中美機(jī)械工程專業(yè)本科實(shí)踐性教學(xué)的比較分析

馬綱

摘? 要：機(jī)械工程作為一個(gè)重要的基礎(chǔ)學(xué)科，為“中國制造2025”提供著基礎(chǔ)支撐，是工程教育中重要的組成部分。機(jī)械設(shè)計(jì)類課程是機(jī)械工程本科教育的主干技術(shù)基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、綜合設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)。文章以對美國路易斯安那州立大學(xué)機(jī)械工程本科生教學(xué)進(jìn)行的詳細(xì)調(diào)研為基礎(chǔ)，對專業(yè)課程設(shè)置、實(shí)踐類課程實(shí)施層面進(jìn)行分析，重點(diǎn)深入研究了實(shí)踐環(huán)節(jié)課程的特色，并與國內(nèi)學(xué)校的相關(guān)課程進(jìn)行了對比分析，給出了作者的思考和建議?？梢詾闄C(jī)械工程專業(yè)本科教學(xué)的改革和建設(shè)提供有益的幫助。

關(guān)鍵詞：工程教育;本科教學(xué);機(jī)械設(shè)計(jì);綜合實(shí)踐;課程實(shí)施

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）32-0038-04

Abstract： Mechanical engineering is an important part of engineering education and provides basic support for the plan of "Made in China 2025". Mechanical design courses are the main technical foundation of undergraduate education in mechanical engineering and play an important role in cultivating students' innovation and comprehensive ability. Based on the detailed investigation of Mechanical Engineering Undergraduate Teaching in Louisiana State University， this paper introduced the arrangement and practical courses in LSU， meanwhile compares with the situation in our schools， and analyzes the advantage in LSU. It can provide useful help for the teaching of mechanical engineering.

Keywords： engineering education; undergraduate teaching; mechanical design; comprehensive practice; course implement

為主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，隨著包括“服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略的實(shí)施，對高等工程教育提出了越來越高的要求。工程教育面臨構(gòu)建工科人才培養(yǎng)新體系、模式、機(jī)制的要求和推出人才培養(yǎng)新理念、高質(zhì)量的挑戰(zhàn)。

教育部復(fù)旦“新工科”建設(shè)共識中提出：新工科建設(shè)需要借鑒國際經(jīng)驗(yàn)、加強(qiáng)國際合作。扎根中國、放眼全球、辦出特色，借鑒國際先進(jìn)理念和標(biāo)準(zhǔn)，明確新工科教育未來發(fā)展的重點(diǎn)和方向，分析新工科人才應(yīng)具備的素質(zhì)，構(gòu)建新工科人才能力體系，培養(yǎng)具有國際視野的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。深入了解和分析國內(nèi)外工程教育的特點(diǎn)，是新工科建設(shè)的重要問題。

機(jī)械工程作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)科，是工程教育重要的組成部分。機(jī)械設(shè)計(jì)類課程是工科本科教育的主干技術(shù)基礎(chǔ)，為機(jī)械工程、動(dòng)力工程等多個(gè)專業(yè)提供基礎(chǔ)支撐。國內(nèi)外高校本科教育中的機(jī)械設(shè)計(jì)類課程，是機(jī)械工程學(xué)科的根基之一，其重要的特點(diǎn)是以設(shè)計(jì)為主線、注重綜合，在設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上具有明顯的優(yōu)勢。如何在打穩(wěn)根基的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，使得創(chuàng)新思維培養(yǎng)和設(shè)計(jì)能力提升齊頭并進(jìn)，是機(jī)械設(shè)計(jì)類課程改革的關(guān)鍵。研究分析國外高校的情況，有利于發(fā)現(xiàn)我們目前課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合新工科目標(biāo)定位，提出改進(jìn)措施，確定課程改革建設(shè)的方向并開展工作，促進(jìn)機(jī)械工程教育在體系或模式方面的改革，提升機(jī)械工程人才培養(yǎng)的整體質(zhì)量。

本文以對美國相關(guān)高校本科生機(jī)械設(shè)計(jì)類課程詳細(xì)調(diào)研為基礎(chǔ)，從課程設(shè)置、實(shí)踐類課程實(shí)施層面，深入研究分析了課程體系、內(nèi)容及實(shí)施過程，并與國內(nèi)高校的相關(guān)情況進(jìn)行了對比分析，指出了主要的差異及帶來啟發(fā)。本文主要為作者的思考建議，以期為國內(nèi)高校相關(guān)課程的改革和建設(shè)提供有益的幫助。

