面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的機械工程實踐教學(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家級實驗教學(xué)示范中心——天津大學(xué)機械工程實踐教學(xué)中心關(guān)于面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的機械工程實踐教學(xué)體系的建設(shè)。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 機械工程 實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

1 教學(xué)理念與改革思路

作為教育部和中國工程院共同實施的卓越工程師教育培養(yǎng)計劃項目的首批十所高校之一，天津大學(xué)非常重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重視國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)。2004年，天津大學(xué)投資3300萬元建成15000㎡的實踐教學(xué)大樓，將原來分散的實習(xí)中心和各基礎(chǔ)實驗室以及專業(yè)實驗室集中在一起，成立了機械工程實踐教學(xué)中心。

天津大學(xué)機械工程實踐教學(xué)中心圍繞國家級實驗教學(xué)中心的建設(shè)目標(biāo)，明確了長期建設(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、實踐能力強、綜合素質(zhì)高，具有社會責(zé)任感、國際視野和創(chuàng)新精神的高層次人才”進行中心的規(guī)劃和建設(shè)。

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

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

（4）整合優(yōu)化資源配置，與機械工程學(xué)科發(fā)展緊密結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃實驗室建設(shè)，以學(xué)科科研成果提升本科生實驗教學(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)有機結(jié)合，以能力培養(yǎng)為核心，分層次的實驗教學(xué)體系

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

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

（2）綜合設(shè)計型實驗教學(xué)：面向機械類和近機類學(xué)生，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識能力和一定的系統(tǒng)集成能力。學(xué)生經(jīng)過一個階段理論課和實驗課的學(xué)習(xí)，綜合運用所學(xué)知識和技能，完成一定的實驗內(nèi)容。可以在一門課程的一個小循環(huán)之后安排綜合實驗，或在幾門課程之后安排較大規(guī)模的、較長時間的綜合實驗，在教師指導(dǎo)下，采用集設(shè)計與制作為一體的開放式教學(xué)模式進行，主要目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際和綜合設(shè)計與實驗?zāi)芰Α?/p>

（3）研究創(chuàng)新型實驗教學(xué)：面向機械類高年級學(xué)生。學(xué)生根據(jù)實驗題目，運用所學(xué)知識，開展創(chuàng)造性思維，確定實驗方案。獨立操作完成實驗，并進行綜合分析。培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考（科學(xué)研究）能力、組織能力、實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

以我校黃田教授科研成果——Diamond 高速并聯(lián)機械手為載體，以其技術(shù)創(chuàng)新過程為典型案例，將設(shè)計、制造和控制三大系列課程的主要內(nèi)容貫穿于機電產(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)用知識能力和系統(tǒng)集成能力，進一步提高學(xué)生的工程設(shè)計能力、工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力。并聯(lián)機械手實驗室面積120平方米，可同時容納一個班學(xué)生開展實驗。實驗貫穿了包括概念設(shè)計、運動學(xué)/剛性動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維造型與運動仿真，工藝設(shè)計、數(shù)控編程、零件加工、裝配，機械手離線編程、控制系統(tǒng)搭建、程序網(wǎng)絡(luò)傳輸、運動控制等內(nèi)容系列課程的堂上案例教學(xué)和實驗教學(xué)；使用同一載體，開設(shè)創(chuàng)新型綜合實驗，構(gòu)建可重構(gòu)的模組散件和控制系統(tǒng)。該實驗是以科研成果為引導(dǎo)的研究創(chuàng)新性教學(xué)——Research lead teaching，并實現(xiàn)了實驗教學(xué)的國際交流。這種基于“1+X”模式的教學(xué)改革與實踐，獲2009年第六屆高等教育天津市級教學(xué)成果一等獎。

基礎(chǔ)型實驗 28個，占54.9%；綜合設(shè)計型實驗20個，占39.2 %；研究創(chuàng)新型實驗3個，占5.9%。綜合設(shè)計型實驗和研究創(chuàng)新型實驗占總實驗的45.1%。更新實驗占總實驗的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、工程和社會應(yīng)用實踐密切聯(lián)系，融入科技創(chuàng)新和實驗教學(xué)改革成果，實驗項目不斷更新

在實驗內(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)實驗教學(xué)內(nèi)容。對于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗，進行規(guī)范化管理，更新實驗手段，修訂實驗教程，完善實驗內(nèi)容，提高教學(xué)效果。

（2）加強數(shù)控等新設(shè)備、新材料、新工藝等實踐教學(xué)內(nèi)容。利用世行貸款、天南大共建、“985”項目等建設(shè)經(jīng)費，采購一批數(shù)控車床、數(shù)控銑床、電火花加工等設(shè)備，加強數(shù)控技術(shù)實踐教學(xué)內(nèi)容。

（3）采購快速原型、教學(xué)機器人、MPS模塊化制造系統(tǒng)、激光焊機、三坐標(biāo)測量機等設(shè)備和儀器，用于實踐教學(xué)，籌建了金相實驗室和熔模鑄造實驗室，豐富了教學(xué)內(nèi)容。

