中美机械工程专业本科实践性教学的比较分析

马纲

摘  要：机械工程作为一个重要的基础学科，为“中国制造2025”提供着基础支撑，是工程教育中重要的组成部分。机械设计类课程是机械工程本科教育的主干技术基础，也是培养学生创新、综合设计能力的重要环节。文章以对美国路易斯安那州立大学机械工程本科生教学进行的详细调研为基础，对专业课程设置、实践类课程实施层面进行分析，重点深入研究了实践环节课程的特色，并与国内学校的相关课程进行了对比分析，给出了作者的思考和建议。可以为机械工程专业本科教学的改革和建设提供有益的帮助。

关键词：工程教育;本科教学;机械设计;综合实践;课程实施

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）32-0038-04

Abstract： Mechanical engineering is an important part of engineering education and provides basic support for the plan of "Made in China 2025". Mechanical design courses are the main technical foundation of undergraduate education in mechanical engineering and play an important role in cultivating students' innovation and comprehensive ability. Based on the detailed investigation of Mechanical Engineering Undergraduate Teaching in Louisiana State University， this paper introduced the arrangement and practical courses in LSU， meanwhile compares with the situation in our schools， and analyzes the advantage in LSU. It can provide useful help for the teaching of mechanical engineering.

Keywords： engineering education; undergraduate teaching; mechanical design; comprehensive practice; course implement

為主动应对新一轮科技革命与产业变革，随着包括“服务创新驱动发展”“中国制造2025”等一系列国家战略的实施，对高等工程教育提出了越来越高的要求。工程教育面临构建工科人才培养新体系、模式、机制的要求和推出人才培养新理念、高质量的挑战。

教育部复旦“新工科”建设共识中提出：新工科建设需要借鉴国际经验、加强国际合作。扎根中国、放眼全球、办出特色，借鉴国际先进理念和标准，明确新工科教育未来发展的重点和方向，分析新工科人才应具备的素质，构建新工科人才能力体系，培养具有国际视野的创新型工程技术人才。深入了解和分析国内外工程教育的特点，是新工科建设的重要问题。

机械工程作为传统基础学科，是工程教育重要的组成部分。机械设计类课程是工科本科教育的主干技术基础，为机械工程、动力工程等多个专业提供基础支撑。国内外高校本科教育中的机械设计类课程，是机械工程学科的根基之一，其重要的特点是以设计为主线、注重综合，在设计和创新能力培养上具有明显的优势。如何在打稳根基的同时激发学生的创新意识，使得创新思维培养和设计能力提升齐头并进，是机械设计类课程改革的关键。研究分析国外高校的情况，有利于发现我们目前课程教学中存在的问题，结合新工科目标定位，提出改进措施，确定课程改革建设的方向并开展工作，促进机械工程教育在体系或模式方面的改革，提升机械工程人才培养的整体质量。

本文以对美国相关高校本科生机械设计类课程详细调研为基础，从课程设置、实践类课程实施层面，深入研究分析了课程体系、内容及实施过程，并与国内高校的相关情况进行了对比分析，指出了主要的差异及带来启发。本文主要为作者的思考建议，以期为国内高校相关课程的改革和建设提供有益的帮助。

本文主要以美国路易斯安那州立大学LSU（Louisiana State University）机械工程ME（Mechanical Engineering）专业情况为例。

一、机械工程专业课程整体设置

路易斯安那州立大学是美国一所历史悠久的公立大学，成立于1860年，专业范围覆盖理、工、农、医、法等，属综合性强的大学。Department of Mechanical & Industrial Engineering的ME是LSU工程学院重要的专业，教学和科研具有较高的水准。

（一）LSU-ME专业课程整体设置

LSU-ME专业本科学制为4年，课程设置主要由基础课、工程专业基础课和专业课组成，每学期学分约达14-18分，达到授予学位的总学分要求为127学分。

图1为LSU-ME专业本科学位学分及选课要求。

图2为LSU-ME和北航机械工程专业课程设置情况分类统计对比情况，基础课程、专业基础、专业课程设置及总学分占比接近。LSU-ME专业课程设置与国内高校机械工程专业基本类似，国内外在机械工程本科专业知识体系的构架和要求方面基本一致。

