Dynamics of Machine Systems”，該課程對一般機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)進行了分析。美國其他一些大學(xué)的機構(gòu)學(xué)研究生課程的開設(shè)情況也大都與此類似，一般都是開設(shè)關(guān)于機器人或連桿機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析的課程。根據(jù)以上美國大學(xué)官方網(wǎng)站所提供的研究生課程信息，我們把美國幾個主流大學(xué)的機構(gòu)學(xué)開設(shè)情況整理和總結(jié)如表1所示。

表1　美國大學(xué)機構(gòu)學(xué)研究生課程開設(shè)情況

在美國大學(xué)的機械工程系中，和國內(nèi)“高等機構(gòu)學(xué)”課程名稱和內(nèi)容最為接近的是美國明尼蘇達大學(xué)機械工程系開設(shè)的研究生機構(gòu)學(xué)課程“Advanced Mechanism Design”。其教材采用明尼蘇達大學(xué)的Sandor and Erdman教授1984年編寫的《Advanced Mechanism Design：Analysis and Synthesis，Volume 2》。這本教材的第一卷Volume.1是為本科生編寫的，而第二卷則適合于研究生。教學(xué)內(nèi)容以該教材為藍本，主要內(nèi)容涉及連桿機構(gòu)、機器人機構(gòu)、平面和空間機構(gòu)的類型綜合、靜態(tài)、運動學(xué)、動態(tài)力分析，機構(gòu)平衡等內(nèi)容。該教材內(nèi)容與國內(nèi)的機構(gòu)學(xué)體系有很多相似之處，因此很早就被翻譯成中文引入國內(nèi)。

(二)美國大學(xué)機構(gòu)學(xué)研究生課程教學(xué)情況

下面我們就以明尼蘇達大學(xué)的“Advanced Mechanism Design”課程為例來分析美國大學(xué)同類課程的教學(xué)情況。根據(jù)美國明尼蘇達大學(xué)機械工程系官網(wǎng)所提供的課程信息[13]，我們把該課程的基本情況整理和總結(jié)如表2所示。

表2　課程基本情況

1.教學(xué)方法和手段

該校采用課堂講授、分組討論、課程設(shè)計相結(jié)合的教學(xué)方式。在課堂講授方面，由主講教師課堂教授，兩個教學(xué)助理負責(zé)作業(yè)收集與批改，主講教師和教學(xué)助理都提供每周2次答疑時間。

課程特別注重學(xué)生的參與性和主動性，首先在課程設(shè)計方面，要求學(xué)生3人一組，自己選定一個相對較難的機構(gòu)進行設(shè)計。學(xué)生需要對所選機構(gòu)進行分析，設(shè)計，仿真，制造出原型機，提交設(shè)計報告。其次，課程設(shè)計報告的評價引入類似期刊和會議論文的評審方式，要求每組的報告提交給其他2-3組進行相互評議。在教師的指導(dǎo)下，評審組給出評審意見，每個設(shè)計組再根據(jù)評審意見進行修改。第三，每個設(shè)計組都要求在全班面前口頭介紹自己所設(shè)計的機構(gòu)。第四、課堂上經(jīng)常有關(guān)于一些問題的分組討論，要求學(xué)生積極參與，課堂表現(xiàn)情況在總成績中會有體現(xiàn)。

由于國外高校教學(xué)網(wǎng)絡(luò)使用非常普及，因此課程的主講教師建立了一個本課程的專門網(wǎng)站，與本課程相關(guān)的內(nèi)容，如大綱，課程安排，作業(yè)，課程設(shè)計內(nèi)容等都會發(fā)布在網(wǎng)上。主講教授臨時的通知也會及時公布在網(wǎng)上。學(xué)生與教師的主要聯(lián)系也是通過Email。在課程網(wǎng)站上還提供了比較豐富的輔助資料，如：專利網(wǎng)站查詢，Lincages 軟件包的使用，Matlab軟件的使用，與本課程相關(guān)的幾篇期刊論文等等。因此，選修該課程的學(xué)生，通過該網(wǎng)站就可以獲得本課程及時而完備的信息，大大方便了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)以及和老師的交流。

