面向創新型人才培養的機械工程實踐教學體系建設

摘要 本文從教學理念與改革思路、教學體系與教學內容、教學方法與教學手段、教學效果與成果等方面探討了國家級實驗教學示范中心——天津大學機械工程實踐教學中心關于面向創新型人才培養的機械工程實踐教學體系的建設。

關鍵詞 創新型人才培養 機械工程 實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

1 教學理念與改革思路

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計劃項目的首批十所高校之一，天津大學非常重視實踐教學環節，重視國家級實驗教學示范中心的建設。2004年，天津大學投資3300萬元建成15000㎡的實踐教學大樓，將原來分散的實習中心和各基礎實驗室以及專業實驗室集中在一起，成立了機械工程實踐教學中心。

天津大學機械工程實踐教學中心圍繞國家級實驗教學中心的建設目標，明確了長期建設發展方向：

（1）圍繞學校人才培養目標“培養理論基礎厚、專業口徑寬、實踐能力強、綜合素質高，具有社會責任感、國際視野和創新精神的高層次人才”進行中心的規劃和建設。

（2）深化工程實踐教育改革，樹立以學生為主體，教師為主導，知識、能力和素質協調發展的教育理念；提升認知、動手、創新三個能力和整體綜合素質的培養。

（3）構建工程實踐教育體系，將實踐教學活動貫穿于現代工程教育的各個環節，用科研成果帶動系列課程和教學實踐環節創新。

（4）整合優化資源配置，與機械工程學科發展緊密結合，統籌規劃實驗室建設，以學科科研成果提升本科生實驗教學水平。

2 教學體系與教學內容

2.1 建立與理論教學有機結合，以能力培養為核心，分層次的實驗教學體系

配合工程實踐教育改革，中心建立層次化、模塊化實踐教學體系。將實踐教學內容劃分為基礎型實踐教學、綜合設計型實踐教學和研究創新型實驗教學三個層次。形成了包括實習、實驗、課程設計、畢業設計、課內外科技創新活動等主要教學環節，貫穿于本科教育人才培養全過程的綜合工程實踐教育的新體系。

（1）基礎型實踐教學：面向本科低年級學生，培養基本的工程實踐能力。學生根據實驗指導書的要求，在教師指導下，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，培養學生基本實驗能力。

（2）綜合設計型實驗教學：面向機械類和近機類學生，培養綜合應用知識能力和一定的系統集成能力。學生經過一個階段理論課和實驗課的學習，綜合運用所學知識和技能，完成一定的實驗內容?？梢栽谝婚T課程的一個小循環之后安排綜合實驗，或在幾門課程之后安排較大規模的、較長時間的綜合實驗，在教師指導下，采用集設計與制作為一體的開放式教學模式進行，主要目標在于培養學生理論聯系實際和綜合設計與實驗能力。

（3）研究創新型實驗教學：面向機械類高年級學生。學生根據實驗題目，運用所學知識，開展創造性思維，確定實驗方案。獨立操作完成實驗，并進行綜合分析。培養學生的獨立思考（科學研究）能力、組織能力、實驗能力和創新能力。

以我校黃田教授科研成果——Diamond 高速并聯機械手為載體，以其技術創新過程為典型案例，將設計、制造和控制三大系列課程的主要內容貫穿于機電產品的研究、創新與開發流程中，是以培養學生綜合應用知識能力和系統集成能力，進一步提高學生的工程設計能力、工程實踐能力和科技創新能力。并聯機械手實驗室面積120平方米，可同時容納一個班學生開展實驗。實驗貫穿了包括概念設計、運動學/剛性動力學分析、結構設計、三維造型與運動仿真，工藝設計、數控編程、零件加工、裝配，機械手離線編程、控制系統搭建、程序網絡傳輸、運動控制等內容系列課程的堂上案例教學和實驗教學；使用同一載體，開設創新型綜合實驗，構建可重構的模組散件和控制系統。該實驗是以科研成果為引導的研究創新性教學——Research lead teaching，并實現了實驗教學的國際交流。這種基于“1+X”模式的教學改革與實踐，獲2009年第六屆高等教育天津市級教學成果一等獎。

基礎型實驗 28個，占54.9%；綜合設計型實驗20個，占39.2 %；研究創新型實驗3個，占5.9%。綜合設計型實驗和研究創新型實驗占總實驗的45.1%。更新實驗占總實驗的15.7%。

2.2 教學內容注重傳統與現代的結合，與科研、工程和社會應用實踐密切聯系，融入科技創新和實驗教學改革成果，實驗項目不斷更新

在實驗內容建設方面，著重開展以下三方面的工作：

（1）規范基礎實驗教學內容。對于傳統的基礎實驗，進行規范化管理，更新實驗手段，修訂實驗教程，完善實驗內容，提高教學效果。

（2）加強數控等新設備、新材料、新工藝等實踐教學內容。利用世行貸款、天南大共建、“985”項目等建設經費，采購一批數控車床、數控銑床、電火花加工等設備，加強數控技術實踐教學內容。

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

3 教學方法與教學手段

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

在實驗教學方案的設計中，中心注重啟迪學生思維，注重培養創新意識。通過開放實驗室建設和創新實驗的開發、開辟校外實踐教學基地，組織大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生機械產品數字化設計大賽、機械產品創新設計大賽等科技競賽活動，有效地培養學生的創新意識和工程實踐能力。

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

中心鼓勵學生自主設計實驗和多人共同設計大型實驗。例如：機器人創意設計及三維實體構型創新實驗旨在鍛煉學生自主創新能力以及熟練使用三維實體繪圖軟件的能力；實驗要求學生分組進行，在具備一定的知識背景后，融入創新理念和方法，鼓勵學生從生活中觀察、討論、研究并確定每組各自的機器人方案，完成從概念設計、功能設計到產品構型設計的過程。在成果展示階段，本組對各自機器人的名稱、功能、用途和傳動機構的特點等做詳細介紹，同學們自由提問與當堂解答的方式調動了課堂氣氛，最終成績為各組互評和教師打分相結合。為學生在機械原理與機械設計等后續課程的學習中奠定基礎。

4 教學效果與成果

中心以現有機械設計實驗室為依托，以機械設計模型室為主要基地，建立貫穿于大學生認知實驗、課程實驗、課程設計，以及課外科技創新活動的綜合性開放實驗室硬件環境。中心建立了面向學生課外開放的實驗室，建立創新設計實踐教學平臺，成立大學生創新活動俱樂部?！按髮W生創新活動俱樂部”的功能是學生與教師、學生與企業之間溝通的平臺，是實驗教學的一個輔助機構。俱樂部強調成功是一種財富，失敗同樣是一種財富，重在實踐；強調各類創新活動，但并不以大賽獲獎為目標；強調跨專業的團隊合作和知識的融合。組織不同年級、不同專業的學生參與創新實踐活動。建立了多個學生實踐活動基地，例如：“天津金輪自行車集團有限公司”、 “天津福源世紀生物質能源技術”、 “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”。學生們在參加創新實驗活動的過程中，通過深入“天津福源世紀生物質能源技術”活動基地，參加了節能減排大賽并獲獎。

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

天津大學機械工程實踐教學中心經過5年的建設，形成了鮮明特色。在機械工程一級學科的平臺上，構建了面向創新人才培養的，服務于多層次工程實踐教學活動和科技創新活動的機械工程實踐教學體系，并具有強大的示范輻射功能。