基于科研平臺的機械類本科實驗教學改革與探索

王曉佳 張翠平

摘 要：為了適應機械工程技術日新月異的快速發展，提升機械類本科實驗教學的創新性和實踐性，將科研團隊的研究平臺浸入本科實驗教學是目前大學進行教學改革的重要思路之一。文章以將車輛工程專業的科研平臺應用于實驗教學中為例，對這個改革思路進行了設計、實踐和初步理論探索。結果顯示，讓本科生基于本科實驗教學參與科研平臺實驗，提高了本科生對理論知識的理解水平，增強了本科生對科研的興趣，最終體現在本科生畢業時綜合素質能力的提升。

關鍵詞：本科教學改革；實驗教學；科研平臺

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0138-04

Abstract： In order to adapt to the rapid development of mechanical engineering technology and improve the innovation and practicality of mechanical undergraduate experimental teaching， it is an important measure to immerse the research team's research platform into undergraduate experimental teaching to carry out teaching reform. In this paper， the design， practice and preliminary theoretical exploration of this reform idea have been carried out by leveraging the scientific research platform. The results show that participating in scientific research platform experiments based on undergraduate experimental teaching improves the undergraduates' understanding of undergraduates' theoretical knowledge， enhance the interest of undergraduates in scientific research， and ultimately improve the well-rounded quality of undergraduates.

Keywords： undergraduate teaching reform； experimental teaching； scientific research platform

引言

在本科高等院校中，機械類專業課程是以相關理論課程為基礎、高度實踐化且隨著科技進步而日新月異的學科類。基于這樣的特點，對于機械專業的學生，在學習專業課程知識的過程中，學校必須進行大量的實驗教學才能使學生真正掌握學科的科學規律。因此本科教學系統中機械類的專業課程基本都有實驗教學環節，這些實驗教學與理論性較強的基礎課的實驗教學有所不同，不但需要扎實的理論基礎，還需要與時俱進的科研素養。這對相關的專業課教師和實驗教師提出了很高的要求，其肩負著承前（理論基礎）與啟后（科學與工程實踐）的重要使命，要在教學中兼顧理論性與實踐性，以培養實用型和創新型人才，從而適應現代科技領域快速的變化與發展[1-3]。

為滿足這些要求，許多高校在教學活動中對實驗教學的模式和方法進行了不斷的調整和探索[4-8]。在這些改革探索中，將科研與本科實驗教學相結合是改革的重要方式之一，其中有一些改革方式，只能使一部分本科生利用到實驗室平臺，參與到研究工作和學習過程中，有一定的局限性[9-13]。

本文提出了實驗室平臺與專業課程相結合的本科機械類實驗教學改革思路，旨在充分利用專業課教師的科研平臺，基于實驗室的科研項目，借助實驗室儀器設備資源，培養具備踏實理論基礎且具有創新精神的本科生。

一、機械專業課程實驗教學現狀與存在的問題

目前，在我國高等院校的課程教學體系中，大部分實驗教學是為對應的課堂理論教學服務的，通過學生親自動手完成實驗或直觀地觀察演示實驗，加深對相關理論知識的理解。

在實驗內容的設計上，需要解決的矛盾有很多，其中最主要的是理論基礎、專業知識和工程實踐三個方面之間的矛盾。在解決這些矛盾過程中，實驗教學是功課教學體系中的重要一環，對應用型機械專業人才的培養有著至關重要的作用。然而，根據之前的教學經驗，在機械類專業實驗教學的實施過程中，仍然存在不少問題[14，15]。

（一）實驗教學與課堂理論基礎知識教學不能很好地結合

專業課課堂理論講授的教師和負責實驗教學的實驗員可能并不是同一位老師，造成了兩者的分離。就算是同一位老師，也容易出現課題教學與實驗教學相分離的結果，同時，期末考試內容偏理論，很多實驗教學內容并不納入期末考試范圍中，只是算作平時成績的一部分，這造成了學生對實驗教學不重視的結果。

