机械工程专业实验重能力培养课程建设探索

吴艳云 　王照云 　张珂 　郑刚 　沈秀国

[摘 要]实验教学是机械工程专业学生工程能力培养的关键环节之一。结合上海应用技术大学实际实验设置设施情况，就专业实验课程如何实现“重能力培养”的课程内容、教学方法以及开放平台构建等方面进行研究，探索构建全开放实验教学平台、网络实验教学平台、学生自主研学创新实践平台。

[关键词]机械工程;实验课程;教学内容;教学方法;开放平台

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0050-03

重能力培养要求课程教学重点实现由“知识传授”向“能力培养”的转变，要求教学模式由“以教为主”到“以学为主”的翻转，让学生成为学习的主体，教师成为学习的启发者、引导者。在当前基于工程教育国际专业认证的课程体系正处于改革时期，教师首先要做好课程的重能力培养的教学方法及内容的改革。

实验教学环节是学生工程能力培养的关键环节之一。目前，机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程专业开设有大量的综合性实验、设计性实验、验证性实验，教师实验教学主要强调学生按照实验指导书上的实验方法来完成实验内容，实验中创新实验、自主实验的内容较少，对学生思辨、探疑、多维思考、发散思维的激发渠道偏少。另外，实验课程没有独立的考核，学生对实验课程一向不重视，缺乏主动性和积极性，对实验结果分析不深入。教师在主讲和操作实验的教学过程中，由于缺少让学生独立思考和自主操作的环节，对学生解决实际问题能力的培养、创新力的激发不足，对学生思维能力和实验研究能力的培养也不足。本文就重能力培养实验课程教学方法、内容、考核形式以及开放平台做一些探索。

一、专业实验课程类型及分布

机械工程专业相关的专业实验课程很多，其教学内容约60%是专业基础实验课程，约40%是专业实验课程。不同专业方向之间专业基础课程实验有重复，专业课程实验重复率不高。上海应用技术大学（以下简称“我校”）是应用型高校，实验设置具有代表性。目前，我校机械工程专业实验性质有五类，即演示、验证、综合、设计和探索性实验。其中专业基础课程实验约有61%是综合性实验，38%是验证演示，个别是设计性实验。专业课程实验约有55%是综合性实验，25%是设计性实验，20%是验证演示，独立的探索性实验较少，其内容体现在部分综合性、设计性试验中。

专业基础课程实验中演示、验证性实验的内容相对比较单一，通常是限于验证某些定律或结论，属于基本操作、基本训练，如“低碳钢与铸铁试件的拉伸和压缩试验”，验证材料力学课程的基本理论。专业课程实验中的演示性实验通常是具有一定危险性的实验，如“曲柄压力机设备”实验中的冲压部分就属于这类，也有部分是因为设备操作复杂或加工时间较长，如“3D打印方面快速成型实验”，不适宜在2课时内完成的课内实验部分等。综合性实验通常是多项实验内容的综合。专业基础课程的综合性实验内容一般是本课程的知识综合或系列课程的知识综合，而专业课程的综合性实验则常常是本门课程及关联课程的综合知识，如“轴系结构装拆实验”“过控装备对象特性测试实验”，通过多内容、多方面的综合来培养学生的知识、能力及工程素质。设计性实验是教师根据实验目的要求和实验室条件，预先引导学生设计实验方案方法、选择实验器材、设计实验操作程序，实验时自己动手操作并对实验结果进行分析处理，如“气动循环动作回路设计与调试”“PLC的I/O接口状态信号法诊断故障”“数控车床编程实验”等。研究探索性实验是一种教学与科研相结合的形式，指学生在教师选定的实验方向或自己感興趣的领域， 针对某一目标所开展的具有探索性质的实验 ，是科学研究的初步学习 。目前，研究探索性实验通常和本科课程关联度小，和大学生创新活动、教师研究项目有关。

二、专业综合性实验重能力培养 课程内容探索

综合性实验是目前占比重最大的实验，其对学生各项综合能力的培养非常重要。目前，综合实验重能力培养的教学内容优化途径在于综合应用多种实验方法和手段，注重实验的“工程性”，注重实验讲义的时效性。

（一）综合应用多种实验方法

目前，大多数专业综合性实验通常是多项实验内容的综合，如机械工程专业综合创新实验，其内容包括材料、力学、机械设计、制造工艺、三维设计等。综合性实验的知识面较广，涉及两个或两个以上的学科。但综合性实验除实验内容综合外，其实验方法或手段的综合对学生认知能力和创新能力的培养更为有效。如应用两种或两种以上的基本实验方法完成同一个实验，运用不同的实验原理综合分析问题、解决问题，实验方法的多元性能够激发学生的思辨能力，激发学生勇于探疑的精神。例如，在测试技术综合实验中，通过传统和现代测试手段相结合的方法， 如流量测定可同时采用体积法和电磁流量计法， 压力测定可同时采用液式压力计和压力传感器计算机采集[1]。所以，实验内容、方法和手段的多方位综合是综合性实验重能力培养的建设方向。

