加州大學洛杉磯分校頂點課程的機械工程實驗教學淺析

范志堅， 李 偉

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引 言

在工程類專業課程的教學過程中，實驗教學是整個教學體系中的重要組成部分。隨著高校實驗教學環境的改善及教學水平的提高，為滿足對學生綜合素質培養的需求，減少演示性、驗證性實驗項目，逐漸增加設計性、創新性及綜合性的實驗內容已成為目前實驗教學的發展趨勢[1-4]。與此同時，開放性實驗室建設以及教學與科研結合的實驗內容開發也成為目前整個實驗教學改革中的熱點討論問題[5-8]。針對以上現代實驗課程教學中的需求特點，本文在上海高校實驗技術隊伍建設計劃的支持下，對美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)機械與航空航天工程系的本科實驗教學方法及實驗室建設進行了調研，在充分參與機械工程專業的頂點課程(Capstone Course)過程中，通過分析及總結其實驗課程的教學內容及組織方式，從學生綜合能力的培養、開放性實驗室建設、實驗教學資源的整合等三個方面，對機械工程學科本科實驗課程教學的建設進行討論。

1 UCLA機械工程專業頂點課程介紹

頂點課程是美國高校工程類專業面向大學四年級開設的實踐課程[9-10]。機械產品設計(Mechanical Product Design)是UCLA機械工程專業的頂點課程，它要求學生利用整個本科教育階段所學的知識，在特定的設計題目、設計要求以及項目預算下，以團隊為單位，發揮專業能力、協作能力及創新精神，完成產品的設計、制造及自動化控制等任務。該課程面向機械工程專業的所有學生，跨時兩個學期，是一門集合了機械產品的設計、分析、制造、自動化等多個環節的大型綜合性創新實驗課程。

2016年度課程的設計要求為：以4或5人小組為單位，在課程提供的375美金項目預算下，設計一種可以自動導航的機器人小車，能夠在圖1所示的具有坡度及彎道的特定軌道上進行自動往復行駛。此外，小車需具有高爾夫球發射機構，能夠在軌道頂點處的邊緣停下后，將高爾夫球發射至盡量遠處。在2016年度的課程中，共有112名學生參與課程，并由3位教授、4位在讀碩、博士助教、2位工程輔助人員為學生授課及提供實驗技術支持。

圖1 小車運行軌道模型

在實施過程上，整個課程按學期分為2個階段：第一學期為技能訓練階段，通過課程設置的多節課堂及實驗內容，使學生在根據產品需求提出概念設計的基礎上，完成Solidworks平臺的上設計、分析、驗證及LabVIEW平臺上數據采集、系統控制等多個實驗點，從而對整個項目中需要用到的技能進行訓練及強化；第二學期為項目實踐階段，學生需要根據概念階段提出的設計方案，完成產品機械部分的零部件及整體裝配模型，并在此基礎上對設計方案中的產品重量、運動速度、摩擦力、牽引力等一些關鍵參數進行計算，完成動力元件的選型；設計工作完成后，學生需要利用校內實驗室提供的多種機床、加工中心、3D打印機等設備對大部分結構性零件進行加工制造，再配合購買獲得的一些小型零件及標準件，完成小車成品的組裝(見圖2)；最后，配合實驗室提供的中心控制模塊及多種傳感器件，實現整個小車的控制系統功能。在課程的最后環節，所有小組的作品將通過實際場地進行競賽(見圖3)，并選出前三名進行課程加分獎勵及授予所有任課教授聯名的榮譽證書。

圖2 學生在開放實驗室中進行產品組裝

圖3 小組間的設計產品競賽

2 對機械工程實驗教學的啟示

2.1 具有普遍性的學生綜合能力培養

實驗教學是創新人才培養過程不可缺少的重要組成部分, 是培養學生理論聯系實際、提高創新精神和實踐能力的重要環節[11-13]。在學生專業素質的培養上，與國內傳統的機械工程專業實驗課程相比，UCLA頂點課程的特點體現在兩個方面：

(1) 通過實驗課程全面培養學生的綜合素質及創新能力。在工程學科的傳統實驗教學中，受實驗條件及理論課程的內容所限，實驗課程部分大多為演示性、驗證性實驗項目，學生在根據實驗指導書進行實驗的過程比較被動，除了獲得了專業認知或基本的技能訓練外，難以進一步發揮主觀能動性進行創新及技能的綜合應用。而在UCLA機械工程專業的頂點課程的實施過程中，不僅通過前期實驗階段鍛煉了學生的學科專業能力，而且在以小組為單位的項目實施過程中鍛煉了學生的設計創新能力、動手實踐能力、項目管理能力及團隊協作能力；此外，通過共同完成設計報告，還鍛煉了學生的文獻檢索能力及專業寫作能力。

