中美機械工程專業本科實踐性教學的比較分析

馬綱

摘? 要：機械工程作為一個重要的基礎學科，為“中國制造2025”提供著基礎支撐，是工程教育中重要的組成部分。機械設計類課程是機械工程本科教育的主干技術基礎，也是培養學生創新、綜合設計能力的重要環節。文章以對美國路易斯安那州立大學機械工程本科生教學進行的詳細調研為基礎，對專業課程設置、實踐類課程實施層面進行分析，重點深入研究了實踐環節課程的特色，并與國內學校的相關課程進行了對比分析，給出了作者的思考和建議。可以為機械工程專業本科教學的改革和建設提供有益的幫助。

關鍵詞：工程教育;本科教學;機械設計;綜合實踐;課程實施

中圖分類號：G642 文獻標志碼：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

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，隨著包括“服務創新驅動發展”“中國制造2025”等一系列國家戰略的實施，對高等工程教育提出了越來越高的要求。工程教育面臨構建工科人才培養新體系、模式、機制的要求和推出人才培養新理念、高質量的挑戰。

教育部復旦“新工科”建設共識中提出：新工科建設需要借鑒國際經驗、加強國際合作。扎根中國、放眼全球、辦出特色，借鑒國際先進理念和標準，明確新工科教育未來發展的重點和方向，分析新工科人才應具備的素質，構建新工科人才能力體系，培養具有國際視野的創新型工程技術人才。深入了解和分析國內外工程教育的特點，是新工科建設的重要問題。

機械工程作為傳統基礎學科，是工程教育重要的組成部分。機械設計類課程是工科本科教育的主干技術基礎，為機械工程、動力工程等多個專業提供基礎支撐。國內外高校本科教育中的機械設計類課程，是機械工程學科的根基之一，其重要的特點是以設計為主線、注重綜合，在設計和創新能力培養上具有明顯的優勢。如何在打穩根基的同時激發學生的創新意識，使得創新思維培養和設計能力提升齊頭并進，是機械設計類課程改革的關鍵。研究分析國外高校的情況，有利于發現我們目前課程教學中存在的問題，結合新工科目標定位，提出改進措施，確定課程改革建設的方向并開展工作，促進機械工程教育在體系或模式方面的改革，提升機械工程人才培養的整體質量。

本文以對美國相關高校本科生機械設計類課程詳細調研為基礎，從課程設置、實踐類課程實施層面，深入研究分析了課程體系、內容及實施過程，并與國內高校的相關情況進行了對比分析，指出了主要的差異及帶來啟發。本文主要為作者的思考建議，以期為國內高校相關課程的改革和建設提供有益的幫助。

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

一、機械工程專業課程整體設置

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

（一）LSU-ME專業課程整體設置

LSU-ME專業本科學制為4年，課程設置主要由基礎課、工程專業基礎課和專業課組成，每學期學分約達14-18分，達到授予學位的總學分要求為127學分。

圖1為LSU-ME專業本科學位學分及選課要求。

圖2為LSU-ME和北航機械工程專業課程設置情況分類統計對比情況，基礎課程、專業基礎、專業課程設置及總學分占比接近。LSU-ME專業課程設置與國內高校機械工程專業基本類似，國內外在機械工程本科專業知識體系的構架和要求方面基本一致。

（二）課程設置情況分析

對開課和選課情況詳細調研的結果，表明其課程設置中的幾個特點：

1. LSU本科教學中很重視基礎類教學，同類課程的學時和學分數均高于北航及同類國內高校目前的學時和學分設置，與近些年國內各高校普遍減少本科課程中專業基礎課程學時和學分的現狀對比，美國高校在本科教學中的學時投入和對學生的要求要高于國內高校。

2. 專業課程設置涉及面廣，專業課程的開設和選擇由教師自主提出，學生自由選擇，對于發揮教師特長和激發學生興趣具有良好的作用。

3. 實驗和實踐環節所占比例大。試驗課程學分不多但學時多，都是在實驗室和生產車間現場進行教學，學習效果好，有利于與后續課程的銜接。全部采取小組教學，保證了每個學生的參與和主動學習。

