機械工程專業實驗重能力培養課程建設探索

吳艷云 　王照云 　張珂 　鄭剛 　沈秀國

[摘 要]實驗教學是機械工程專業學生工程能力培養的關鍵環節之一。結合上海應用技術大學實際實驗設置設施情況，就專業實驗課程如何實現“重能力培養”的課程內容、教學方法以及開放平臺構建等方面進行研究，探索構建全開放實驗教學平臺、網絡實驗教學平臺、學生自主研學創新實踐平臺。

[關鍵詞]機械工程;實驗課程;教學內容;教學方法;開放平臺

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0050-03

重能力培養要求課程教學重點實現由“知識傳授”向“能力培養”的轉變，要求教學模式由“以教為主”到“以學為主”的翻轉，讓學生成為學習的主體，教師成為學習的啟發者、引導者。在當前基于工程教育國際專業認證的課程體系正處于改革時期，教師首先要做好課程的重能力培養的教學方法及內容的改革。

實驗教學環節是學生工程能力培養的關鍵環節之一。目前，機械設計制造及其自動化、材料成型及控制工程專業開設有大量的綜合性實驗、設計性實驗、驗證性實驗，教師實驗教學主要強調學生按照實驗指導書上的實驗方法來完成實驗內容，實驗中創新實驗、自主實驗的內容較少，對學生思辨、探疑、多維思考、發散思維的激發渠道偏少。另外，實驗課程沒有獨立的考核，學生對實驗課程一向不重視，缺乏主動性和積極性，對實驗結果分析不深入。教師在主講和操作實驗的教學過程中，由于缺少讓學生獨立思考和自主操作的環節，對學生解決實際問題能力的培養、創新力的激發不足，對學生思維能力和實驗研究能力的培養也不足。本文就重能力培養實驗課程教學方法、內容、考核形式以及開放平臺做一些探索。

一、專業實驗課程類型及分布

機械工程專業相關的專業實驗課程很多，其教學內容約60%是專業基礎實驗課程，約40%是專業實驗課程。不同專業方向之間專業基礎課程實驗有重復，專業課程實驗重復率不高。上海應用技術大學（以下簡稱“我校”）是應用型高校，實驗設置具有代表性。目前，我校機械工程專業實驗性質有五類，即演示、驗證、綜合、設計和探索性實驗。其中專業基礎課程實驗約有61%是綜合性實驗，38%是驗證演示，個別是設計性實驗。專業課程實驗約有55%是綜合性實驗，25%是設計性實驗，20%是驗證演示，獨立的探索性實驗較少，其內容體現在部分綜合性、設計性試驗中。

專業基礎課程實驗中演示、驗證性實驗的內容相對比較單一，通常是限于驗證某些定律或結論，屬于基本操作、基本訓練，如“低碳鋼與鑄鐵試件的拉伸和壓縮試驗”，驗證材料力學課程的基本理論。專業課程實驗中的演示性實驗通常是具有一定危險性的實驗，如“曲柄壓力機設備”實驗中的沖壓部分就屬于這類，也有部分是因為設備操作復雜或加工時間較長，如“3D打印方面快速成型實驗”，不適宜在2課時內完成的課內實驗部分等。綜合性實驗通常是多項實驗內容的綜合。專業基礎課程的綜合性實驗內容一般是本課程的知識綜合或系列課程的知識綜合，而專業課程的綜合性實驗則常常是本門課程及關聯課程的綜合知識，如“軸系結構裝拆實驗”“過控裝備對象特性測試實驗”，通過多內容、多方面的綜合來培養學生的知識、能力及工程素質。設計性實驗是教師根據實驗目的要求和實驗室條件，預先引導學生設計實驗方案方法、選擇實驗器材、設計實驗操作程序，實驗時自己動手操作并對實驗結果進行分析處理，如“氣動循環動作回路設計與調試”“PLC的I/O接口狀態信號法診斷故障”“數控車床編程實驗”等。研究探索性實驗是一種教學與科研相結合的形式，指學生在教師選定的實驗方向或自己感興趣的領域， 針對某一目標所開展的具有探索性質的實驗 ，是科學研究的初步學習 。目前，研究探索性實驗通常和本科課程關聯度小，和大學生創新活動、教師研究項目有關。