（二）综合应用多种实验手段

综合应用两种或两种以上的实验手段完成同一个实验，即通过不同的手段分析、解决同一问题。例如，在材料力学实验中测量材料弹性模量E，测量标距内微小变形的方法较多，既可以用拉伸试验机测量，也可以采用电测的手段测量，还可以用应力波传播测量，其综合了机械、电学或声学的测量手段。综合应用多种实验手段有利于培养学生多角度、多形式的思维方式，有利于培养学生勇于创新的精神。

（三）实验内容注重工程性

综合性实验内容要改变过去侧重于加深和提高学生对基本理论知识的理解，注重工程性，这有利于提高学生的工程意识，培养学生的工程能力。

如在流体力学管流综合实验中，可以将实验装置工程化，使学生能在实验课堂上观察、体验实际工程管路流动的现象，同时进行管路测试。实验内容的工程背景可以使学生体验到知识的应用，这在培养学生工程概念和工程意识的同时，还能激发学生的学习兴趣，培养他们勤于思考、勇于动手解决实际工程问题的能力。

（四）实验讲义注重时效性

专业实验的实验指导书大部分都是采用自编讲义。为此， 自编讲义在编制时需要注重时效性。例如，近年来发展较快的超高压设备、无损检测装置、物理化学气相沉积设备、三维扫描仪、激光快速成型设备3D打印机等在新版教材中都有涉及，但相关介绍比较简单。这就需要对其结构特点及应用进行详细阐述，同时注意补充最新的理论论证，从而有意识地培养学生的学习兴趣和创新意识。

我校每年课程建设、实验室建设以及重大项目采入的新进设备，都会有相应的新实验或新内容开发，这就要求对应的实验讲义内容要及时改编，反映新技术的发展要求，以适于培养学生的思维能力、创新能力和工程能力等。

三、专业实验课程重能力培养教学方法探索

实践课是学生综合能力、创新能力培养的重要教学环节，如何提高学生的主动性、参与性、增加实验的有效性很重要。

（一）设立独立的实验考核

实验课程设立独立的考核，督促学生加强对实验课程的重视度。要建立严谨的实验考核体系，除实验报告成绩外，还要对课前预习、实验方案、实验操作、实验结果成效等各个环节进行全面考评。通过对预习报告的质量、实验方案设计的多样性、理论依据合理性、操作的规范性、实验报告中原始数据记录的规范性、实验结果的分析深入性、逻辑性等进行全方位考核。对于低年级的学生来说，应注重对其理论内容的理解与应用能力、仪器设备的熟练使用能力、实验操作的动手能力的培养考核;对于高年级的学生来说，应注重对其综合设计与创新能力的培养和考核。考核成绩不仅能有效反映学生对实验的掌握程度，还是激励学生积极认真进行有效实验的措施。

（二）学生做实验自主操作

“大学课堂教学应该是学生学习的过程。”[2]实验过程强调学生独立操作，一定要动手，这样才能培养学生独立思考、大胆探索的能力。实验中让学生做主角，教师同时积极引导，让学生自己搭建实验装置、独立操作实验设备。如在“曲柄压力机设备”实验中， 让学生逐步查找设备的曲柄连杆工作机构、电机到离合器等传动系统、离合制动操作系统、液压过载保护系统、气压平衡系统等布局，教师在一旁引导，引入理论和相关知识。学生在动手操作、观察实物的同时能学习到相关的气液、机械传动、材料、机械结构等知识，对学生来说这相当于完成一次深入的综合性实训。课后学生在观察记录的基础上绘出操作系统、离合制动器的工作原理图，这是理论与实践的升华。在实验操作或观测过程中学生会提出自己的问题，教师对学生提出的问题进行解答，并引导学生深入思考相关理论知识，鼓励学生利用已学过的基础知识分析问题出现的原因并独立思考解决问题的方法。学生自主操作实验，这能发挥学生的积极性和主动性，有助于提高学生的独立操作能力和解决实际问题的能力。

（三）采取探究式实验教学

鼓励和引导学生通过探究的方式进行实验。实验目标以问题的形式呈现给学生，学生是通过解决问题的方式进行实验学习，通过解决问题，即探究性实验过程中对学科知识的发现、创造、重组和批判等而获得新知，这能培养学生的研究技能和学术素质。

探究式实验要求教师结合自己所教课程的内容、自己的学术研究以及现实实践问题开展课题研究，通过研究，找出实验内容和现实问题的最佳结合点，用实验问题去激活教材、激活教学。如机械基础实验机构运动方案设计实验，可以用“牛头刨床运动机构设计”“发动机曲柄连杆运动设计”的实际问题引入。在探究式实验教学过程中，教师要善于创造条件和問题，把握方向，引导学生进行科学探究，了解他们解决问题的思维习惯，充分和学生交流，引导学生大胆设计，大胆实验。这个过程会让学生感觉问题不难也不易， 通过自己的学习及查阅相关资料，自主探究，通过交流与合作，能够完成实验项目内容。