二、實踐類課程實施與分析

從課程整體設置來看，LSU非常重視實踐類課程，這類課程學分雖少但學時長，保證讓學生充分得到訓練。選擇有代表性的Capstone課程來進行分析。

Capstone課程是LSU-ME專業很有特色的一門課程，是培養學生工程設計能力的一個重要環節，類似于國內的畢業設計，但工作內容和進行方式有比較大的區別。

（一）課程基本情況

1. 課程定位

Capstone設計項目的任務是讓學生進行一次全面的、創造性的、多學科的設計，完成一個完整的設計過程。在這個設計項目學習中除了讓學生在職業技術層面上完成設計任務的功能要求外，同時還使學生在職業素養上如專業的設計工程師一樣帶著目標、挑戰和責任進行工作。ME專業的本科學生以兩個學期的Capstone Senior Design course作為本科階段學習的終極訓練。

2. 課程時間安排

項目從秋季學期開始，持續秋季、春季兩個學期，秋季學期初選定設計任務，到春季學期期末完成整個項目，春節學期末進行項目完成答辯和展示。

（二）課程實施

1. 實施的主要要求和過程

在Capstone Design Program公布本學年的項目要求后，由學生自主選擇，然后以團隊的形式安排具體項目，學生以團隊的形式針對所安排的項目開展工作。項目一般來自于工業部門、非盈利組織、個人或學校內部。工業項目優先安排，因為它們與實踐和真實世界直接關聯，因此是非常有價值的。團隊通常是跨學科的，這取決于項目的需求。

Capstone設計項目包括兩個連續的課程（秋季和春季），并強調設計過程和交付成功的工程、測試和驗證的結果。同時由于關注的是學生的教育，強調成功的結果但不完全保證。在Capstone設計周期的第一學期，學生團隊會獲得對項目范圍的理解，進而制定工程規范，開發概念性解決方案和設計，通過概念分析和選擇過程進行必要的工程分析，提出一個最后的設計方案并設計完整的工程制造圖紙。將這個設計的原型設計提交給專家小組，由他們提供評估和評價，學生小組在學期結束時提交最終報告。

在Capstone設計周期的第二個學期，學生團隊開始對他們的設計進行物理的實現和測試，最后交付一個經過設計、測試和驗證的產品。接著他們會在同樣的專家小組面前進行答辯，然后由每個團隊提交最終的綜合報告，記錄他們構建和測試的原型以及相關的設計、實現和測試過程。如果不能在周期結束時交付一個已完成的原理樣機產品，則可能導致該課程失敗。為了避免這種情況，必須對每個不符合規范的問題進行解釋，并提出能解決其根本問題的可行性解決方案。

在這兩個學期的項目實現過程中，除了設計概念和技術問題，學生們不得不面對團隊協作、領導、項目和預算管理、評估、采購、重新設計的挑戰，以及實際生產和多種形式的與客戶、技術支持人員、供應商、監管機構和公眾溝通的挑戰，從而得到全面的學習鍛煉和能力提升。

2. 考核和評價方式

設置不同環節和評價人員，分階段進行評價考核。

（1）Notebook check環節：由老師、助教負責，以每兩周為單位對學生的工作進度和工作過程進行評價記錄。

（2）Presentation環節：包括第一學期的project schedual和第二學期的final presention。以團隊形式對設計方案、設計過程、設計測試、最終結果進行介紹和展示，由專家小組進行提問答辯和評價。答辯的專家小組由企業界人士、教授指導團隊及其他教師組成，約20人。教授指導團隊由機械工程系6位教授組成，在項目進行過程中依階段做報告指導和討論，每個項目小組還有專門的指導教師進行更細致的指導。

（3）Report環節：根據提交的階段性報告和綜合報告進行評價。

后兩個環節按照小組給出綜合評價，分為優秀、良好等幾個檔次，小組內每個成員的具體成績評價由助教根據notebook和report的完成情況來給定等級，兩方面綜合給出最后的個人考核成績。指導老師一般不參與對學生的評價。

（三）實踐課程特點分析

ME-Capstone項目在LSU-ME專業開展多年，多年經驗不斷積累和改進使得這個項目在整個的ME專業教學中起到了很重要的作用，也使得學生得到了真正的鍛煉和能力的提升，教學效果很好，受到了廣泛的好評。兩個學期的課程跟蹤，作者對這個課程在深入了解之后也產生了同樣的感受，認為其值得學習借鑒。從課程的特點來看，類似于國內的課程設計和畢業設計，是專業的主要實踐環節。但和國內的設計實踐環節相比較，其有一些突出的特點。