2.考核方式

該校的考核方式分為五個部分，包括課程設(shè)計、小考、課后作業(yè)、期末考試、課堂表現(xiàn)。每個部分占比均不一樣，具體分配如下：

課程設(shè)計： 35%，課后作業(yè)和小考：30%，終考：25%，課堂表現(xiàn)：10%。

其要求是課程結(jié)束時交作業(yè)，遲交會扣分，答案公布后再交不記分。學(xué)生必須到課，有事必須事先通知。其中終考、課后作業(yè)和課程設(shè)計對最后得分有重要影響。

三、國內(nèi)機構(gòu)學(xué)研究生課程情況

(一)國內(nèi)機構(gòu)學(xué)研究生課程開設(shè)情況

作為機械類研究生的專業(yè)課，國內(nèi)有不少高校開設(shè)了機構(gòu)學(xué)課程，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等，其中一些學(xué)校還把該課程作為博士生入學(xué)考試課程之一。由于各高校機械工程專業(yè)的研究方向和研究重點不同，各個學(xué)校的課程名稱不盡相同，課時設(shè)置也不一樣。有不少高校因為沒有相關(guān)的研究，因此也沒有設(shè)置機構(gòu)學(xué)相關(guān)的研究生課程。根據(jù)國內(nèi)高校官網(wǎng)所提供的研究生課程信息，我們把國內(nèi)部分主流高校機構(gòu)學(xué)研究生課程的開設(shè)情況整理和總結(jié)如表3所示。

表3　國內(nèi)部分高校機構(gòu)學(xué)研究生課程開設(shè)情況

國內(nèi)的機構(gòu)學(xué)研究生課程是在參照國外相關(guān)課程的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)機構(gòu)學(xué)研究現(xiàn)狀發(fā)展起來的。目前國內(nèi)使用的課程教材種類不多，一些教材的體系和部分內(nèi)容是以1984年版的Advanced Mechanism Design: Analysis and Synthesis, Volume 2為基礎(chǔ)進行編寫的，同時一些教材根據(jù)不同學(xué)校的研究情況和機構(gòu)學(xué)的新進展增減了相應(yīng)的內(nèi)容。目前主要的教材有白師賢編著的《高等機構(gòu)學(xué)》，樓鴻棣、鄒慧君的《高等機械原理》，陸震的《高等機械原理》，韓建友的《高等機構(gòu)學(xué)》，張春林的《高等機構(gòu)學(xué)》，黃真的《高等空間機構(gòu)學(xué)》等。有的學(xué)校則直接使用翻譯的教材。

(二)國內(nèi)機構(gòu)學(xué)研究生課程教學(xué)情況

我們以哈爾濱工業(yè)大學(xué)開設(shè)的高等機構(gòu)學(xué)為例進行介紹。根據(jù)該課程的教學(xué)大綱[26]，我們把該課程的基本情況整理和總結(jié)如表4所示。

表4　國內(nèi)機構(gòu)學(xué)課程基本情況

從上表可以看出，國內(nèi)研究生課程的內(nèi)容相對比較豐富，即涉及了基礎(chǔ)內(nèi)容，也包含了一些現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)的內(nèi)容。但是國內(nèi)課程的授課方式相對比較傳統(tǒng)，考核方式也比較單一。

開設(shè)該課程的國內(nèi)其他學(xué)校，一般由于所選教材和各自科研的方向不同，教學(xué)內(nèi)容與上表有所不同，但在教學(xué)方式、考核方式方面與上表大致相同。

四、情況比較分析

綜合國內(nèi)外情況，可以看出，國內(nèi)外偏工科的著名高校一般都會開設(shè)與機構(gòu)學(xué)相關(guān)的研究生課程，以提升學(xué)生在機構(gòu)分析與設(shè)計的能力。但是國外高校一般都是開設(shè)偏機構(gòu)某方面特性介紹的課程，如運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、平面機構(gòu)分析等等，或者開設(shè)偏重機器人機構(gòu)介紹的課程，機構(gòu)綜合性介紹的課程相對比較少。而國內(nèi)一般都是開設(shè)機構(gòu)綜合性介紹的課程，名稱一般也都是“高等機構(gòu)學(xué)”。這主要體現(xiàn)了國內(nèi)外機械學(xué)科課程體系和研究生培養(yǎng)理念的不同。