本文主要以美國路易斯安那州立大學(xué)LSU（Louisiana State University）機(jī)械工程ME（Mechanical Engineering）專業(yè)情況為例。

一、機(jī)械工程專業(yè)課程整體設(shè)置

路易斯安那州立大學(xué)是美國一所歷史悠久的公立大學(xué)，成立于1860年，專業(yè)范圍覆蓋理、工、農(nóng)、醫(yī)、法等，屬綜合性強(qiáng)的大學(xué)。Department of Mechanical & Industrial Engineering的ME是LSU工程學(xué)院重要的專業(yè)，教學(xué)和科研具有較高的水準(zhǔn)。

（一）LSU-ME專業(yè)課程整體設(shè)置

LSU-ME專業(yè)本科學(xué)制為4年，課程設(shè)置主要由基礎(chǔ)課、工程專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課組成，每學(xué)期學(xué)分約達(dá)14-18分，達(dá)到授予學(xué)位的總學(xué)分要求為127學(xué)分。

圖1為LSU-ME專業(yè)本科學(xué)位學(xué)分及選課要求。

圖2為LSU-ME和北航機(jī)械工程專業(yè)課程設(shè)置情況分類統(tǒng)計(jì)對比情況，基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)課程設(shè)置及總學(xué)分占比接近。LSU-ME專業(yè)課程設(shè)置與國內(nèi)高校機(jī)械工程專業(yè)基本類似，國內(nèi)外在機(jī)械工程本科專業(yè)知識體系的構(gòu)架和要求方面基本一致。

（二）課程設(shè)置情況分析

對開課和選課情況詳細(xì)調(diào)研的結(jié)果，表明其課程設(shè)置中的幾個(gè)特點(diǎn)：

1. LSU本科教學(xué)中很重視基礎(chǔ)類教學(xué)，同類課程的學(xué)時(shí)和學(xué)分?jǐn)?shù)均高于北航及同類國內(nèi)高校目前的學(xué)時(shí)和學(xué)分設(shè)置，與近些年國內(nèi)各高校普遍減少本科課程中專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)和學(xué)分的現(xiàn)狀對比，美國高校在本科教學(xué)中的學(xué)時(shí)投入和對學(xué)生的要求要高于國內(nèi)高校。

2. 專業(yè)課程設(shè)置涉及面廣，專業(yè)課程的開設(shè)和選擇由教師自主提出，學(xué)生自由選擇，對于發(fā)揮教師特長和激發(fā)學(xué)生興趣具有良好的作用。

3. 實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)所占比例大。試驗(yàn)課程學(xué)分不多但學(xué)時(shí)多，都是在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間現(xiàn)場進(jìn)行教學(xué)，學(xué)習(xí)效果好，有利于與后續(xù)課程的銜接。全部采取小組教學(xué)，保證了每個(gè)學(xué)生的參與和主動(dòng)學(xué)習(xí)。

二、實(shí)踐類課程實(shí)施與分析

從課程整體設(shè)置來看，LSU非常重視實(shí)踐類課程，這類課程學(xué)分雖少但學(xué)時(shí)長，保證讓學(xué)生充分得到訓(xùn)練。選擇有代表性的Capstone課程來進(jìn)行分析。

Capstone課程是LSU-ME專業(yè)很有特色的一門課程，是培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，類似于國內(nèi)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，但工作內(nèi)容和進(jìn)行方式有比較大的區(qū)別。

（一）課程基本情況

1. 課程定位

Capstone設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)是讓學(xué)生進(jìn)行一次全面的、創(chuàng)造性的、多學(xué)科的設(shè)計(jì)，完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過程。在這個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中除了讓學(xué)生在職業(yè)技術(shù)層面上完成設(shè)計(jì)任務(wù)的功能要求外，同時(shí)還使學(xué)生在職業(yè)素養(yǎng)上如專業(yè)的設(shè)計(jì)工程師一樣帶著目標(biāo)、挑戰(zhàn)和責(zé)任進(jìn)行工作。ME專業(yè)的本科學(xué)生以兩個(gè)學(xué)期的Capstone Senior Design course作為本科階段學(xué)習(xí)的終極訓(xùn)練。

