机械工程专业课程的层次化与模块化实验教学体系改革探索与实践*

刘德福，何玉辉

(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

中南大学机电工程学院现设有“机械设计制造及其自动化”、“车辆工程”及“微电子制造工程”三个机械工程类专业，是一类实践性非常强的工科专业。实验教学是机械类专业课程教学过程中的一个重要环节，对锻炼学生的实践能力、提高人才培养质量有着极为重要的意义［1－3］。现代机械设计制造业与过去相比，发生了很大的变化。一是生产模式由“规模化、少品种、大批量”向“敏捷化、多品种、小批量”转化;二是以信息技术为核心的高新技术向机械设计制造行业的渗透，使机械设计制造技术发生了根本性的变革，机械装备也是涉及机、电、液、光、计算机、控制等多技术集成的产品。这些变化使社会对机械专业人才的素质提出了新的要求，应该具有较宽的基础知识，相应的专业知识，较强的实践能力，较高的综合能力和创新能力［4－5］。但传统的机械工程专业课程实验教学已经无法满足学生的需要，建立适合教学发展、适应社会需求的机械工程专业课程实验教学新体系已势在必行。本文在分析传统机械专业课程实验教学存在的问题基础上，提出建立层次化与模块化的机械专业课程实验教学的新体系，开展了实践探索，取得了较好的效果。

一、改革前机械专业课程实验教学存在的问题

近年来，在机械工程专业课程实验室建设方面，很多高校做了很多有益的探索与实践，并取得了一定的成效。但每个高校都有各自的实际情况，探索适合我校校情的实验室建设模式是当前实验室教学改革的重点。改革前，我院有关机械专业课程的实验室建设的主要问题表现在:

(1)实验方法落后，实验内容陈旧。实验教学以教师为中心，教学方法大多为灌输式，学生只是被动的学习实验方法和技能;演示性、验证性实验项目比例过高，许多实验就是一个工具的使用或者是一种测量方法，综合性、创新性、开放性的“三性”实验项目比例过低，实验内容缺乏系统性，使得学生对基本实验能力的训练不到位。

(2)重理论轻实验，评价方法偏面。长期以来，机械专业课程教师制定教学计划、教学大纲，习惯于将专业实验课附属于专业理论课。无完整的机械专业课程的实验教学体系，只有理论课程教学体系，现有的实验项目的设置不够合理，少有整合多门理论课程、多个知识点的综合性、设计性、创新性实验项目，不利于实验课程的分层设置，不利于学生的个性化培养，不利于学生的综合能力与创新能力的培养，不利于学生综合素质的提高。实验成绩也没有计算到课程总成绩当中或计算比例很低，并且评价方法偏面，主要依据实验报告评价学生的实验能力，缺乏对学生综合知识、创新能力、动手能力以及非智力因素(钻研精神等)的考察，使得学生不重视实验实践能力的培养。

(3)专业课程实验室建设的投入不足。学校对基础教学实验室的投入比较重视，而专业实验室建设经费的投入比例过低，造成应用于机械专业课程实验的仪器设备更新不足、台套数偏少，能反映现代机械设计制造技术水平的高精尖大型仪器设备稀缺，特别是少许专业课的实验条件基本为空白，使得教师、学生无法完成“三性”实验的设计与实施。

(4)实验室管理体制相对落后。改革前，为全校性工科基础课程机械制图、机械原理、机械设计、机械工程材料等基础课程服务的实验室已整合为“机械基础实验教学中心”，取得了较好的效果［6］;而为机械工程专业课程服务的机械制造及其自动化、模具设计与制造、机械电子、车辆工程、材料成型及控制、现代工程装备设计与控制、微电子与光电子制造等7个专业实验室，分属于5个不同的系(所)，实验人员也从属于各系(所)，各专业实验室条块分割、壁垒森严，造成一些弊端:各专业实验室相对独立，设备共享困难、人员交流不畅，使得资源利用不合理甚至重复建设;不同专业实验室的某些实验重复设置，实验安排不尽科学;实验内容只能在各专业方向范围内进行小综合，无法跨专业或专业方向进行大综合，不利于实验室的开放。