在具體教學(xué)內(nèi)容上，國內(nèi)外側(cè)重點也有所不同。國外的課程內(nèi)容側(cè)重基礎(chǔ)，仍然沿用經(jīng)典教材。但是國外課程內(nèi)容生動，豐富，教材上還會列舉大量生產(chǎn)和生活實際中應(yīng)用的機構(gòu)，有利于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。但是隨著計算機和控制技術(shù)的發(fā)展，某些內(nèi)容稍顯陳舊，比如機構(gòu)的圖解法。國內(nèi)高等機構(gòu)學(xué)教材在整體框架有相似之處，但在不同方面有所取舍，同時添加了編著者本人的一些研究內(nèi)容。同國外教材比，國內(nèi)教材內(nèi)容上更為廣泛些，某些方面更深入些，但是教材一般都是比較生硬的描述，缺乏生動有趣的實例。

在教學(xué)方法上，國外的教學(xué)方式更為生動活潑，而不呆板，它設(shè)計了分組討論、分組課程設(shè)計、課程報告同學(xué)評審機制等環(huán)節(jié)，這對加強學(xué)生的參與性和主動性很有意義，同時也鍛煉了學(xué)生的團隊協(xié)作能力。國內(nèi)教學(xué)方法上一般還是以課堂講授，或加入了一些課堂報告。學(xué)生一般還是以聽課、做筆記為主，互動性、參與性不強。

國外教學(xué)助理制度比較完善，教學(xué)助理一般由高年級的碩士生或博士生擔(dān)任，他們能在很大程度上分擔(dān)主講教師的事務(wù)性工作，指導(dǎo)學(xué)生的課程設(shè)計，加強教師與學(xué)生的溝通，這對提高授課質(zhì)量有很多的幫助。而國內(nèi)在研究生課程的教學(xué)助理制度雖然已經(jīng)開始實行，但是教學(xué)助理在課程上發(fā)揮的作用卻不明顯。

在課程網(wǎng)絡(luò)資源上，國外課程的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)比較完善，每門課程都有自己的網(wǎng)站。在網(wǎng)站上可以查到各種教學(xué)信息、教學(xué)資料和相關(guān)輔助信息，教師在網(wǎng)站上會經(jīng)常發(fā)布通知，方便學(xué)生了解和跟蹤課程的進度。而國內(nèi)雖然網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)十分普及，但是在課程教學(xué)網(wǎng)站的建設(shè)上并不完善，課程網(wǎng)站上的信息也不全面和及時，缺乏一種老師與學(xué)生之間互動交流的方式和氣氛。

在考核方式上，國外一般是多重考核方式相結(jié)合，并且注重學(xué)生實踐能力與主動學(xué)習(xí)能力的考核。貫穿整個課程的課程設(shè)計對學(xué)生的實踐能力和科研學(xué)術(shù)能力鍛煉很大，在總成績中占比例也最大。國內(nèi)在實踐性方面的考核相對比較少，一般只要求學(xué)生完成作業(yè)，通過考試。

從上面分析可知，高等機構(gòu)學(xué)國內(nèi)外在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面都存在一定的區(qū)別和差距。國外重基礎(chǔ)、重能力、重參與的教學(xué)模式值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

五、課程建設(shè)思考

高等機構(gòu)學(xué)是機械學(xué)科研究生非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它也是高性能機構(gòu)設(shè)計、制造和控制的基礎(chǔ)。因此，國內(nèi)有必要加強對該課程的重視程度。參考國內(nèi)外該課程的開設(shè)情況，為加強該課程的建設(shè)，應(yīng)該從以下幾個方面著手：

1.梳理和整合課程內(nèi)容

現(xiàn)在國內(nèi)高校采用的教材各不相同，教學(xué)內(nèi)容也不相同，但一般也是以國外教材為藍本，加入自己的研究內(nèi)容編著而成。國外采用的教材雖然比較經(jīng)典，但是隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，新的分析理論、方法和軟件不斷出現(xiàn)，如旋量理論、微分幾何理論、多體動力學(xué)等，教材原來的一些內(nèi)容還是偏陳舊。因此新的課程內(nèi)容應(yīng)該兼顧基礎(chǔ)，同時引入新的機構(gòu)分析理論、方法，介紹現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)最新的研究成果。