二、專業綜合性實驗重能力培養 課程內容探索

綜合性實驗是目前占比重最大的實驗，其對學生各項綜合能力的培養非常重要。目前，綜合實驗重能力培養的教學內容優化途徑在于綜合應用多種實驗方法和手段，注重實驗的“工程性”，注重實驗講義的時效性。

（一）綜合應用多種實驗方法

目前，大多數專業綜合性實驗通常是多項實驗內容的綜合，如機械工程專業綜合創新實驗，其內容包括材料、力學、機械設計、制造工藝、三維設計等。綜合性實驗的知識面較廣，涉及兩個或兩個以上的學科。但綜合性實驗除實驗內容綜合外，其實驗方法或手段的綜合對學生認知能力和創新能力的培養更為有效。如應用兩種或兩種以上的基本實驗方法完成同一個實驗，運用不同的實驗原理綜合分析問題、解決問題，實驗方法的多元性能夠激發學生的思辨能力，激發學生勇于探疑的精神。例如，在測試技術綜合實驗中，通過傳統和現代測試手段相結合的方法， 如流量測定可同時采用體積法和電磁流量計法， 壓力測定可同時采用液式壓力計和壓力傳感器計算機采集[1]。所以，實驗內容、方法和手段的多方位綜合是綜合性實驗重能力培養的建設方向。

（二）綜合應用多種實驗手段

綜合應用兩種或兩種以上的實驗手段完成同一個實驗，即通過不同的手段分析、解決同一問題。例如，在材料力學實驗中測量材料彈性模量E，測量標距內微小變形的方法較多，既可以用拉伸試驗機測量，也可以采用電測的手段測量，還可以用應力波傳播測量，其綜合了機械、電學或聲學的測量手段。綜合應用多種實驗手段有利于培養學生多角度、多形式的思維方式，有利于培養學生勇于創新的精神。

（三）實驗內容注重工程性

綜合性實驗內容要改變過去側重于加深和提高學生對基本理論知識的理解，注重工程性，這有利于提高學生的工程意識，培養學生的工程能力。

如在流體力學管流綜合實驗中，可以將實驗裝置工程化，使學生能在實驗課堂上觀察、體驗實際工程管路流動的現象，同時進行管路測試。實驗內容的工程背景可以使學生體驗到知識的應用，這在培養學生工程概念和工程意識的同時，還能激發學生的學習興趣，培養他們勤于思考、勇于動手解決實際工程問題的能力。

（四）實驗講義注重時效性

專業實驗的實驗指導書大部分都是采用自編講義。為此， 自編講義在編制時需要注重時效性。例如，近年來發展較快的超高壓設備、無損檢測裝置、物理化學氣相沉積設備、三維掃描儀、激光快速成型設備3D打印機等在新版教材中都有涉及，但相關介紹比較簡單。這就需要對其結構特點及應用進行詳細闡述，同時注意補充最新的理論論證，從而有意識地培養學生的學習興趣和創新意識。

我校每年課程建設、實驗室建設以及重大項目采入的新進設備，都會有相應的新實驗或新內容開發，這就要求對應的實驗講義內容要及時改編，反映新技術的發展要求，以適于培養學生的思維能力、創新能力和工程能力等。

