機械工程實驗教學中心建設與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

石永軍， 劉 峰

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

中國石油大學機械工程實驗教學中心(下簡稱中心)的前身是華東石油學院的機械制圖、機械原理、機械設計、機械制造基礎、材料工程等教研室所屬實驗室，始建于20世紀60年代。遵循“以人為本，柔性培養(yǎng)，夯實基礎，強化實踐，突出特色”的原則，中心轉變傳統(tǒng)實驗教學的觀念，堅持實驗教學與理論教學相結合、實驗教學和科學研究相結合，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，鼓勵個性發(fā)展的建設思路，依托于機械工程學科，深入進行實驗教學內(nèi)容、體系、方法和運行管理方式的改革。不斷改造傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容、實驗技術和方法，開發(fā)綜合性和研究創(chuàng)新性實驗，激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，提高機械工程實驗教學的水平和質(zhì)量，培養(yǎng)學生在工程實踐中綜合運用所學知識分析問題、創(chuàng)造性解決問題的能力[1-3]。

1 實驗教學理念與改革思路

1.1 實驗教學規(guī)劃與定位

根據(jù)學校制訂的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，中心的建設目標是深化實驗教學改革，建立先進、高效、開放的實驗室管理體制和運行機制，建設結構合理、理論教學與實踐教學緊密結合的高素質(zhì)實驗實踐教學隊伍，構建儀器設備先進、網(wǎng)絡共享、資源豐富的實驗教學環(huán)境，全面提高實驗教學水平和質(zhì)量。中心密切配合機械工程系列課程教學改革與實踐，以工程意識養(yǎng)成教育和實踐動手能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標，構建集教與學為一體、理論教學與實踐教學為一體、課內(nèi)與課外教學為一體的實踐基地。通過校企合作的形式開展聯(lián)合教學與培訓，不斷提高教學水平和教學質(zhì)量。

1.2 實驗教學改革思路

以培養(yǎng)大學生的動手能力、工程意識養(yǎng)成、創(chuàng)新能力、綜合運用所學知識解決實際問題能力為目標，牢固樹立實驗教學與理論教學并重的思想，引導學生開展自主實驗研究，逐步建立柔性化、分層次、科學系統(tǒng)的創(chuàng)新實驗教學體系，為大學生搭建起適應時代需求的實驗教學平臺。

1.3 實驗教學改革方案

1.3.1 理論與實踐并重，培養(yǎng)實踐動手能力強的工程技術人才

機械學科是一門理論嚴謹、實踐性強的學科，教學目標是培養(yǎng)理論基礎扎實、實踐能力強，具有組織能力、團隊協(xié)作與協(xié)調(diào)能力、決策判斷與創(chuàng)新能力和工程意識的復合型人才。為達到這一目標，中心克服了重理論教學、輕視實踐教學的舊思想，把實驗教學放在與理論教學同等重要的地位，改變了實驗教學完全附屬于理論教學的傳統(tǒng)觀念，并進行了一系列改革，使實驗教學成為既與理論教學有機結合，又具有獨立職能、培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力的平臺[4-5]。

1.3.2 科研成果應用于綜合創(chuàng)新性實驗教學

科研成果應用于綜合創(chuàng)新性實驗教學，對于提高學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有重要意義。中心鼓勵教師將新的科研成果引入實驗教學，比如將與勝利油田合作項目——機械性能綜合測試實驗臺和計算機測控技術綜合實驗臺應用于學生的綜合創(chuàng)新性實驗教學中。機械性能綜合測試實驗臺可測試傳動裝置的效率、速度、加速度等運動參數(shù)；計算機測控技術綜合實驗臺可采集裝置的參數(shù)并進行處理和控制。兩實驗臺為培養(yǎng)學生的動手能力、機電系統(tǒng)的設計能力和綜合分析問題的能力提供了一個平臺，學生通過綜合性實驗可以直接感受到現(xiàn)代科學研究與工程技術在工程中的實際應用。把科研成果和工程實例應用于實驗教學，開闊了學生的視野，加強了學生工程意識的養(yǎng)成，有利于促進對學生綜合設計能力、工程實際能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，有很好的效果，深受學生歡迎。