(2) 體現在綜合能力培養的普遍性。機械工程是高校的傳統學科，學生數量往往比較多，然而實驗室的物力人力資源有限，在這種情況下，實驗課程一般難以顧及每一個學生的興趣及特長，而且通過設置大量實驗項目供學生選擇的做法在實施上也非常困難。部分有意于提高自身能力的學生可能會通過參加大學生創新項目、科技競賽項目或加入科研項目組等途徑來實現目的，但這些途徑依然歸屬于“精英”式培養模式，只能面向少部分學生，對大多數學生的綜合能力培養產生了欠缺[2]。與此相比，UCLA頂點課程通過一個具有一定設計開放性的題目將所有學生容納進來，為了盡量發揮每一位學生的能力特長和主觀能動性，在最初的分組階段采用了問卷調查及簡單的專業知識測試對所有學生的能力偏向進行分類，并根據機械設計、電子電路及程序編寫三個方面，有目的的讓學生以小組形式進行特長互補，使得絕大多數學生能夠通過課程訓練及相互討論交流獲得自身綜合能力的提高。同時，以小組間的競賽作為課程的一個環節，也顯著提高了學生們的積極性。

目前高校實驗教學改革的方向之一是建立以學科基礎實驗、綜合提高實驗、研究創新實驗構成的分層次實驗教學體系[14]。通過借鑒UCLA頂點課程的教學模式及組織方法，開設類似的以開放性設計為導向的綜合性實驗課程，可以將以上3個層次貫穿結合，從而更加有利于系統地、完整地對學生綜合能力進行培養。

2.2 合理的開放性實驗室建設

開放性實驗室建設是目前實驗教學的一個重點改革方向，國內各大高校在開放實驗室方面進行了大量研究及工作，并積極推進了設備共享平臺的建設[15]。但是，大多數高校中的實驗設備存在功能重復及管理分散的問題[7]，導致設備使用率不高，因此從實際應用效果看，單純的開放實驗設備的使用共享，在本科教學及促進學生創新層面所產生的效果并不夠理想，建設合理、高效的開放實驗室，還需要系統地對實驗室功能進行規劃。

UCLA機械及航空航天工程系具有8個本科教學實驗室，在頂點課程中，其中3個與課程相關的實驗室向學生實行全時開放，學生可以根據實驗室的占用狀態及自身時間安排，充分利用實驗室資源進行項目設計、制造及系統調試任務。同時，為了滿足復雜性較高的加工需求，系里的一些大型設備，如數控加工中心，水刀切割機等，也采用了預約及付費使用的方式向學生開放。實際上，除了頂點課程之外，UCLA其他專業課程(如‘Introduction to Manufacturing Process’)的實驗部分也會根據實驗需求供學生自由地使用教學實驗室。

設計、制造及自動化是機械工程學科的基礎教學內容，將其結合UCLA頂點課程的實施過程來看，實驗室的開放可以分為兩個部分：

(1) 通用型設備開放實驗室。通用型開放實驗室是能夠為所有學生提供實驗技能訓練及創新活動的常規性實驗室，此類實驗室能夠為設計性、綜合性實驗課程提供基礎條件，并能夠在正常教學時段之外向所有經過操作及安全管理培訓的專業學生開放。其功能性應至少包含三部分：CAD/CAM實驗室，基礎制造實驗室及機電系統設計實驗室。CAD/CAM實驗室以計算機及應用軟件平臺為主，向學生提供設計、分析、模擬等機械工程類專業軟件，同時也能夠提供科學計算、統計類軟件以及多種語言編程平臺。基礎制造實驗室可以提供車床、銑床、鉆床等機械加工設備，為學生提供基礎的制造工具，其功能性與機械工程院系中的金工實習中心類似，因此也可選擇將金工實習車間內的一些設備進行開放式管理。機電系統設計實驗室應能夠向學生提供機電控制系統開發中常用的軟硬件平臺，如PLC、單片機或UCLA課程中使用的NI公司MyRio平臺等。

(2)專用型設備開放實驗平臺。專用型設備主要是用于教學及科研的大型或精密型設備，是對通用型設備的補充。此類設備一般體積較大或操作復雜，如大型數控加工中心、高精度3D打印機等，不僅難以安置在統一場地，而且需要專人進行操作。此外，由于設備價格昂貴，其在管理權限上常常屬于某一實驗室或課題組。因此，這類設備難以向大量學生推廣使用，一般采用共享平臺的方式，面向實驗課程或創新項目需求，進行開放使用。

