美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃

焦 波 孫洪源 賈風(fēng)光 薛 芳

（山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院 山東·威海 264200）

0 引言

美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）被譽(yù)為公立常春藤大學(xué)，代表美國(guó)公立大學(xué)最高水平[1]。機(jī)械工程是工程學(xué)中最古老的分支之一，在UW-Madison中存在超過(guò)了一個(gè)半世紀(jì)。在這段時(shí)間里，制造業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)演變?yōu)槔脗鞲衅鳌⒛M和大量新材料對(duì)可持續(xù)技術(shù)的研究。他們著名的能源實(shí)驗(yàn)室不僅在提高內(nèi)燃機(jī)效率，而且也在發(fā)展可再生能源和用于量子計(jì)算的低溫技術(shù)。如今UW-Madison的機(jī)械工程意味著探索納米技術(shù)和軟材料，包括可穿戴電子設(shè)備、觸覺(jué)、假肢和康復(fù)機(jī)器人。這意味著需要高性能計(jì)算來(lái)建模和預(yù)測(cè)極其復(fù)雜的交互過(guò)程，例如細(xì)胞和組織力學(xué)以及物理力如何影響關(guān)節(jié)和大腦。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程在最新公布的全美2021專業(yè)排行榜中位于第19位[2]。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程專業(yè)的演變是適應(yīng)及引領(lǐng)以先進(jìn)制造業(yè)、生物醫(yī)藥、人工智能、量子信息科學(xué)等為代表的第四次工業(yè)革命快速發(fā)展的結(jié)果。這一場(chǎng)世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革同我國(guó)經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)型發(fā)展形成了歷史性的交匯，對(duì)工程教育提出了前所未有的挑戰(zhàn)。為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技產(chǎn)業(yè)變革，教育部于2017年2月推出“新工科”計(jì)劃[3-5]，旨在通過(guò)內(nèi)涵式發(fā)展，面向工業(yè)界、面向世界、面向未來(lái)，以工程教育新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量等作為高校新工科建設(shè)和教育改革的基本內(nèi)容，構(gòu)建新工科專業(yè)或改造現(xiàn)有專業(yè)，培養(yǎng)滿足新經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才。本文對(duì)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程專業(yè)2020版培養(yǎng)計(jì)劃[6]進(jìn)行了梳理和分析，總結(jié)了其課程體系的特點(diǎn)，旨在為推動(dòng)新工科專業(yè)建設(shè)提供參考和借鑒。

1 威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系本科課程體系

根據(jù)四年學(xué)習(xí)計(jì)劃及課程邏輯關(guān)系，作者總結(jié)并繪制了課程框圖（見(jiàn)圖1），課程右下角的數(shù)字代表學(xué)分，總學(xué)分要求不低于128。從圖中可以看出，學(xué)生每學(xué)期的課程在4-6門、13-18學(xué)分之間，低于我國(guó)大學(xué)同類專業(yè)，相對(duì)來(lái)說(shuō)學(xué)生有更多的自主支配的時(shí)間。從課程性質(zhì)及結(jié)構(gòu)來(lái)看具有以下特征：

（1）通識(shí)課程：不少于15學(xué)分，占總學(xué)分11.72%，包括人文、文學(xué)、藝術(shù)類（不少于6學(xué)分），社會(huì)科學(xué)（不少于3學(xué)分），種族研究（不少于3學(xué)分），這些內(nèi)容確保每個(gè)畢業(yè)生都能獲得本科教育的基本核心，為生活創(chuàng)造了一個(gè)基礎(chǔ)，作為一個(gè)世界公民，理解審美價(jià)值觀，并在不斷變化的世界中從事終生學(xué)習(xí)。這部分為學(xué)生提供了解公共衛(wèi)生、安全和福利以及全球、文化、社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素的途徑，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。

