美國威斯康星大學麥迪遜分校機械工程專業培養計劃

焦 波 孫洪源 賈風光 薛 芳

（山東交通學院船舶與港口工程學院 山東·威海 264200）

0 引言

美國威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）被譽為公立常春藤大學，代表美國公立大學最高水平[1]。機械工程是工程學中最古老的分支之一，在UW-Madison中存在超過了一個半世紀。在這段時間里，制造業等傳統領域已經演變為利用傳感器、模擬和大量新材料對可持續技術的研究。他們著名的能源實驗室不僅在提高內燃機效率，而且也在發展可再生能源和用于量子計算的低溫技術。如今UW-Madison的機械工程意味著探索納米技術和軟材料，包括可穿戴電子設備、觸覺、假肢和康復機器人。這意味著需要高性能計算來建模和預測極其復雜的交互過程，例如細胞和組織力學以及物理力如何影響關節和大腦。威斯康星大學麥迪遜分校機械工程在最新公布的全美2021專業排行榜中位于第19位[2]。

威斯康星大學麥迪遜分校機械工程專業的演變是適應及引領以先進制造業、生物醫藥、人工智能、量子信息科學等為代表的第四次工業革命快速發展的結果。這一場世界科技革命和產業變革同我國經濟模式轉型發展形成了歷史性的交匯，對工程教育提出了前所未有的挑戰。為主動應對新一輪科技產業變革，教育部于2017年2月推出“新工科”計劃[3-5]，旨在通過內涵式發展，面向工業界、面向世界、面向未來，以工程教育新理念、新模式、新方法、新內容、新質量等作為高校新工科建設和教育改革的基本內容，構建新工科專業或改造現有專業，培養滿足新經濟和產業所需的新型工程技術人才。本文對威斯康星大學麥迪遜分校機械工程專業2020版培養計劃[6]進行了梳理和分析，總結了其課程體系的特點，旨在為推動新工科專業建設提供參考和借鑒。

1 威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系本科課程體系

根據四年學習計劃及課程邏輯關系，作者總結并繪制了課程框圖（見圖1），課程右下角的數字代表學分，總學分要求不低于128。從圖中可以看出，學生每學期的課程在4-6門、13-18學分之間，低于我國大學同類專業，相對來說學生有更多的自主支配的時間。從課程性質及結構來看具有以下特征：

（1）通識課程：不少于15學分，占總學分11.72%，包括人文、文學、藝術類（不少于6學分），社會科學（不少于3學分），種族研究（不少于3學分），這些內容確保每個畢業生都能獲得本科教育的基本核心，為生活創造了一個基礎，作為一個世界公民，理解審美價值觀，并在不斷變化的世界中從事終生學習。這部分為學生提供了解公共衛生、安全和福利以及全球、文化、社會、環境和經濟因素的途徑，同時培養學習新知識的能力。

（2）溝通技能：該校工學院設有專門的技術溝通課程組，負責講授和指導學生，這部分由溝通A和技術溝通兩門課組成，合計6學分，占4.69%。內容包括工程、科學和技術交流；計劃、準備和評論報告、建議、指示和商務信函的理論和實踐；研究策略、協作工作以及口頭報告。這些內容用來培養學生與廣泛受眾有效溝通，以及在團隊合作中有效工作的能力。

（3）數學與統計學：不少于19學分，內容包括微積分、線性代數與微積分、統計學。

（4）基礎科學：不少于14學分，包括普通化學、普通物理及計算機編程，化學可以選擇一門高級課程，或者兩門課程的組合（圖1用虛線框表示出來）。

圖1：課程流程圖（適用于2020年后秋季入學的學生）

以上兩部分內容與一門數學或科學選修課共計36學分（占總學分的28.13%），突出數學和基礎科學在機械工程專業中的作用，夯實了學生應用數學和科學原理的能力。

（5）非機械類課程：包括靜力學、材料科學概論、電路、機電功率轉換基礎或者機械工程控制基礎（二選一），共12學分，占9.38%，起到了為專業核心課奠定基礎以及擴展學生知識面的作用。

（6）專業核心課：共50學分（占比39.06%），17門課程，圖1中以ME為標記（除ME346以外），課程內容涵蓋了工程師從事機械和能源兩個領域所必需的專業背景，具體來說：