實驗環境及設備的開放共享是開放性實驗室建設主要內容，但其并不是實驗室開放的目的。開放實驗室的主要目的應該是在學生產生一些創新性想法時，向其提供實現想法的工具或平臺，因此在面向實驗教學的實驗室建設中，有針對性地進行功能規劃，將通用的工具型的實驗室資源向學生充分開放，輔助以專用設備的共享，不僅可以提高實驗設備的利用率，而且為學生提高實踐能力及創新精神提供了有利條件。

2.3 實驗教學資源整合

開放性實驗室建設能夠為實驗教學改革提供硬件基礎，而實驗課程內容的改革是提升實驗教學水平的驅動力。在目前國內高校的工程類實驗教學中，演示性、驗證性實驗項目占有較大比重[6-7]，此類實驗是學生訓練基本專業技能的必要環節，但其在內容組織上往往是離散性的，即使在同一門專業課程中，多個實驗點之間由于使用的儀器設備或實驗教師的不同，也經常相互獨立。從UCLA頂點課程可以看出，與傳統實驗之相比，設計性、綜合性實驗課程由于具備更強的工程特性，實驗內容的設置上需要在不同的知識點之間建立較強的關聯性，甚至將交叉學科領域的知識點也融入進來，在此基礎上配合實驗室所提供的多種實驗平臺及工具，能更有利于系統化地培養學生的綜合能力，并使其發揮于實踐及創新過程。正因為如此，要開設一門類似的大型綜合性實驗課程，尤其是在機械工程專業學生數量較多的情況下，需要對包括人力物力在內的實驗教學資源進行整合。

(1)多課程內容整合。設計、綜合類實驗課程往往需要將多門專業課程的內容進行整合，機械工程學科的本科教育一般包括機械、材料、電子、電氣等專業領域的多門課程，在實驗教學中將這些課程中的知識點串聯起來，利用相互之間的關聯性形成一個整體，有利于學生將大學期間所學內容融會貫通，建立系統化的工程思維。如UCLA頂點課程中，實驗訓練及項目實踐階段的需求整合了Mechanics、Material Science、Electrical Engineering、Feedback Control等多門課程中的知識內容。

(2)多類型實驗室整合。本科教學實驗室在規劃中一般具有特定的功能，對應于實驗內容的多樣性，綜合性實驗課程的實施過程同樣需要多個類型實驗室的配合。如前文所述，UCLA頂點課程中有3個涉及設計、制造、控制的教學型實驗室向學生開放使用，且有研究型實驗室提供大型設備支持。通過綜合性實驗將多個實驗室資源統一利用起來，能夠在實驗室開放的基礎上，進一步提高實驗室的整體利用率。

(3) 科研與教學資源整合。科研與教學相結合是目前實驗教學建設中的熱點討論問題，將課題研究中的一些方法、技術、設備等進行提煉，使其適用于實驗課程的教學，不僅能夠使實驗內容緊跟學科研究前沿，激發學生的創新意識和熱情，而且能夠有效地豐富實驗教學方法及實驗平臺，提高實驗課程的水平和質量。繼續以UCLA頂點課程為例，學生在課程第一階段的技能訓練實驗中所用到的機器人模型、用于控制系統開發的電路板以及程序框架，都是經由任課教師的科研課題組進行篩選及修整后供學生使用。

(4)實驗教學隊伍整合。美國高校的實驗課主要由助教承擔，而助教則來自于任課教授所培養的碩、博士研究生，在UCLA課程中，不同研究方向的教授及助教組成了團隊為學生們提供全面的知識及技術支持。國內高校的實驗課程一般由專職實驗教師任教，通常每一位實驗教師負責固定幾門課程配套的實驗部分，在綜合性實驗課程所涉及的實驗內容及實驗人數較多、知識涉及的范圍較為廣泛時，只靠專職實驗教師的力量將難以滿足課程需求。因此，應當鼓勵教授、博士等更高學術層次的人員共同參與實驗教學，在提高實驗教學整體質量的同時，還能夠提高專職實驗教師的教學水平及新實驗開發能力，從而在增強實驗教學隊伍的實力方面形成良性循環。

3 結 語

培養學生的綜合專業素質及創新能力是目前高校工程類實驗課程的改革方向及目標，而設計性、綜合性的實驗課程設置是實現目標的重要途徑。借鑒UCLA頂點課程的教學方法和經驗，打破單調的傳統實驗教學模式，不僅可以調動所有學生的創新意識和團隊合作精神，提高分析問題、解決問題的工程實踐能力，同時也可以促進實驗室資源的綜合利用。通常，美國高校的頂點課程會作為本科階段的畢業設計內容，國內高校本科畢業的機制與要求與美國高校不同，但可以考慮在本科三年級下半學期或四年級上半學期開設類似的大型綜合實驗課程，為普遍提高機械工程專業學生綜合素質進行有益的嘗試。

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