2. 課程時(shí)間安排

項(xiàng)目從秋季學(xué)期開始，持續(xù)秋季、春季兩個(gè)學(xué)期，秋季學(xué)期初選定設(shè)計(jì)任務(wù)，到春季學(xué)期期末完成整個(gè)項(xiàng)目，春節(jié)學(xué)期末進(jìn)行項(xiàng)目完成答辯和展示。

（二）課程實(shí)施

1. 實(shí)施的主要要求和過程

在Capstone Design Program公布本學(xué)年的項(xiàng)目要求后，由學(xué)生自主選擇，然后以團(tuán)隊(duì)的形式安排具體項(xiàng)目，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式針對所安排的項(xiàng)目開展工作。項(xiàng)目一般來自于工業(yè)部門、非盈利組織、個(gè)人或?qū)W校內(nèi)部。工業(yè)項(xiàng)目優(yōu)先安排，因?yàn)樗鼈兣c實(shí)踐和真實(shí)世界直接關(guān)聯(lián)，因此是非常有價(jià)值的。團(tuán)隊(duì)通常是跨學(xué)科的，這取決于項(xiàng)目的需求。

Capstone設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括兩個(gè)連續(xù)的課程（秋季和春季），并強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過程和交付成功的工程、測試和驗(yàn)證的結(jié)果。同時(shí)由于關(guān)注的是學(xué)生的教育，強(qiáng)調(diào)成功的結(jié)果但不完全保證。在Capstone設(shè)計(jì)周期的第一學(xué)期，學(xué)生團(tuán)隊(duì)會獲得對項(xiàng)目范圍的理解，進(jìn)而制定工程規(guī)范，開發(fā)概念性解決方案和設(shè)計(jì)，通過概念分析和選擇過程進(jìn)行必要的工程分析，提出一個(gè)最后的設(shè)計(jì)方案并設(shè)計(jì)完整的工程制造圖紙。將這個(gè)設(shè)計(jì)的原型設(shè)計(jì)提交給專家小組，由他們提供評估和評價(jià)，學(xué)生小組在學(xué)期結(jié)束時(shí)提交最終報(bào)告。

在Capstone設(shè)計(jì)周期的第二個(gè)學(xué)期，學(xué)生團(tuán)隊(duì)開始對他們的設(shè)計(jì)進(jìn)行物理的實(shí)現(xiàn)和測試，最后交付一個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證的產(chǎn)品。接著他們會在同樣的專家小組面前進(jìn)行答辯，然后由每個(gè)團(tuán)隊(duì)提交最終的綜合報(bào)告，記錄他們構(gòu)建和測試的原型以及相關(guān)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試過程。如果不能在周期結(jié)束時(shí)交付一個(gè)已完成的原理樣機(jī)產(chǎn)品，則可能導(dǎo)致該課程失敗。為了避免這種情況，必須對每個(gè)不符合規(guī)范的問題進(jìn)行解釋，并提出能解決其根本問題的可行性解決方案。

在這兩個(gè)學(xué)期的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，除了設(shè)計(jì)概念和技術(shù)問題，學(xué)生們不得不面對團(tuán)隊(duì)協(xié)作、領(lǐng)導(dǎo)、項(xiàng)目和預(yù)算管理、評估、采購、重新設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，以及實(shí)際生產(chǎn)和多種形式的與客戶、技術(shù)支持人員、供應(yīng)商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和公眾溝通的挑戰(zhàn)，從而得到全面的學(xué)習(xí)鍛煉和能力提升。

2. 考核和評價(jià)方式

設(shè)置不同環(huán)節(jié)和評價(jià)人員，分階段進(jìn)行評價(jià)考核。

（1）Notebook check環(huán)節(jié)：由老師、助教負(fù)責(zé)，以每兩周為單位對學(xué)生的工作進(jìn)度和工作過程進(jìn)行評價(jià)記錄。

（2）Presentation環(huán)節(jié)：包括第一學(xué)期的project schedual和第二學(xué)期的final presention。以團(tuán)隊(duì)形式對設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)測試、最終結(jié)果進(jìn)行介紹和展示，由專家小組進(jìn)行提問答辯和評價(jià)。答辯的專家小組由企業(yè)界人士、教授指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)及其他教師組成，約20人。教授指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)由機(jī)械工程系6位教授組成，在項(xiàng)目進(jìn)行過程中依階段做報(bào)告指導(dǎo)和討論，每個(gè)項(xiàng)目小組還有專門的指導(dǎo)教師進(jìn)行更細(xì)致的指導(dǎo)。