（二）實驗教學不能將本科專業教學課程之間融合起來

機械類專業有高度的實踐性，培養的學生應該具備解決具體的科研或者工程實踐問題的能力，這種能力建立在較強的綜合素質能力之上。而目前高校中，大部分本科學生對不同專業課程之間的聯系建立得不密切，這造成了專業課基礎可能不能為大四的本科畢業設計和畢業后的科研和實踐做好充分的準備。

（三）實驗教學不能調動學生的主動學習與探索的積極性

目前的實驗教學在具體的操作過程中，還是以傳統實驗方法為主。傳統實驗方法通常安排好一切，讓學生機械完成實驗，不利于學生的積極性和創新性，不能讓學生成為實驗的主體。同時機械專業實驗設備和儀器的制作不像物理、化學等基礎實驗課程普及，不能很好地支持機械專業的實驗教學。這造成了學生對專業課的實驗教學不感興趣。

（四）實驗教學不能與工程實踐及科技前沿相結合

教學體系與工程實踐結合不夠，教學內容滯后于行業的技術發展，導致學生知識面狹窄，工程能力差，難以適應當今社會的發展。

將專業的科研平臺利用到本科實驗教學中可很好地解決上述問題。

二、本科實驗教學與實驗室科研平臺結合的教學方法改革與探索

（一）與實驗室科研工作結合的必要性和優勢

1. 培養學生綜合應用基礎知識和專業知識的能力

實驗室的科研平臺都是綜合性平臺，如一個發動機臺架，包含了發動機設計、理論、測試學、控制學和儀器學等多種學科的融合應用，在利用這個平臺做完實驗后，再結合大學物理的知識對實驗結果進行誤差分析，可以培養學生學科之間的綜合應用能力。

2. 培養學生學習和接受新知識的能力

現代大學對專業教師的要求越來越嚴格，不但要求完成教學任務，還有相當高的科研要求，這就使得大部分專業課老師都有自己較為穩定的科研方向，要求每年必須發表文章和成果，基于這樣的科研平臺做實驗，可以讓學生接觸到本學科中較為前沿的科技知識。解決了傳統實驗以演示性、驗證性為主，前沿科學實驗較少的問題。專業課教師將最新的科研成果引入實驗項目中，可以使學生了解專業的前沿科技，訓練學生科研的能力。

3. 培養學生的科研能力及素質

在實驗中可培養學生注重實驗細節，科學記錄實驗結果和數據，分析數據的良好科學實驗習慣。根據以往的教學經驗，學生在做實驗時只在乎實驗是否參加，認為得到了數據就完成了實驗。實際科研和生產實踐并不是這樣，對數據的分析與處理實際上比實驗過程更為重要。

4. 培養學生的團隊合作精神

團隊合作能力在現代科學技術領域中非常重要。在大學本科的學習過程中，一個學生可能可以獨立完成上課、上自習、考試等任務，但是在實驗室中，對團隊合作提出了更高的要求。通過在實驗平臺上完成實驗，加強了學生與人溝通的能力與效率，學會如何在團隊中做好自己的工作。

5. 培養學生的科研思維方式

筆者認為專業教育的最終目標是培養學生科學的思維方式，通過在校教育，使得學生畢業之后可以在科研或者工作過程中能夠解決遇到的工程問題。因此可以要求以科研論文的格式完成報告，通過這些訓練，學生不僅可以學會科學文獻檢索方法，還可以加深對實驗方法和原理的理解，視野更加開闊，而不是照搬實驗指導書。

（二）實驗教學方法的改革與探索實例與成效

本文基于太原理工大學機械工程學院車輛工程專業的實驗教學改革，本專業的培養目標是以汽車產業的人才需求為導向，緊密跟蹤汽車技術的新進展和行業需求，培養德、智、體全面發展的、具有社會責任感的，具有創新精神的，能夠在汽車設計、分析、制造及試驗領域具有工程實踐動手能力的車輛工程人才。學生畢業后能在科研院所、企業、高新技術公司和技術院校從事與車輛工程及新能源汽車有關的設計、制造、檢測、管理、科研和教學等工作。