1. 周期長，任務重，結果要求明確。這個項目安排完整的時間是兩個學期，實際在項目進行過程中，圣誕前后的冬季學期中這個工作一直在進行中。學校的加工車間在冬季學期仍向學生開放，指導教師有值日安排，很多學生冬季學期仍在繼續進行這項工作，投入了大量的精力去完成這個工作。根據每個小組項目的特點，每個項目都有明確的結果要求，很多項目必須要完成樣機產品的制作并且提供相應的測試結果報告，讓學生得到真正的鍛煉和能力的提高。

2. 通過與企業和社會需求直接對接，使得設計任務設置與工程問題結合緊密，項目經費與組織管理流程到位，為項目的實施提供良好的保障。Capstone設計項目，是企業贊助商向LSU工程專業學生介紹項目的名稱和品牌的一個機會，也是吸引學生參與公司項目的一個有效途徑。在項目實施過程中，學生能夠在真實的設計過程中提高能力并為塑造自身成為高質量的工程師打下良好基礎，贊助商可以觀察學生的行動，深入了解其能力并選擇優秀的學生成為自己的員工。私人贊助商將有機會讓他們的項目理念在原型水平上進行設計和實現，并使學生受益。

學校通過有效的途徑與工業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、個人的申請和贊助，建立規范的項目合作管理制度和經費管理制度，包括項目成果分配制度，使得企業和學生多方受益。這種良性循環的建立與美國高等教育中企業及校友資助的文化密切相關，也和學校的規范管理制度關系密切，實現了雙贏的結果。

3. 課程管理到位、工作高效，保證了教學質量。課程設立專門的ME-Capstone委員會，系主任作為第一負責人對項目的立項、經費的使用等進行管理。項目進行過程中有6位教授團隊會對學生進行指導，同時每個小組有相關的企業設計人員或學院老師進行具體指導。階段性答辯中教授團隊會進行提問評價，最后的項目答辯中有教授團隊、企業界人士和其他教師組成的專業答辯小組，針對每個小組進行細致的提問評價，悉心指導學生的同時又會對其嚴格要求，取得了不錯的效果。在這個過程中，教授團隊的付出很大，老師們拿出了大量的時間和精力與學生一起討論研究，工作作風踏實認真，真正做到了以學生能力的提高和培養為目標，學生也很投入，收獲很大。

4. 多學科交叉，使學生能力在多方面得到提高。以項目為主導，學生主要以ME專業為主，同時包括了電子工程、工業工程等其他專業的學生。小組中對設計任務進行細致劃分，每個學生負責的具體任務分工明確，同時相互之間的接口保持暢通。從設計任務出發，不僅要考慮具體的技術方法和路線，同時要進行經費預算，采購、加工調試、測試等多個環節的工作，讓學生在團隊協作、設計、工程實施等各個方面得到鍛煉和提高。

5. 硬件設備配備充分、使用管理規范方便，為項目實施提供了良好的保障。項目實施過程都是在專門的實驗場地進行。學校配套的加工車間、數控設備、3D打印設備等都會提供給學生使用，使用過程中建立了相應的設備管理和使用規范，包括采購過程經費使用、采購產品進貨檢驗等都有詳細的規定和實施步驟，為學生順利開展項目工作提供了很好的條件，同時也使得學生在項目進行過程中對一般的項目研發管理流程和管理規范進行了學習，得到了訓練和提高。

三、結束語

LSU機械工程中課程的實施，對國內課程改革建設有著重要的啟示，主要包括：

1. 從課程設置來看，整體設置基本一致。但在具體的課程學時來看，國外的專業基礎課程學時多，沒有進行大量的刪減。課內學時充足，有利于保證學生基礎知識掌握的更為牢固，提高思維和創新能力。

2. 從機械設計課程的具體實施情況來看，國外對內容的把握和基礎知識的掌握要求更為細致深入，對小班教學、多媒體應用等主要在教學形式方面并無過多的要求。與國內進行教學手段改革多強調實施形式的做法比較，更注重內涵。這也是我們在課程改革進行過程中應注意的問題。

3. 工程類專業及課程，突出的特點是要突出工程實踐性，將工程實踐性確實落到實處，需要做大量的基礎工作，從教學設計、教學管理、硬件建設和硬件使用，是一個系統工程，也是切實鍛煉和提高學生工程設計及創新能力的非常有效的手段，國外高校在這方面進行了深入具體的研究，我們需要下大力氣做切實的工作，以此提高效率和質量。

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