3 教學(xué)方法與教學(xué)手段

（1）實驗教學(xué)實施過程中，不斷引入現(xiàn)代技術(shù)，采用多媒體等教學(xué)手段，融合計算機輔助設(shè)計及制造等多種方式輔助實驗教學(xué)。例如：通過多媒體資料作為實習(xí)、實訓(xùn)的輔助教學(xué)手段，擴充學(xué)生對機械加工全面知識的認識，開闊視野。在線切割實習(xí)環(huán)節(jié)，利用CAD、CAM軟件輔助教學(xué)，使學(xué)生對現(xiàn)代加工流程有直觀的認識與了解。

在實驗教學(xué)方案的設(shè)計中，中心注重啟迪學(xué)生思維，注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識。通過開放實驗室建設(shè)和創(chuàng)新實驗的開發(fā)、開辟校外實踐教學(xué)基地，組織大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽、全國大學(xué)生機械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計大賽、機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計大賽等科技競賽活動，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

（2）建立適應(yīng)學(xué)生能力培養(yǎng)、鼓勵探索的多元實驗考核方法和實驗教學(xué)模式。中心采用命題實驗、自選實驗、開放實驗等多種方法，逐步形成以學(xué)生為中心的自主式、合作式、研究式實驗教學(xué)模式。所有試驗全部為學(xué)生親自動手完成，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實踐能力。不同實踐教學(xué)模塊采用不同的考試制度和考試方法。對于獨立設(shè)課的綜合性、研究型、開放式實驗，重點考核學(xué)生的完成項目的思路、質(zhì)量、工作態(tài)度、團隊合作精神和研究創(chuàng)新能力，并為此制定了詳細的評分標(biāo)準(zhǔn)，其中包括實驗操作、實驗報告和實驗總結(jié)等內(nèi)容。改革考試制度和考核方法讓學(xué)生真正體會到：考試是手段，真正學(xué)到本事才是目的。

中心鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗和多人共同設(shè)計大型實驗。例如：機器人創(chuàng)意設(shè)計及三維實體構(gòu)型創(chuàng)新實驗旨在鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力以及熟練使用三維實體繪圖軟件的能力；實驗要求學(xué)生分組進行，在具備一定的知識背景后，融入創(chuàng)新理念和方法，鼓勵學(xué)生從生活中觀察、討論、研究并確定每組各自的機器人方案，完成從概念設(shè)計、功能設(shè)計到產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計的過程。在成果展示階段，本組對各自機器人的名稱、功能、用途和傳動機構(gòu)的特點等做詳細介紹，同學(xué)們自由提問與當(dāng)堂解答的方式調(diào)動了課堂氣氛，最終成績?yōu)楦鹘M互評和教師打分相結(jié)合。為學(xué)生在機械原理與機械設(shè)計等后續(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)有機械設(shè)計實驗室為依托，以機械設(shè)計模型室為主要基地，建立貫穿于大學(xué)生認知實驗、課程實驗、課程設(shè)計，以及課外科技創(chuàng)新活動的綜合性開放實驗室硬件環(huán)境。中心建立了面向?qū)W生課外開放的實驗室，建立創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)平臺，成立大學(xué)生創(chuàng)新活動俱樂部。“大學(xué)生創(chuàng)新活動俱樂部”的功能是學(xué)生與教師、學(xué)生與企業(yè)之間溝通的平臺，是實驗教學(xué)的一個輔助機構(gòu)。俱樂部強調(diào)成功是一種財富，失敗同樣是一種財富，重在實踐；強調(diào)各類創(chuàng)新活動，但并不以大賽獲獎為目標(biāo)；強調(diào)跨專業(yè)的團隊合作和知識的融合。組織不同年級、不同專業(yè)的學(xué)生參與創(chuàng)新實踐活動。建立了多個學(xué)生實踐活動基地，例如：“天津金輪自行車集團有限公司”、 “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)生們在參加創(chuàng)新實驗活動的過程中，通過深入“天津福源世紀(jì)生物質(zhì)能源技術(shù)”活動基地，參加了節(jié)能減排大賽并獲獎。

實驗室開放活動已經(jīng)在天津大學(xué)本科生中成為一種重要的學(xué)習(xí)形式。以機械類學(xué)生為例，每屆學(xué)生約150人，參加開放式實驗的學(xué)生約30人，參加大學(xué)生創(chuàng)新俱樂部的學(xué)生20余人，參加天津大學(xué)機器人大賽常規(guī)賽項目的學(xué)生約20余人，參加其他各類競賽預(yù)賽及決賽的學(xué)生約30人，參與教師科研項目的學(xué)生約40人，總計參與各類實驗室開放活動的學(xué)生占應(yīng)授課人數(shù)超過60%。通過這些活動，學(xué)生獲得省部級以上獎勵或發(fā)表論文。

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