機械領域涵蓋產品和設備的設計與制造。專注于設計的工程師需要構思新的設備和機器，同時也改進現有的設計，因此必須精通運動學、機械元件、力學、材料強度和性能、動力學、振動等。專注于制造業的工程師參與規劃和選擇制造方法，設計和開發制造設備，并提高效率以及目前聚合物、金屬和陶瓷產品制造技術的生產力，他們需要利用化學、材料科學、材料力學、材料加工原理和實踐、計算機控制原理、工程統計學和其他物理和熱學科學來改進制造操作和系統，以及生產的產品。

在能源領域中，機械工程師研究液體、氣體和固體在各種能量轉換系統中的行為，汽車發動機、燃氣輪機、蒸汽發電廠、制冷系統、空氣污染控制、低溫和能源利用都需要這種背景，熱力學、流體力學、傳熱學和相關學科提供了這方面的知識。

課程體系中的綜合實踐（實驗或設計）的課程有4門，共計12學分。ME351和ME352組成了為期一年跨學科的項目設計課程，學生設計和制造系統和設備。ME370是對各種能量轉換系統的性能進行實驗評估和分析，如汽輪機、壓縮機、制冷系統、風機和內燃機。在其前導課測量實驗(ME368)的基礎上，進一步培養學生的實踐能力。

（7）專業選修課：不低于9學分，占7.03%。機械工程隸屬于工學院，該學院還設有其他12個專業，其中生物醫學工程、化學與生物工程、電子與計算機工程、工程物理、材料科學與工程、核工程、工程力學(航空航天)專業與機械工程高度交叉與融合，為培養學生跨學科背景與經歷提供支撐。學生通過專業選修課的學習，可以進一步專攻上述某一領域。

2 威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系專業選修課程

學院網站提供了機械工程系2020年秋-2023年秋學期開設的專業選修課計劃表，包含每門課程的詳細開課信息[7]。專業選修課在設計、制造和能源三個方向都提供了豐富的選擇，三年半期間共提供了58門課程，每學期開課數量在20-27門之間，學生可以根據課程的詳細信息和具體要求提前規劃學習方向、內容和深度。從課程內容上看，體現出如下特色：

（1）與生命科學深度融合：骨科植入物設計介紹全關節置換的應用設計流程，包括：關節解剖、組織特性、外科手術方法、關節負荷、植入材料、臨床前測試和分析。生物組織力學介紹肌肉骨骼和心血管組織的固體力學，內容包括正常和病理行為（剛度、強度、松弛、蠕變、適應性重塑等）的檢測和量化。

（2）面向復雜工程的訓練：先進材料設計方法介紹一種結構化方法來解決設計中需要考慮多個約束條件和相互沖突目標的復雜材料選擇問題。主題包括：斷裂力學，腐蝕和腐蝕緩解，制造工藝及其選擇的影響，金屬、陶瓷、聚合物和復合材料的性能發展，以及材料分析技術。

（3）通過實踐理解工程概念、工程設計或實驗過程及進行探索：機器人概論通過實際操作介紹當前機器人系統應用的關鍵概念和工具，旨在為學生提供了解機器人系統的途徑，為自己的目標探索機器人技術，或在該領域繼續深造。實驗力學課程用實驗方法設計和分析機械部件、結構和材料，內容包括基于電學和光學方法記錄應力、應變和變形，計算機采集/還原/顯示技術，靜態和瞬態事件、傳感器設計、無損檢測、斷裂和殘余應力的應用。

（4）創造性的實踐工程設計過程：產品設計是以項目為導向的跨學科課程，重點在于設計有競爭力的、高質量的產品。產品開發過程涵蓋了從問題識別到詳細設計和評估，所涉及的主題有創意的產生和評估、可視化和質量。

（5）高級課程與數學和計算工程緊密結合：如機械元件和系統的優化設計、機構設計與分析中的矩陣方法、高性能計算的工程應用。

威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系開設的專業選修課涉及的知識面寬廣、跨學科特征明顯。教學內容的實踐性強、突出復雜工程問題和工程設計的特征，中高級課程與數學和計算機科學高度融合，內容面向行業發展前沿。

3 結語

以美國威斯康星大學麥迪遜分校機械工程專業已成立了150多年，迄今仍保持了旺盛的生命力，并走在引領科技革命的前列。本文主要對威斯康星大學麥迪遜分校機械工程專業2020版培養計劃和課程體系進行了梳理和分析，重點總結了專業核心課和專業選修課的特點，以期為我國工程教育認證的持續發展提供參考，為新工科專業建設提供案例。