隨著近年來太原理工大學人才引進力度的加大，車輛工程系引入了許多年輕的博士，他們的加入為實驗室團隊注入了新的活力，增加了新的研究方向，2017年團隊成果申請國家項目1項，省級項目6項，充實了實驗平臺，為本科生實驗教學改革創造了可能性和良好的條件。

本專業的實驗教學改革緊密圍繞培養目標展開，本文進行了積極的創新型改革探索，主要在普通傳統實驗教學的基礎上，以科研項目為基礎，探索實施以實驗室平臺及項目研究為基礎的實驗教學，改革與探索主要包括以下內容：

1. 前期準備

專業課教師應當在課堂上結合所教授的理論知識，適當介紹實驗室基本情況，實驗室的基本構成，基本實驗設備，主要科研儀器，教師的科研團隊，團隊的主要科研項目。通過對試驗平臺的了解，學生可以掌握本專業最新科技，激發對科學的熱愛，渴望技術，追求創新的思想。這是將實驗室平臺應用于實驗教學的基礎和前提。

2. 設計與實施

實驗的設計應注意與課堂上的理論融合起來，做到難易適中，在實施過程中，應充分發揮學生的主體作用和教師的引導作用[16，17]。

以太原理工大學機械工程學院新能源汽車實驗室為例，結合團隊的教學經驗，設計了一套以實驗室設備為基礎的實驗教學平臺，例如圖1所示。這個平臺以車輛專業的培養目標為導向，課堂理論為基礎，利用實驗室的實驗平臺對專業課的實驗教學進行改革探索。實驗平臺主要包括測控平臺和電池組，通過對電動汽車動力電池進行充放電控制實驗，使得學生了解電動汽車的相關知識，通過建立動力電池的溫度場模型并對模型進行簡單實驗驗證，可以將熱工基礎、汽車測試與試驗技術及汽車有限元技術等課程融合在一起，這個實驗可以安排在車輛專業學生大四上半學期的汽車測試與試驗技術課程的實驗教學中。

圖2 為新能源汽車測控實驗室的電池BMS平臺，可以完成對電池的四通道充放電等基本實驗。圖3為本科生結合熱工基礎、傳熱學相關知識，利用有限元技術建立的電動車動力電池的溫度場模型，并利用傳感器等測試設備對建立的模型進行實驗驗證，在這個過程中，對應圖1，可以鍛煉學生的實驗能力和分析能力。

3. 效果

經過1-2年的教學實踐，教學改革的初步探索，結果顯示，讓本科生在專業課實驗課程學習階段進入科研平臺進行學習，可以激發學生對科研興趣，提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。

本年度（車輛系2018屆）畢業生表示，通過本科課程的實驗教學，在本科階段對新能源汽車方向的簡單接觸有助于他們更好地與用人單位進行溝通，幫助他們更好地就業，另外一些考研的同學表示，盡早地接觸科研平臺，了解實驗室的工作，可以幫助他們有目標地選擇自己是否讀研和報考的學校及專業。如圖4a所示為，本屆畢業生1401班與1402班的畢業去向統計，結果顯示，兩個班有很高的讀研率和繼續讀研的意愿，同時1402班的實驗室工作參與率較高，這個班的讀研率更高，如圖4b所示。這只是初步探索的結果，是否有嚴格的因果關系還需要進一步研究。

（三）在具體執行過程中可能遇到的問題

1. 這樣的教學改革增加了學生的實驗難度，需要有良好的理論課程和專業課程基礎；

2. 增加了教師的教學工作量，需要定期制作新的實驗指導書；

3. 需要實驗室研究生和工作人員的配合；

4. 本科生畢竟不是專業人員，可能會損壞儀器。

這需要整個專業團隊對本科實驗教學的支持和規范化管理，對教學人員和學生都嚴格要求。

三、結束語

由于機械類專業的高度實踐性和創新性，本科實驗教學改革非常重要和復雜，需要相關專業老師付出長期的努力和長遠的規劃?；趯嶒炇移脚_和科研項目的教學改革是其中的有效手段之一，也是學校提升本科生綜合素質建設的重要手段。

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