2.改革教學(xué)方式

高等機構(gòu)學(xué)是一門理論性和實踐性都很強的課程，國外的教學(xué)方式強調(diào)互動和參與，對加強學(xué)生對知識的理解和運用具有很大的促進作用，國內(nèi)在這方面還是有所欠缺。因此，在教學(xué)方式上，國內(nèi)應(yīng)加強學(xué)生的主動性和參與性，促使他們思考起來，而不是填鴨式的接受知識，以一種科研的態(tài)度對待課程的學(xué)習(xí)。比如國外課程報告的同學(xué)評審機制就很值得借鑒。

3.加強課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

國外課程網(wǎng)絡(luò)方面做得比較好，學(xué)生在課程專門網(wǎng)站上可以查詢到非常豐富的信息。國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)雖然近年來已經(jīng)很普及了，高校上網(wǎng)的硬件環(huán)境已經(jīng)大大改善。但是在課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上還是有所欠缺，很多課程信息和相關(guān)輔助信息在網(wǎng)站上還是無法獲得。因此，國內(nèi)應(yīng)該加強課程的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，對課程開設(shè)專門的網(wǎng)站，把課程從選課，開課、到期末考試所涉及的一系列信息和文檔都及時發(fā)布在課程網(wǎng)站上，學(xué)生通過網(wǎng)站就可以全面了解和跟蹤課程的情況。

[1]張春林.高等機構(gòu)學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：1.

[2]高峰.機構(gòu)學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的思考[J].機械工程學(xué)報，2005(8)：3-17.

[3]MIT Department of Mechanical Engineering.Graduate Courses[EB/OL].(2016-01-01)[2016-06-15].http://catalog.mit.edu.

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[5]Department of Mechanical and Civil Engineers，Caltech. Graduate Courses[EB/OL].(2015-01-01)[2016-06-15].http://catalog.caltech.edu.

[6]School of Mechanical Engineering，Georgia Tech.Graduate Courses[EB/OL].(2016-01-01)[2016-06-15].http://me.gatech.edu/gradu-ate/courses.

[7]Department of Mechanical Engineering，University of Michigan. Graduate Courses[EB/OL].(2016-01-01)[2016-06-15].http://www.engin.umich.edu/college/academics /bulletin/courses /mecheng.

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[10]Department of Mechanical Engineering，University of Minnesota.Graduate Courses ME5243[EB/OL].(2015-08-11)[2016-06-15]. http://www.me.umn.edu/courses /me5243/.

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[21]西北工業(yè)大學(xué)研究生院.研究生培養(yǎng)方案[EB/OL]. (2015-08-28)[2016-06-15].http://gs.nwpu.edu.cn /info/1278/2968.htm.

[22]燕山大學(xué)研究生院.研究生培養(yǎng)方案[EB/OL]. (2015-09-09)[2016-06-15].http://gs.ysu.edu.cn/colu mn_show.asp?EnBigClass-Name=yjspy&id=606.

[23]中南大學(xué)研究生院. 研究生培養(yǎng)方案[EB/OL]. (2013-01-01)[2016-06-15].http://gra.its.csu.edu.cn /yjsy/.

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[25]天津大學(xué)研究生院.研究生培養(yǎng)方案[EB/OL]. (2014-05-01)[2016-06-15].http://gs.tju.edu.cn/yjspy /py2005/gcss2008/G20101.htm.

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(責(zé)任編輯：陳勇)

Comparisons on Graduate Course of“Advanced Mechanisms Analysis and Synthesis”between Chinese Universities and American Universities and Reflections on Course Development

WU Yu-lie，WU Xue-zhong，XI Xiang

(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)

As a core course in mechanical engineering，Advanced Mechanisms Analysis and Synthesis is offered at a few domestic universities.It is necessary to conduct detailed analyses and comparisons for this course between Chinese universities and American universities on course settings，textbooks，course topics，teaching methods，course assessment，etc.，which will be helpful to improve the course contents and teaching quality.

Advanced Mechanisms Analysis and Synthesis；graduate courses；comparisons

2016-06-15

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)“十二五”重點建設(shè)項目 (43451714)

吳宇列 (1972-)，男，湖南東安人。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電與自動化學(xué)院研究員，博士，主要從事機構(gòu)學(xué)、精密工程、微機電系統(tǒng)的教學(xué)與科研。

G643

A

1672-8874 (2016) 03-0064-07