（3）Report環(huán)節(jié)：根據(jù)提交的階段性報(bào)告和綜合報(bào)告進(jìn)行評價(jià)。

后兩個(gè)環(huán)節(jié)按照小組給出綜合評價(jià)，分為優(yōu)秀、良好等幾個(gè)檔次，小組內(nèi)每個(gè)成員的具體成績評價(jià)由助教根據(jù)notebook和report的完成情況來給定等級，兩方面綜合給出最后的個(gè)人考核成績。指導(dǎo)老師一般不參與對學(xué)生的評價(jià)。

（三）實(shí)踐課程特點(diǎn)分析

ME-Capstone項(xiàng)目在LSU-ME專業(yè)開展多年，多年經(jīng)驗(yàn)不斷積累和改進(jìn)使得這個(gè)項(xiàng)目在整個(gè)的ME專業(yè)教學(xué)中起到了很重要的作用，也使得學(xué)生得到了真正的鍛煉和能力的提升，教學(xué)效果很好，受到了廣泛的好評。兩個(gè)學(xué)期的課程跟蹤，作者對這個(gè)課程在深入了解之后也產(chǎn)生了同樣的感受，認(rèn)為其值得學(xué)習(xí)借鑒。從課程的特點(diǎn)來看，類似于國內(nèi)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，是專業(yè)的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)。但和國內(nèi)的設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)相比較，其有一些突出的特點(diǎn)。

1. 周期長，任務(wù)重，結(jié)果要求明確。這個(gè)項(xiàng)目安排完整的時(shí)間是兩個(gè)學(xué)期，實(shí)際在項(xiàng)目進(jìn)行過程中，圣誕前后的冬季學(xué)期中這個(gè)工作一直在進(jìn)行中。學(xué)校的加工車間在冬季學(xué)期仍向?qū)W生開放，指導(dǎo)教師有值日安排，很多學(xué)生冬季學(xué)期仍在繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)工作，投入了大量的精力去完成這個(gè)工作。根據(jù)每個(gè)小組項(xiàng)目的特點(diǎn)，每個(gè)項(xiàng)目都有明確的結(jié)果要求，很多項(xiàng)目必須要完成樣機(jī)產(chǎn)品的制作并且提供相應(yīng)的測試結(jié)果報(bào)告，讓學(xué)生得到真正的鍛煉和能力的提高。

2. 通過與企業(yè)和社會需求直接對接，使得設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)置與工程問題結(jié)合緊密，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)與組織管理流程到位，為項(xiàng)目的實(shí)施提供良好的保障。Capstone設(shè)計(jì)項(xiàng)目，是企業(yè)贊助商向LSU工程專業(yè)學(xué)生介紹項(xiàng)目的名稱和品牌的一個(gè)機(jī)會，也是吸引學(xué)生參與公司項(xiàng)目的一個(gè)有效途徑。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生能夠在真實(shí)的設(shè)計(jì)過程中提高能力并為塑造自身成為高質(zhì)量的工程師打下良好基礎(chǔ)，贊助商可以觀察學(xué)生的行動(dòng)，深入了解其能力并選擇優(yōu)秀的學(xué)生成為自己的員工。私人贊助商將有機(jī)會讓他們的項(xiàng)目理念在原型水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并使學(xué)生受益。

學(xué)校通過有效的途徑與工業(yè)界和社會建立良性的合作渠道，成立專門的ME-Capstone委員會接受企業(yè)、個(gè)人的申請和贊助，建立規(guī)范的項(xiàng)目合作管理制度和經(jīng)費(fèi)管理制度，包括項(xiàng)目成果分配制度，使得企業(yè)和學(xué)生多方受益。這種良性循環(huán)的建立與美國高等教育中企業(yè)及校友資助的文化密切相關(guān)，也和學(xué)校的規(guī)范管理制度關(guān)系密切，實(shí)現(xiàn)了雙贏的結(jié)果。