二、实验教学改革思路

按照机械学科的特点和发展趋势，以“加强基础、突出创新、开拓思维、培养能力、提高素质”作为机械工程专业课程实验教学改革的指导思想，对机械专业课程的实验教学进行系统设计，完善机械类专业人才培养方案，实施“三个转变”(即:使学生从知识的被动接受者转变为知识的主动探索者，使单纯的知识传授过程转变为知识、能力、素质协调发展的培养过程，使注重共性教育转变为注重个性教育)，树立以学生为主体的教育思想，培育学生主动创造性、合作研究式学习方式。强化培养学生的综合实践能力和创新能力，建立一套具有系统化、创新型、实践型、高起点的机械工程专业课程实验教学新体系，重点做好以下几方面的改革工作。

(1)理顺实验室管理体制。将依附于各系(所)的专业实验室独立出来，合并组建成“机械工程专业实验室”，专门负责各专业课程的实验实践教学，按照其功能及所服务课程的类别，统一布局，资源共享，组合成若干个专业实验平台。实验室组成人员包括实验教师、实验技术人员。

(2)改革实验教学体系。以培养学生的工程实践与动手能力、创新与综合设计能力、运用现代技术解决工程实际问题的能力为宗旨，以机械专业课程体系和教学内容的改革为核心，按循序渐进的认识规律，完善以“技术基础型实验、综合型实验、开放创新型实验”三个层次为整体构架、适应人才培养需求的机械工程专业实验教学新体系。

(3)教学与科研相互促进。依靠国家级一级重点学科——机械工程的学科优势，突出反映“有色金属材料制备工艺与装备”、“微电子与光电子器件封装技术与装备”、“数控加工技术与装备”的特色和创新理念，将科研实验仪器对学生开放使用、将科研成果教学化、将科学研究方法的核心用于实验教学、将机械设计与制造的科学原理拓宽引申到工程技术应用和学生的创新实践。更新实验项目，使机械设计与制造实验体现时代性和技术先进性，配备一批前瞻性强、品质精良、数量充足、组合优化、满足现代机械设计与制造实验教学要求的仪器设备。

(4)实行全方位开放式教学。必修与选修结合，课内与课外结合，加强专业理论课程与实验课的整合，打破原有的实验教学完全附属于理论教学的旧模式，建设独立于理论课的机械工程专业实验课程体系，以满足各类学生的需求，学生可根据兴趣、爱好，自由选择实验项目和实验课程，实行个性培养;努力创造学生自主实验、个性化学习的实验环境，建立能适应学生能力培养要求，能推进学生刻苦钻研、自主学习、合作学习、研究性学习的教学模式。对不同层次的实验采取不同的教学方式，做到因材施教，充分发挥教师的引导作用和学生的主体作用，注重实验设计思想和综合实验能力的教育。

三、实验教学改革实践

在借鉴国内外其他高校机械工程专业实验室建设经验的基础上，根据以上改革思路，结合我校的实际情况，从以下几个方面对实验教学模式进行了积极的探索。

(一)理顺实验室管理体制，组建创新型机械工程专业实验室

坚持“方向明确、规划合理、重点突出、特色鲜明、改革创新”的原则，将各实验室从系(所)中独立出来，整合资源，整合为机械工程专业实验室，根据功能布局下设数字化制造技术与装备等6个实验平台，如图1所示。组建机械工程专业实验室后，实验室由原来的“分散型管理模式”演变为直属学院统一管理的“集中型管理模式”，面向机械工程一级学科，立足本科实验教学，兼顾研究生实验教学。

图1 机械工程专业实验室组织结构图

(二)建立层次化和模块化完的机械工程专业实验教学体系

依据我校综合性创新型大学的办学要求，突破原有的将所有实验教学完全附属于专业课程理论教学的模式，除保留、整合一批原来按机械工程分支学科设置的传统基础实验项目外，还根据各专业及专业方向的特色，新建了一批综合多门理论课程知识、但又独立于理论课程的专门实验教学课程。为全面提高学生的实验知识、实验技能、工程素质、创新能力，以基本能力训练为基础，以综合素质培养为核心，以工程应用与创新能力培养为主线，整体优化设计，加强基础，拓宽专业知识面，培养学生机械设计、制造、控制、材料、力学、计算机等多方面的综合实践能力，按照学生的学习、认知规律，构建以“三个层次”、“十个模块”为整体构架的机械工程专业课程实验教学新体系，如图2所示。

第一层次:技术基础型实验。该层次的实验主要培养学生的基本技能，主要为验证型实验，使学生接受机械设计与制造技术“基本知识、基本方法、基本技能”的训练，学习并掌握常用实验仪器设备使用等方面知识，在实验内容和方法上有较宽的覆盖面，为综合性、设计性实验打下基础。