1.3.3 加強開放，為大學生科技創(chuàng)新活動提供平臺

中心成立以來，按照學校的有關規(guī)定，加大了開放力度，學生通過預約可隨時到實驗室從事科技創(chuàng)新活動。通過“機械創(chuàng)新及訓練實驗課”等系列課程，向學生傳授創(chuàng)造學、創(chuàng)新設計的基本理論和方法。通過國家大學生創(chuàng)新實驗計劃、CAD與造型設計大賽、機械創(chuàng)新設計大賽、結構設計大賽等活動，營造創(chuàng)新氛圍，使學生在創(chuàng)新的環(huán)境中發(fā)揮自己的聰明才智。

1.3.4 加強教材建設和軟件建設，提高實驗教學水平

適宜的實驗教材和教學方式是提高實驗教學質(zhì)量的重要保證。鼓勵各課程教師在新教學理念的指導下編寫實驗教材。中心成立以來，承擔了多項實驗室硬軟件建設項目，內(nèi)容涉及實驗教材建設、已購置實驗設備的功能開發(fā)、綜合創(chuàng)新實驗項目開發(fā)等，提高了實驗設備的利用率，充實了實驗教學的內(nèi)容，提高了實驗教學的水平。

1.3.5 優(yōu)化資源配置，構建設計制造信息化實驗平臺

針對以往實驗室分屬各教研室、實驗教學完全依附和依賴理論教學、相關學科的實驗內(nèi)容重疊、實驗設備重復等弊端，對相關學科的實驗教學內(nèi)容進行了有機的整合，避免了重復實驗；對相關學科的實驗教學設備進行了優(yōu)化配置，防止了設備的重復購置。中心建有自己的網(wǎng)站，涉及日常教學、實驗室管理、科學研究以及師生互動等內(nèi)容。網(wǎng)站成立了中心實驗教學與管理的信息化平臺，為中心的教學、管理、對外交流與合作發(fā)揮了重要作用。

1.3.6 理順管理體制，發(fā)揮教師主導作用

中心在學校和學院的統(tǒng)一領導下，由中心主任具體負責。中心建設規(guī)劃由中心主任、各系主任、各課程主講教師共同研討、確定，由學校會同學院審核通過，中心主任負責實施。實驗教學實行專職教師和兼職教師相結合，充分發(fā)揮教師的主導作用。積極鼓勵中心教師參加校級精品實驗課的建設和評選，對于獲獎教師除了學校的獎勵外，中心另外給予一定的獎勵。各實驗室的實驗準備、管理及設備的維護保養(yǎng)由專職實驗技術人員負責。

1.3.7 建立健全實驗項目研發(fā)機制，鼓勵自主研發(fā)

實驗項目和實驗設備研發(fā)能力反映一個實驗室的整體水平，根據(jù)我校機械工程的辦學歷史與學生就業(yè)特點，中心建立了實驗項目研發(fā)機制。主要包括：實驗設備自主研發(fā)，開發(fā)出新的實驗項目；對已有設備開發(fā)改造，更新或新增實驗項目；以社會需求為導向開發(fā)新的實驗項目；中心根據(jù)實驗項目的質(zhì)量與學生上課數(shù)量給予不同的獎勵，并納入實驗教學人員的考核體系。

2 實驗教學體系與內(nèi)容

2.1 實驗教學體系

實驗教學是構成高等學校課程教學的重要組成部分。中心按照新世紀經(jīng)濟建設和社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，與理論教學緊密結合，科學地設置實驗項目[6]，并注重先進性、開放性和將科研成果轉化為教學實驗，形成適應學科特點及自身系統(tǒng)性和科學性的、完整的實驗體系[7]; 全面培養(yǎng)學生的科學作風、實驗技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，使學生具有創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力[8]。