三、專業實驗課程重能力培養教學方法探索

實踐課是學生綜合能力、創新能力培養的重要教學環節，如何提高學生的主動性、參與性、增加實驗的有效性很重要。

（一）設立獨立的實驗考核

實驗課程設立獨立的考核，督促學生加強對實驗課程的重視度。要建立嚴謹的實驗考核體系，除實驗報告成績外，還要對課前預習、實驗方案、實驗操作、實驗結果成效等各個環節進行全面考評。通過對預習報告的質量、實驗方案設計的多樣性、理論依據合理性、操作的規范性、實驗報告中原始數據記錄的規范性、實驗結果的分析深入性、邏輯性等進行全方位考核。對于低年級的學生來說，應注重對其理論內容的理解與應用能力、儀器設備的熟練使用能力、實驗操作的動手能力的培養考核;對于高年級的學生來說，應注重對其綜合設計與創新能力的培養和考核。考核成績不僅能有效反映學生對實驗的掌握程度，還是激勵學生積極認真進行有效實驗的措施。

（二）學生做實驗自主操作

“大學課堂教學應該是學生學習的過程。”[2]實驗過程強調學生獨立操作，一定要動手，這樣才能培養學生獨立思考、大膽探索的能力。實驗中讓學生做主角，教師同時積極引導，讓學生自己搭建實驗裝置、獨立操作實驗設備。如在“曲柄壓力機設備”實驗中， 讓學生逐步查找設備的曲柄連桿工作機構、電機到離合器等傳動系統、離合制動操作系統、液壓過載保護系統、氣壓平衡系統等布局，教師在一旁引導，引入理論和相關知識。學生在動手操作、觀察實物的同時能學習到相關的氣液、機械傳動、材料、機械結構等知識，對學生來說這相當于完成一次深入的綜合性實訓。課后學生在觀察記錄的基礎上繪出操作系統、離合制動器的工作原理圖，這是理論與實踐的升華。在實驗操作或觀測過程中學生會提出自己的問題，教師對學生提出的問題進行解答，并引導學生深入思考相關理論知識，鼓勵學生利用已學過的基礎知識分析問題出現的原因并獨立思考解決問題的方法。學生自主操作實驗，這能發揮學生的積極性和主動性，有助于提高學生的獨立操作能力和解決實際問題的能力。

（三）采取探究式實驗教學

鼓勵和引導學生通過探究的方式進行實驗。實驗目標以問題的形式呈現給學生，學生是通過解決問題的方式進行實驗學習，通過解決問題，即探究性實驗過程中對學科知識的發現、創造、重組和批判等而獲得新知，這能培養學生的研究技能和學術素質。

探究式實驗要求教師結合自己所教課程的內容、自己的學術研究以及現實實踐問題開展課題研究，通過研究，找出實驗內容和現實問題的最佳結合點，用實驗問題去激活教材、激活教學。如機械基礎實驗機構運動方案設計實驗，可以用“牛頭刨床運動機構設計”“發動機曲柄連桿運動設計”的實際問題引入。在探究式實驗教學過程中，教師要善于創造條件和問題，把握方向，引導學生進行科學探究，了解他們解決問題的思維習慣，充分和學生交流，引導學生大膽設計，大膽實驗。這個過程會讓學生感覺問題不難也不易， 通過自己的學習及查閱相關資料，自主探究，通過交流與合作，能夠完成實驗項目內容。

四、專業實驗重能力培養開放平臺構建

構建專業實驗開放平臺，培養學生自主創新的工程實踐能力。

（一）構建全開放實驗教學平臺

開放實驗時間、開放實驗器材、開放實驗內容、開放實驗過程，這是面向師生的全面開放。全開放實驗教學體系給學生提供了自主發展和實踐鍛煉的空間，最大限度地發揮了實驗室的資源效益，培養了學生自主學習的能力和創新能力。