第二层次:综合型实验。该层次的实验是体现机械设计、制造、控制、力学、材料、计算机等知识的综合运用而开设的一系列综合型实验，为学生提供了广泛的选择余地，学生可根据专业或专业方向选择不同的实验模块。目的是培养学生实践动手能力和解决工程实际问题的应用能力，使学生由“仅有所知”变为“能有所为”，促进其理论知识与实践能力的有机融合，成为培养学生综合素质的重要环节。

第三层次:开放创新型实验。该层次实验是结合学生科技活动、机械创新设计大赛、教师科研项目等，由教师引导，在明确实验目的、要求和提供实验设备器材的条件下，以学生为主体，由学生自行选题、自拟方案、自选仪器、自主进行实验设计与操作，通过设计性实验培养学生的实验设计能力、独立实践能力、创新能力。注重开发难度适中、设计性强、工艺方案多、思考余地大的实验作为开放创新型实验项目。

不同层次各个模块的实验采用实物实验与虚拟仿真实验相结合、必做实验与选做实验相结合的形式。根据专业或专业方向设置的“机械工程专业实验模块”为独立设置的实验选修课程，其实验教学内容、项目设置、学时计划、进度顺序安排要与理论教学协调衔接。实验教学内容与系列专业课程建立了有机联系，系统地向学生展示了先进制造业的新模式与新技术;使学生在问题的观测与判断、创造与评价、建模与设计、仿真与制造的实验过程中，提高其实践能力和创新意识。

图2 机械工程专业课程实验教学体系

(三)强化专业实验室师资力量

通过实验教学对学生进行创新意识和创新能力的培养，实验指导教师极其关键。创新性实验教学对教师提出了很高的要求。长期以来，我国高校机械工程专业普遍都是重视课程的理论教学，优秀教师大都集中于理论课教学，将学历相对较低的教师甚至工人安排在实验室对学生的实验课进行指导，使得实验教学的师资力量大打折扣。为提高实验教学的师资力量，建立一支适应实验教学改革的教学师资队伍，学院采取了如下相应的管理、保障与激励措施，有效地调动了实验教师和实验室技术人员的积极性，提高了实验教学队伍的思想素质和业务水平，为机械专业课程实验教学的可持续发展提供了可靠的保障。

(1)引导和激励高水平教师积极投入实验教学

通过“三位一体两结合”(教学、科研、学科融为一体，教学与科研相互结合，实验课师资队伍建设与学科建设相互结合)，打造实验教学队伍成长的环境和创新人才培养的平台，突破实验教学、理论教学与科研之间的瓶颈，给实验课程教师提供一个良好的教学和科研结合的平台，从体制上保证实验课教师不脱离理论教学和科学研究，有效地提高了实验教学队伍的学术水平。

通过“三位一体两结合”，促进了实验课程教师、理论课程教师与科研教师身份的融通。吸引了学术水平高的教师充实到实验教学队伍中来，稳定了实验室教师队伍，形成了有专家教授作指导，以中青年教师为骨干，拥有充足实验室技术人员的实验教学队伍。

(2)健全与落实实验教学队伍培养培训制度

通过选留优秀毕业生增添新鲜血液，通过引进人才改善结构，通过在职培养提高师资水平。对每位新进的青年教师由一名具有丰富实验教学经验的教师担任指导教师，根据工作岗位要求制订培养计划，进行1－2年的具体教学指导;鼓励青年教师和实验技术人员积极参与教学改革实践，在教学、教改实践中提高业务水平。强调教学与科研紧密结合，师资培养与学科建设相结合，依托学科优势，优化教师的知识结构，提升教师的实验教学水平。

(四)完善实验教学方法

在实验教学方法上，之前的机械专业课程实验教学都使用固定模式，教师将实验目的、实验方法、实验流程、实验结论都先向学生进行详细的降解，实验教师的教学重心仅局限于实验内容本身，而对实验所蕴涵的科学内涵及其社会应用价值规律挖掘不够，学生只要跟着教师的讲解，按步骤将实验完成即可。这样的教学方法，学生总是处于相对被动的状态，学生虽然动手进行实验，但是对实验内容的理解并不深刻，使得实验教学效果大受影响。在完善实验教学方法方面，应充分发挥学生的主体作用，将学生置于自主实验的情境中，从实验项目的选择、实验时间的确定、实验方案的设计与可行性分析到实验结果的分析与研究等各个环节，全程强化学生自主学习意识，营造开放式、引导式、研究式的教与学的实验环境，有效调动学生对实验课的积极性，促进其个性发展。为使学生的“知识、能力、素质”全面协调发展，采取以下方式完善实验教学方法，以提高教学效果。