3. 課程管理到位、工作高效，保證了教學(xué)質(zhì)量。課程設(shè)立專門的ME-Capstone委員會，系主任作為第一負(fù)責(zé)人對項(xiàng)目的立項(xiàng)、經(jīng)費(fèi)的使用等進(jìn)行管理。項(xiàng)目進(jìn)行過程中有6位教授團(tuán)隊(duì)會對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，同時(shí)每個(gè)小組有相關(guān)的企業(yè)設(shè)計(jì)人員或?qū)W院老師進(jìn)行具體指導(dǎo)。階段性答辯中教授團(tuán)隊(duì)會進(jìn)行提問評價(jià)，最后的項(xiàng)目答辯中有教授團(tuán)隊(duì)、企業(yè)界人士和其他教師組成的專業(yè)答辯小組，針對每個(gè)小組進(jìn)行細(xì)致的提問評價(jià)，悉心指導(dǎo)學(xué)生的同時(shí)又會對其嚴(yán)格要求，取得了不錯(cuò)的效果。在這個(gè)過程中，教授團(tuán)隊(duì)的付出很大，老師們拿出了大量的時(shí)間和精力與學(xué)生一起討論研究，工作作風(fēng)踏實(shí)認(rèn)真，真正做到了以學(xué)生能力的提高和培養(yǎng)為目標(biāo)，學(xué)生也很投入，收獲很大。

4. 多學(xué)科交叉，使學(xué)生能力在多方面得到提高。以項(xiàng)目為主導(dǎo)，學(xué)生主要以ME專業(yè)為主，同時(shí)包括了電子工程、工業(yè)工程等其他專業(yè)的學(xué)生。小組中對設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行細(xì)致劃分，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)的具體任務(wù)分工明確，同時(shí)相互之間的接口保持暢通。從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)，不僅要考慮具體的技術(shù)方法和路線，同時(shí)要進(jìn)行經(jīng)費(fèi)預(yù)算，采購、加工調(diào)試、測試等多個(gè)環(huán)節(jié)的工作，讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作、設(shè)計(jì)、工程實(shí)施等各個(gè)方面得到鍛煉和提高。

5. 硬件設(shè)備配備充分、使用管理規(guī)范方便，為項(xiàng)目實(shí)施提供了良好的保障。項(xiàng)目實(shí)施過程都是在專門的實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行。學(xué)校配套的加工車間、數(shù)控設(shè)備、3D打印設(shè)備等都會提供給學(xué)生使用，使用過程中建立了相應(yīng)的設(shè)備管理和使用規(guī)范，包括采購過程經(jīng)費(fèi)使用、采購產(chǎn)品進(jìn)貨檢驗(yàn)等都有詳細(xì)的規(guī)定和實(shí)施步驟，為學(xué)生順利開展項(xiàng)目工作提供了很好的條件，同時(shí)也使得學(xué)生在項(xiàng)目進(jìn)行過程中對一般的項(xiàng)目研發(fā)管理流程和管理規(guī)范進(jìn)行了學(xué)習(xí)，得到了訓(xùn)練和提高。

三、結(jié)束語

LSU機(jī)械工程中課程的實(shí)施，對國內(nèi)課程改革建設(shè)有著重要的啟示，主要包括：

1. 從課程設(shè)置來看，整體設(shè)置基本一致。但在具體的課程學(xué)時(shí)來看，國外的專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)多，沒有進(jìn)行大量的刪減。課內(nèi)學(xué)時(shí)充足，有利于保證學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握的更為牢固，提高思維和創(chuàng)新能力。

2. 從機(jī)械設(shè)計(jì)課程的具體實(shí)施情況來看，國外對內(nèi)容的把握和基礎(chǔ)知識的掌握要求更為細(xì)致深入，對小班教學(xué)、多媒體應(yīng)用等主要在教學(xué)形式方面并無過多的要求。與國內(nèi)進(jìn)行教學(xué)手段改革多強(qiáng)調(diào)實(shí)施形式的做法比較，更注重內(nèi)涵。這也是我們在課程改革進(jìn)行過程中應(yīng)注意的問題。

3. 工程類專業(yè)及課程，突出的特點(diǎn)是要突出工程實(shí)踐性，將工程實(shí)踐性確實(shí)落到實(shí)處，需要做大量的基礎(chǔ)工作，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)管理、硬件建設(shè)和硬件使用，是一個(gè)系統(tǒng)工程，也是切實(shí)鍛煉和提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力的非常有效的手段，國外高校在這方面進(jìn)行了深入具體的研究，我們需要下大力氣做切實(shí)的工作，以此提高效率和質(zhì)量。

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[9]You want to be a versatile， technical problem-solver who can harness the power of math， physics， materials science， and engineering to create “something” from nothing[EB/OL].https：//www.lsu.edu/majors/engineering/mechanical-engineering.php.

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