四、专业实验重能力培养开放平台构建

构建专业实验开放平台，培养学生自主创新的工程实践能力。

（一）构建全开放实验教学平台

开放实验时间、开放实验器材、开放实验内容、开放实验过程，这是面向师生的全面开放。全开放实验教学体系给学生提供了自主发展和实践锻炼的空间，最大限度地发挥了实验室的资源效益，培养了学生自主学习的能力和创新能力。

从机械工程专业基础实验做起，如机械认知实验平台通常承担机械原理、机械设计、机械设计基础等课程的认知实验教学任务，除完成正常的教学任务之外，认知实验室实现面向师生的全面开放。机械原理实验的主要仪器和设备有平面机构、空间连杆机构、凸轮机构、轮系、间歇机构等常见机构;机械设计的主要仪器和设备有联接、传动、轴系及其他通用零部件模型及实物、各种机构模型等。实验室全面开放，让学生自主学习、认知、自主操作和设计实验，这能增强学生的感性认识，提高学生对理论课程的学习兴趣及积极性，帮助学生提高设计能力。另外，通过专业基础实验自主操作和自主设计型实验，学生能提高自主学习的能力，为研究性、探究性实验学习模式打下良好基础。

（二）构建全开放的网络实验教学平台

全开放实验教学新模式可以充分采用现代网络技术和网络媒体，建立全开放的实验教学平台，将实验预习内容、设备、仪器操作方法及相关的技术、理论知识等以“微型视频课堂”的形式呈现给学生， 让学生进行自主预习与形象感知。学生可以按照课时在网上预约实验时间，也可以选择实验内容层次，即基本实验项目、自主设计型实验、基于项目的研究型实验等。实验教学内容可以采用“微课”形式在平台公布，让学生自主学习，这能实现实验教学的网上辅导与实验室教学指导的课内外统一。在网络实验教学平台上，学生可以提交实验结果，教师可以进行最终实验数据评判、成绩评定等，也可以通过网络实验教学平台实现层次多向性的教学互动。教师还可以在系统上发布实验题目，与学生进行在线讨论、交流、留言、网上答疑等;也可以通过网络实验教学平台增加互动深度，进行学术交流、学术质疑、知识辩论等。

（三）构建学生自主研学创新实践平台

学生自主研学创新实践平台为大学生课外参加各类竞赛活动、自主科技创新或自主研学提供场所和活动平台。如机械创新实验平台，配置工业机器人、移动机器人、仿生及其人模型、机械创意设计模拟仪、机械传动性能综合试验台、各类组合模型、结构设计实验箱等。低年级学生可以通过平台自行组队选题，开展各类科技创新活动、开展竞赛项目训练;高年级学生可以利用平台进行毕业设计，完成创新训练实践项目，也可以结合所学专业，或突破学科壁垒与其他学科交叉，设计完成各类自选研究课题等。教师对学生在创新实践平台上取得的成绩应给以鼓励，如实施承认相应学分、免试研究生优先权等多项政策，以吸引了更多的学生自愿、主动参加到创新实践平台活动中来。

学生自主研学创新实践平台可以对接学校协同创新平台、重点实验室、工程中心、校企合作实验室等，这拓展了实验教学体系，充分开放大学各类实验设备，让更多教师发挥研究特长，以此来影响和培养学生，通过平台培养出机械工程专业的高端人才、领军人才和应用型创新人才。

五、结语

重能力培养是课程教学改革的重点，专业实验教学改革是学生工程能力培养的重要抓手和关键环节。在綜合性实验课程教学内容改革方面，我们采取了综合应用多种实验方法和手段、实验内容注重工程性、实验讲义注重时效性等措施，这对学生工程能力的培养有较好效果。同时我们对实验教学方法进行了有效探索，进一步探索了学生工程创新能力培养的方法途径，包括构建全开放实验教学平台、网络实验教学平台、学生自主研学创新实践平台等，助力提高学生的自主创新工程实践能力。当前，各高校都在积极申请专业工程认证或专业评估，推动新工科建设，强化培养过程的理念，规范培养过程，这也是实验课程重能力培养教学改革的契机。

[ 参 考 文 献 ]

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[3] 史雪婷，冯利邦，刘艳花，王彦平.工程教育专业认证背景下“工程材料及成型技术基础”课程教学改革与实践探索[J].教师，2017 （32） ： 99-100 .

[4] 易红，熊宏齐，郑家茂.构建整体优化的实验教学与创新实践平台[J].中国高等教育，2005（18）： 29-30.

[5] 吴艳云.应用型本科现代职业教育教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2015（3）：131-133.

[6] 杨端翠.大学物理实验中如何开展探究性学习[J].教育教学论坛，2012（36）：250-251.

[责任编辑：陈 明]