(1)全开放模式、自主式学习

实验室建立了运行良好的开放式教学管理机制，实行教学时间开放、实验项目开放、面对所有学生开放的“三开放”模式。从实验项目的选择、实验方案的设计与可行性分析到实验结果的分析与研究等各个环节，全程强化学生的自主学习意识和主体地位。在实验教学中坚持“五个结合”:必做项目与选做项目相结合、教师引导与学生自主学习相结合、虚拟实验与实物操作相结合、课内与课外相结合、知识考核与能力评价相结合，以保证自主学习的效果。

(2)引导式、研究式教学

引导式、研究式教学贯穿于实验教学的全过程，体现教师在实验教学中的主导作用。实验中启发学生扩展出内容相关的小型设计性实验，使传统实验体现创新;综合性实验过程中引导学生对知识结构、关键技术和实验方法进行分析归纳;而设计性实验则由学生独立设计、自行完成。同时，将创新研究实验与科研实际接轨，充分利用教师的科研资源，高年级本科生直接参与到教师的科研项目与课题，既促进了人才培养质量的提升，又可促进科研成果转化为实验项目，解决了“创新型实验”的源头问题。

(3)积极组织学生开展创新实践活动

实验室积极实施学校制定的“中南大学学生科技创新行动计划”，引导学生申报“中南大学学生创新教育基金”。我校多次组织主办了“湖南省金工设计制造竞赛”、“湖南省机械设计创新大赛”，还积极组织学生参加“中南地区港澳特区金工设计制造竞赛”、“全国大学生机械设计创新大赛”、“全国大学生挑战杯竞赛”等创新大赛，参与学生近千人，获得省级及国家级奖项200余项，取得了令师生满意的实验教学效果。我校于2008年获得全国大学生机械设计创新大赛组织奖;2009年又获得湖南省大学生机械设计制造创新竞赛组织奖。2008年以来，我院本科生供货国家专利6项、发表科技论文35篇。2009年，全国高校仅有两件创新作品参加了全国科技活动周活动，我院刘舜尧教授指导的《“福娃”爬杆清洁除冰智能机器人》即为其中之一;2010年，我院学生设计的“多功能电动轮椅”作为全国8个大学生创业项目成果之一再次参加了全国科技活动周活动。两项作品均得到了中央政治局委员刘延东、科技部部长万钢等领导的高度评价。

四、结语

在经过一系列改革和探索后，我院机械工程专业课实验室坚持以学生为中心，以教师为主体，狠抓实验教学质量，得到了学生的欢迎和认可，得到了教师和教学管理人员的赞同与支持，收到了良好的教学效果。

(1)调动了学生对实验学习的积极性。良好的实验教学环境和丰富的教学内容，极大的激发了学生的学习兴趣和求知欲望，学生重视实验课程，珍惜动手实践的每一分钟，虚心求教，愿意讨论，实验教学现场呈现浓厚的学习氛围。学生能够主动进入实验室，能够与指导教师进行一些深层次的讨论，教师也体会到了教学相长的无穷魅力。

(2)学生的动手能力和工程素质有较明显的提高。通过多层次实验教学锻炼和创新设计的磨练，学生的才智与潜力得到了充分的发挥，来自学校教学质量评价系统、研究生培养部门或用人单位的反馈意见表明，强化机械专业课的实验教学对学生综合能力的培养起到了重要作用。近几年来，学生的综合工程素质也有了明显提高，在省级和国家级机械创新大赛中取得了骄人的成绩。

［1］罗意平，潘迪夫，文振华．面向新世纪机械专业本科人才培养的教学改革探索与实践［J］．广西高教研究，2002，(3):83－85．

［2］谢黎明，靳岚，沈浩，沙成梅．机械设计制造机器自动化专业实验教学改革［J］．实验室研究与探索，2009，28(4):128 －130．

［3］彩红，毛立民，孙志宏．加强学生综合实践能力培养 改革机械专业实验教学［J］．东华大学学报(社会科学版)，2010，10(3):246－248．

［4］杨叔子，吴波．先进制造技术及其发展趋势［J］．机械工程学报，2003，39(10):73 －78．

［5］杨叔子，吴波．再论先进制造技术及其发展趋势［J］．机械工程学报，2006，42(1):1 －5．

［6］云忠，王艾伦，汤晓燕．机械基础层次化创新教学实验体系建设［J］．长沙铁道学院学报(社会科学版)，2009，10(1):69－70．