經(jīng)過不斷的探索，中心形成了“1234”的實驗教學體系(見圖1)，即“一個意識，兩種能力，三套體系，四項措施”， 著眼于學生大工程意識養(yǎng)成，培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力，實行理論教學體系、實驗實踐教學體系和實訓教學體系“三位一體”的教學模式，采取實驗單獨設課、組織科技競賽活動、實行技術等級證書制和科技創(chuàng)新活動沖抵選修課學分制4項激勵措施。

圖1 實驗教學體系圖

(1) 一個意識。中心從教學理念上進行了轉變，從傳統(tǒng)的傳授課本知識轉變?yōu)楣こ桃庾R的養(yǎng)成。①加強工程意識的訓練，使學生了解機械，掌握實驗的基本方法、基本技能和基本知識，激發(fā)學習機械、進行工程實驗和研究的興趣；②加強工程實際、物理建模、數(shù)學建模、實驗研究的能力培養(yǎng)，讓學生在工程實際中鍛煉力學建模、求解、實驗設計和實驗結果分析的能力，從而使學生所學知識與工程實際相一致。

(2) 兩種能力。培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力是工科大學生教育的目的。中心加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，突出產(chǎn)品設計中的創(chuàng)新意識，從設計中體會工程創(chuàng)新和理論創(chuàng)新，從設計中體會創(chuàng)新方法。加強課程設計、綜合設計、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生從方案設計到結構設計全過程的創(chuàng)新設計觀念，提高學生的創(chuàng)新能力。

(3) 三套體系。中心為了確保學生一個意識的養(yǎng)成和兩種能力的提高(獲取)，實行理論教學體系、實驗實踐教學體系和實訓教學體系“三位一體”的教學模式，從教學體系上保證了上述目標的實現(xiàn)。

(4) 四項措施。中心采取實驗單獨設課、組織科技競賽活動、實行技術等級證書制和科技創(chuàng)新活動沖抵選修課學分制的4項措施，提高和鼓勵學生積極投入工程實踐和創(chuàng)新活動中。①中心根據(jù)不同專業(yè)改革實驗教學體系，把實驗改為單獨設課和隨堂實驗2種方式，對機類和近機類開設獨立的實驗課程，課時為48學時，對非機類學生隨課堂設置實驗課；②中心定期組織科技創(chuàng)新設計大賽、結構設計大賽、CAD及三維造型設計大賽等活動，促進學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的不斷提高；③中心實訓基地每學期開出實訓課程，通過一定時間強化訓練，學生可獲得國家人力資源和社會保障部頒發(fā)的技術等級證書和交通運輸部頒發(fā)的駕駛證等證件，從而調(diào)動學生從事實訓的積極性；④中心協(xié)同學校制定出根據(jù)科技活動成果科技含量認定學分的辦法，科技活動成果可沖減選修課學分，從而使學生有更多的時間進行科技活動。通過4項措施的實施，對學生一個意識的養(yǎng)成和兩種能力的培養(yǎng)有較大的推進作用。

2.2 實驗教學內(nèi)容

實驗教學內(nèi)容主要包括基本型實驗、綜合型實驗、研究創(chuàng)新型實驗和機械制造工程訓練，其中綜合、研究創(chuàng)新型實驗在全部實驗項目中占有較大比例。

(1) 基本型實驗。使學生了解機器的組成，獲得機械設計的感性認識，掌握機械基礎理論知識，主要包括機械組成的認識實驗、機械零件幾何量的精密測量實驗、機械運動和動力參數(shù)測試、計算機輔助設計實驗四大模塊。如機構運動簡圖測繪、汽車結構認識實驗、形狀和位置誤差的測量、圓柱齒輪參數(shù)和誤差測量、回轉件的平衡實驗、滾動接觸疲勞實驗、計算機三維造型上機實驗等。