（2）溝通技能：該校工學(xué)院設(shè)有專門的技術(shù)溝通課程組，負(fù)責(zé)講授和指導(dǎo)學(xué)生，這部分由溝通A和技術(shù)溝通兩門課組成，合計(jì)6學(xué)分，占4.69%。內(nèi)容包括工程、科學(xué)和技術(shù)交流；計(jì)劃、準(zhǔn)備和評(píng)論報(bào)告、建議、指示和商務(wù)信函的理論和實(shí)踐；研究策略、協(xié)作工作以及口頭報(bào)告。這些內(nèi)容用來(lái)培養(yǎng)學(xué)生與廣泛受眾有效溝通，以及在團(tuán)隊(duì)合作中有效工作的能力。

（3）數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)：不少于19學(xué)分，內(nèi)容包括微積分、線性代數(shù)與微積分、統(tǒng)計(jì)學(xué)。

（4）基礎(chǔ)科學(xué)：不少于14學(xué)分，包括普通化學(xué)、普通物理及計(jì)算機(jī)編程，化學(xué)可以選擇一門高級(jí)課程，或者兩門課程的組合（圖1用虛線框表示出來(lái)）。

圖1：課程流程圖（適用于2020年后秋季入學(xué)的學(xué)生）

以上兩部分內(nèi)容與一門數(shù)學(xué)或科學(xué)選修課共計(jì)36學(xué)分（占總學(xué)分的28.13%），突出數(shù)學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)在機(jī)械工程專業(yè)中的作用，夯實(shí)了學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)和科學(xué)原理的能力。

（5）非機(jī)械類課程：包括靜力學(xué)、材料科學(xué)概論、電路、機(jī)電功率轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)或者機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（二選一），共12學(xué)分，占9.38%，起到了為專業(yè)核心課奠定基礎(chǔ)以及擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面的作用。

（6）專業(yè)核心課：共50學(xué)分（占比39.06%），17門課程，圖1中以ME為標(biāo)記（除ME346以外），課程內(nèi)容涵蓋了工程師從事機(jī)械和能源兩個(gè)領(lǐng)域所必需的專業(yè)背景，具體來(lái)說(shuō)：

機(jī)械領(lǐng)域涵蓋產(chǎn)品和設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。專注于設(shè)計(jì)的工程師需要構(gòu)思新的設(shè)備和機(jī)器，同時(shí)也改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，因此必須精通運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械元件、力學(xué)、材料強(qiáng)度和性能、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)等。專注于制造業(yè)的工程師參與規(guī)劃和選擇制造方法，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)制造設(shè)備，并提高效率以及目前聚合物、金屬和陶瓷產(chǎn)品制造技術(shù)的生產(chǎn)力，他們需要利用化學(xué)、材料科學(xué)、材料力學(xué)、材料加工原理和實(shí)踐、計(jì)算機(jī)控制原理、工程統(tǒng)計(jì)學(xué)和其他物理和熱學(xué)科學(xué)來(lái)改進(jìn)制造操作和系統(tǒng)，以及生產(chǎn)的產(chǎn)品。

在能源領(lǐng)域中，機(jī)械工程師研究液體、氣體和固體在各種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的行為，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽發(fā)電廠、制冷系統(tǒng)、空氣污染控制、低溫和能源利用都需要這種背景，熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和相關(guān)學(xué)科提供了這方面的知識(shí)。

課程體系中的綜合實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)）的課程有4門，共計(jì)12學(xué)分。ME351和ME352組成了為期一年跨學(xué)科的項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程，學(xué)生設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)和設(shè)備。ME370是對(duì)各種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估和分析，如汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、制冷系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。在其前導(dǎo)課測(cè)量實(shí)驗(yàn)(ME368)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

（7）專業(yè)選修課：不低于9學(xué)分，占7.03%。機(jī)械工程隸屬于工學(xué)院，該學(xué)院還設(shè)有其他12個(gè)專業(yè)，其中生物醫(yī)學(xué)工程、化學(xué)與生物工程、電子與計(jì)算機(jī)工程、工程物理、材料科學(xué)與工程、核工程、工程力學(xué)(航空航天)專業(yè)與機(jī)械工程高度交叉與融合，為培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科背景與經(jīng)歷提供支撐。學(xué)生通過(guò)專業(yè)選修課的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)一步專攻上述某一領(lǐng)域。