從機械工程專業基礎實驗做起，如機械認知實驗平臺通常承擔機械原理、機械設計、機械設計基礎等課程的認知實驗教學任務，除完成正常的教學任務之外，認知實驗室實現面向師生的全面開放。機械原理實驗的主要儀器和設備有平面機構、空間連桿機構、凸輪機構、輪系、間歇機構等常見機構;機械設計的主要儀器和設備有聯接、傳動、軸系及其他通用零部件模型及實物、各種機構模型等。實驗室全面開放，讓學生自主學習、認知、自主操作和設計實驗，這能增強學生的感性認識，提高學生對理論課程的學習興趣及積極性，幫助學生提高設計能力。另外，通過專業基礎實驗自主操作和自主設計型實驗，學生能提高自主學習的能力，為研究性、探究性實驗學習模式打下良好基礎。

（二）構建全開放的網絡實驗教學平臺

全開放實驗教學新模式可以充分采用現代網絡技術和網絡媒體，建立全開放的實驗教學平臺，將實驗預習內容、設備、儀器操作方法及相關的技術、理論知識等以“微型視頻課堂”的形式呈現給學生， 讓學生進行自主預習與形象感知。學生可以按照課時在網上預約實驗時間，也可以選擇實驗內容層次，即基本實驗項目、自主設計型實驗、基于項目的研究型實驗等。實驗教學內容可以采用“微課”形式在平臺公布，讓學生自主學習，這能實現實驗教學的網上輔導與實驗室教學指導的課內外統一。在網絡實驗教學平臺上，學生可以提交實驗結果，教師可以進行最終實驗數據評判、成績評定等，也可以通過網絡實驗教學平臺實現層次多向性的教學互動。教師還可以在系統上發布實驗題目，與學生進行在線討論、交流、留言、網上答疑等;也可以通過網絡實驗教學平臺增加互動深度，進行學術交流、學術質疑、知識辯論等。

（三）構建學生自主研學創新實踐平臺

學生自主研學創新實踐平臺為大學生課外參加各類競賽活動、自主科技創新或自主研學提供場所和活動平臺。如機械創新實驗平臺，配置工業機器人、移動機器人、仿生及其人模型、機械創意設計模擬儀、機械傳動性能綜合試驗臺、各類組合模型、結構設計實驗箱等。低年級學生可以通過平臺自行組隊選題，開展各類科技創新活動、開展競賽項目訓練;高年級學生可以利用平臺進行畢業設計，完成創新訓練實踐項目，也可以結合所學專業，或突破學科壁壘與其他學科交叉，設計完成各類自選研究課題等。教師對學生在創新實踐平臺上取得的成績應給以鼓勵，如實施承認相應學分、免試研究生優先權等多項政策，以吸引了更多的學生自愿、主動參加到創新實踐平臺活動中來。

學生自主研學創新實踐平臺可以對接學校協同創新平臺、重點實驗室、工程中心、校企合作實驗室等，這拓展了實驗教學體系，充分開放大學各類實驗設備，讓更多教師發揮研究特長，以此來影響和培養學生，通過平臺培養出機械工程專業的高端人才、領軍人才和應用型創新人才。

五、結語

重能力培養是課程教學改革的重點，專業實驗教學改革是學生工程能力培養的重要抓手和關鍵環節。在綜合性實驗課程教學內容改革方面，我們采取了綜合應用多種實驗方法和手段、實驗內容注重工程性、實驗講義注重時效性等措施，這對學生工程能力的培養有較好效果。同時我們對實驗教學方法進行了有效探索，進一步探索了學生工程創新能力培養的方法途徑，包括構建全開放實驗教學平臺、網絡實驗教學平臺、學生自主研學創新實踐平臺等，助力提高學生的自主創新工程實踐能力。當前，各高校都在積極申請專業工程認證或專業評估，推動新工科建設，強化培養過程的理念，規范培養過程，這也是實驗課程重能力培養教學改革的契機。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 史雪婷，馮利邦，劉艷花，王彥平.工程教育專業認證背景下“工程材料及成型技術基礎”課程教學改革與實踐探索[J].教師，2017 （32） ： 99-100 .

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[責任編輯：陳 明]