(2) 綜合型實驗。培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決問題的能力，主要包括機械性能及工作能力測定實驗、軸系結構分析和拼裝實驗、離心泵性能實驗、機械傳動系統(tǒng)方案的設計實驗、機械加工工藝設計實驗、微顆粒參數(shù)測量實驗、機械工程材料綜合實驗等。

(3) 創(chuàng)新型實驗。培養(yǎng)學生運用創(chuàng)造性思維解決實際問題的能力，主要包括人機工程創(chuàng)新設計實驗、創(chuàng)新思維與機械制作實驗、深孔鏜桿自激振動實驗、智能移動機器人設計實驗、油管接箍數(shù)控編程實驗、鏈條式抽油機PLC實驗等。

(4) 機械制造工程訓練。鍛煉學生的工程意識與實際動手能力，主要包括傳統(tǒng)加工實習、數(shù)控機床實習項目、特種加工實習項目、鉆采工藝裝備仿真實踐訓練等4個模塊。

3 實驗教學方法與手段

根據(jù)學生的認識規(guī)律和實際水平，中心建立了以學生為中心，以學生自我訓練為主的教學模式[9-10]。實驗內(nèi)容安排由淺入深，由簡單到綜合，以充分調(diào)動學生學習的主動性。學生通過實驗教學應掌握基本實驗操作方法，能夠正確地使用儀器設備，準確地采集實驗數(shù)據(jù)，并具有正確記錄、處理數(shù)據(jù)和表達實驗結果的能力；認真觀察實驗現(xiàn)象進行分析判斷、邏輯處理，做出結論的能力；正確設計實驗(選擇實驗方法、實驗條件、儀器設備等)，能通過查閱手冊、工具書及其他信息源獲得信息以解決實際問題的能力。通過實驗教學培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、百折不撓的工作作風、勇于開拓的創(chuàng)新意識和相互協(xié)作的團隊精神。

中心運用現(xiàn)代化技術及先進的實驗教學手段，充分利用網(wǎng)絡教學平臺[11]近幾年研制的機械基礎資源庫及各種實驗教學媒體，利用網(wǎng)上資源進行實驗教學，推廣運用虛擬、仿真等實驗技術手段，把虛擬、仿真實驗和實際操作相結合，拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生的實驗技能和科研能力，使學生工程意識自然養(yǎng)成。

工程訓練按照機械制造的一般過程及常用的工藝方法展開實踐教學[12]。學生主要通過各工種的實際訓練學習各工種的工藝知識、掌握各種操作技能，利用開展“創(chuàng)新設計與制造”競賽和“技術等級證書制”等活動，充分調(diào)動學生參與工程訓練的積極性。工程訓練過程中，學生可通過指導人員的現(xiàn)場講解和教師的專題講座進行基本知識學習，利用網(wǎng)絡多媒體課件進行自學和預習，通過實際零件的制作、操作考試和理論考試促進學生學習，保證實習質(zhì)量。

4 中心特色

中心堅持“五個結合”的實驗教學特色，統(tǒng)籌科研和教學資源，不斷提升實驗教學的水平。在教學過程中始終堅持理論課程教學與實驗教學相結合，拓展學生的邏輯思維與動手能力；常規(guī)實驗改造與創(chuàng)新實驗相結合，在實踐環(huán)節(jié)中提升學生的創(chuàng)新性；大眾教育與分層次培養(yǎng)相結合，針對學生的不同特點進行個性化培養(yǎng)；綜合性實驗與工程實踐、科研項目相結合，提升學生解決實際問題的能力；課內(nèi)實驗教學與課外科技創(chuàng)新活動相結合，提升學生從事科研創(chuàng)新活動的積極性。