2 威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系專業(yè)選修課程

學(xué)院網(wǎng)站提供了機(jī)械工程系2020年秋-2023年秋學(xué)期開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課計(jì)劃表，包含每門課程的詳細(xì)開(kāi)課信息[7]。專業(yè)選修課在設(shè)計(jì)、制造和能源三個(gè)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(xué)期開(kāi)課數(shù)量在20-27門之間，學(xué)生可以根據(jù)課程的詳細(xì)信息和具體要求提前規(guī)劃學(xué)習(xí)方向、內(nèi)容和深度。從課程內(nèi)容上看，體現(xiàn)出如下特色：

（1）與生命科學(xué)深度融合：骨科植入物設(shè)計(jì)介紹全關(guān)節(jié)置換的應(yīng)用設(shè)計(jì)流程，包括：關(guān)節(jié)解剖、組織特性、外科手術(shù)方法、關(guān)節(jié)負(fù)荷、植入材料、臨床前測(cè)試和分析。生物組織力學(xué)介紹肌肉骨骼和心血管組織的固體力學(xué)，內(nèi)容包括正常和病理行為（剛度、強(qiáng)度、松弛、蠕變、適應(yīng)性重塑等）的檢測(cè)和量化。

（2）面向復(fù)雜工程的訓(xùn)練：先進(jìn)材料設(shè)計(jì)方法介紹一種結(jié)構(gòu)化方法來(lái)解決設(shè)計(jì)中需要考慮多個(gè)約束條件和相互沖突目標(biāo)的復(fù)雜材料選擇問(wèn)題。主題包括：斷裂力學(xué)，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(fù)合材料的性能發(fā)展，以及材料分析技術(shù)。

（3）通過(guò)實(shí)踐理解工程概念、工程設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程及進(jìn)行探索：機(jī)器人概論通過(guò)實(shí)際操作介紹當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵概念和工具，旨在為學(xué)生提供了解機(jī)器人系統(tǒng)的途徑，為自己的目標(biāo)探索機(jī)器人技術(shù)，或在該領(lǐng)域繼續(xù)深造。實(shí)驗(yàn)力學(xué)課程用實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)和分析機(jī)械部件、結(jié)構(gòu)和材料，內(nèi)容包括基于電學(xué)和光學(xué)方法記錄應(yīng)力、應(yīng)變和變形，計(jì)算機(jī)采集/還原/顯示技術(shù)，靜態(tài)和瞬態(tài)事件、傳感器設(shè)計(jì)、無(wú)損檢測(cè)、斷裂和殘余應(yīng)力的應(yīng)用。

（4）創(chuàng)造性的實(shí)踐工程設(shè)計(jì)過(guò)程：產(chǎn)品設(shè)計(jì)是以項(xiàng)目為導(dǎo)向的跨學(xué)科課程，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)有競(jìng)爭(zhēng)力的、高質(zhì)量的產(chǎn)品。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程涵蓋了從問(wèn)題識(shí)別到詳細(xì)設(shè)計(jì)和評(píng)估，所涉及的主題有創(chuàng)意的產(chǎn)生和評(píng)估、可視化和質(zhì)量。

（5）高級(jí)課程與數(shù)學(xué)和計(jì)算工程緊密結(jié)合：如機(jī)械元件和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中的矩陣方法、高性能計(jì)算的工程應(yīng)用。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課涉及的知識(shí)面寬廣、跨學(xué)科特征明顯。教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐性強(qiáng)、突出復(fù)雜工程問(wèn)題和工程設(shè)計(jì)的特征，中高級(jí)課程與數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)高度融合，內(nèi)容面向行業(yè)發(fā)展前沿。

3 結(jié)語(yǔ)

以美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程專業(yè)已成立了150多年，迄今仍保持了旺盛的生命力，并走在引領(lǐng)科技革命的前列。本文主要對(duì)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程專業(yè)2020版培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系進(jìn)行了梳理和分析，重點(diǎn)總結(jié)了專業(yè)核心課和專業(yè)選修課的特點(diǎn)，以期為我國(guó)工程教育認(rèn)證的持續(xù)發(fā)展提供參考，為新工科專業(yè)建設(shè)提供案例。