根據(jù)石油行業(yè)的特點和培養(yǎng)學生實踐能力的需要，中心基于學生培養(yǎng)的不同階段，優(yōu)化設備配置。實驗設備涵蓋了結構設計、材料分析、加工制造與石油專用測試方面的儀器和設備，并建立了軟件共享平臺。為了便于學生開展課外科技實踐活動，專門建立了大學生機電創(chuàng)新實驗室，培養(yǎng)學生從分析計算、結構設計、力學性能仿真到實物模型制作的全過程，提高學生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。

5 實驗教學效果

中心面向機電工程學院、石油工程學院等7個學院23個專業(yè)3 000多名本科生開設實驗課程，覆蓋面廣。先進的教學理念、豐富的教學內(nèi)容以及現(xiàn)代的教學手段，極大地激發(fā)了學生的學習熱情。實驗效果受到了教育部本科評估專家的好評。

(1) 學生綜合素質(zhì)高，解決實際工程問題能力強。學生在中心經(jīng)過實驗，掌握了機械工程實驗基本技能，提高了學生的綜合素質(zhì)與能力，使學生逐步地養(yǎng)成工程意識。通過綜合實驗的訓練，顯著提高了學生的自學能力、實驗技能和動手能力、分析和解決實際問題的能力等。計算機輔助設計和計算機編程在課程中的應用保持4年不斷線。畢業(yè)生就業(yè)率始終保持在95%以上，受到了用人單位的一致好評。

(2) 實驗教學成果豐富。近5年來，中心教師先后發(fā)表教學論文82篇，出版教材20余部。以實驗為支撐，開設了省級精品課8門。教改項目“新時期機械工程學科本科培養(yǎng)模式研究”獲山東省優(yōu)秀教學成果二等獎，“以人為本，柔性培養(yǎng)人才新機制的研究與實踐”與“新時期機械工程學科本科培養(yǎng)模式研究” 獲山東省高等教育教學成果二等獎。中心重視教學研究與改革，通過教學研究與改革推動實驗教學水平的提高。近5年來，中心教師承擔教學研究與教學改革項目39項，其中省部級10項。中心注重教學成果在實驗教學中的應用，注重發(fā)揮成果的示范和輻射作用。

(3) 學生的綜合設計能力和創(chuàng)新能力有了明顯的提高。在學校的支持下每年舉辦課外創(chuàng)新設計大賽，并組織學生參加校外的比賽。學生的綜合設計能力、創(chuàng)新能力和動手能力得到了極大的提高。近幾年，中心教師指導國家大學生創(chuàng)新實驗計劃項目38項，指導“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”創(chuàng)新訓練項目67項。通過中心教師的指導或協(xié)助指導，在挑戰(zhàn)杯全國大學生課外學術科技作品競賽、大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、大學生在全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、中國大學生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)大賽、山東省機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計大賽中獲得各類獎勵136項。學生的作品充分顯示了他們的創(chuàng)新意識和設計能力，不少作品能運用機械、電子、液氣控的相關知識，具有較好的功能和性能要求，部分作品經(jīng)詳細設計后可轉化為產(chǎn)品。

6 結束語

實驗與實踐教學環(huán)節(jié)是學生鞏固和深化理論知識的重要途徑，也是培養(yǎng)學生基本技能、發(fā)現(xiàn)和解決實際問題能力、自主學習能力、創(chuàng)新能力和全面素質(zhì)的重要途徑。機械工程實驗教學中心堅持以學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，注重培養(yǎng)學生的動手能力、工程意識與創(chuàng)新精神，有效促進了學生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，形成了鮮明的特色和優(yōu)勢。中心優(yōu)化實驗教學隊伍結構，加強資源的統(tǒng)籌利用，構建科學的實驗教學質(zhì)量保障體系，積極參與教學內(nèi)容、方法與實驗體系的改革，以教學研究和改革進一步推動中心實驗教學水平的提高，為經(jīng)濟建設和社會發(fā)展服務。

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