（二）课程设置情况分析

对开课和选课情况详细调研的结果，表明其课程设置中的几个特点：

1. LSU本科教学中很重视基础类教学，同类课程的学时和学分数均高于北航及同类国内高校目前的学时和学分设置，与近些年国内各高校普遍减少本科课程中专业基础课程学时和学分的现状对比，美国高校在本科教学中的学时投入和对学生的要求要高于国内高校。

2. 专业课程设置涉及面广，专业课程的开设和选择由教师自主提出，学生自由选择，对于发挥教师特长和激发学生兴趣具有良好的作用。

3. 实验和实践环节所占比例大。试验课程学分不多但学时多，都是在实验室和生产车间现场进行教学，学习效果好，有利于与后续课程的衔接。全部采取小组教学，保证了每个学生的参与和主动学习。

二、实践类课程实施与分析

从课程整体设置来看，LSU非常重视实践类课程，这类课程学分虽少但学时长，保证让学生充分得到训练。选择有代表性的Capstone课程来进行分析。

Capstone课程是LSU-ME专业很有特色的一门课程，是培养学生工程设计能力的一个重要环节，类似于国内的毕业设计，但工作内容和进行方式有比较大的区别。

（一）课程基本情况

1. 课程定位

Capstone设计项目的任务是让学生进行一次全面的、创造性的、多学科的设计，完成一个完整的设计过程。在这个设计项目学习中除了让学生在职业技术层面上完成设计任务的功能要求外，同时还使学生在职业素养上如专业的设计工程师一样带着目标、挑战和责任进行工作。ME专业的本科学生以两个学期的Capstone Senior Design course作为本科阶段学习的终极训练。

2. 课程时间安排

项目从秋季学期开始，持续秋季、春季两个学期，秋季学期初选定设计任务，到春季学期期末完成整个项目，春节学期末进行项目完成答辯和展示。

（二）课程实施

1. 实施的主要要求和过程

在Capstone Design Program公布本学年的项目要求后，由学生自主选择，然后以团队的形式安排具体项目，学生以团队的形式针对所安排的项目开展工作。项目一般来自于工业部门、非盈利组织、个人或学校内部。工业项目优先安排，因为它们与实践和真实世界直接关联，因此是非常有价值的。团队通常是跨学科的，这取决于项目的需求。

Capstone设计项目包括两个连续的课程（秋季和春季），并强调设计过程和交付成功的工程、测试和验证的结果。同时由于关注的是学生的教育，强调成功的结果但不完全保证。在Capstone设计周期的第一学期，学生团队会获得对项目范围的理解，进而制定工程规范，开发概念性解决方案和设计，通过概念分析和选择过程进行必要的工程分析，提出一个最后的设计方案并设计完整的工程制造图纸。将这个设计的原型设计提交给专家小组，由他们提供评估和评价，学生小组在学期结束时提交最终报告。

在Capstone设计周期的第二个学期，学生团队开始对他们的设计进行物理的实现和测试，最后交付一个经过设计、测试和验证的产品。接着他们会在同样的专家小组面前进行答辩，然后由每个团队提交最终的综合报告，记录他们构建和测试的原型以及相关的设计、实现和测试过程。如果不能在周期结束时交付一个已完成的原理样机产品，则可能导致该课程失败。为了避免这种情况，必须对每个不符合规范的问题进行解释，并提出能解决其根本问题的可行性解决方案。

在这两个学期的项目实现过程中，除了设计概念和技术问题，学生们不得不面对团队协作、领导、项目和预算管理、评估、采购、重新设计的挑战，以及实际生产和多种形式的与客户、技术支持人员、供应商、监管机构和公众沟通的挑战，从而得到全面的学习锻炼和能力提升。

2. 考核和评价方式

设置不同环节和评价人员，分阶段进行评价考核。

（1）Notebook check环节：由老师、助教负责，以每两周为单位对学生的工作进度和工作过程进行评价记录。

（2）Presentation环节：包括第一学期的project schedual和第二学期的final presention。以团队形式对设计方案、设计过程、设计测试、最终结果进行介绍和展示，由专家小组进行提问答辩和评价。答辩的专家小组由企业界人士、教授指导团队及其他教师组成，约20人。教授指导团队由机械工程系6位教授组成，在项目进行过程中依阶段做报告指导和讨论，每个项目小组还有专门的指导教师进行更细致的指导。

（3）Report环节：根据提交的阶段性报告和综合报告进行评价。

后两个环节按照小组给出综合评价，分为优秀、良好等几个档次，小组内每个成员的具体成绩评价由助教根据notebook和report的完成情况来给定等级，两方面综合给出最后的个人考核成绩。指导老师一般不参与对学生的评价。

（三）实践课程特点分析

ME-Capstone项目在LSU-ME专业开展多年，多年经验不断积累和改进使得这个项目在整个的ME专业教学中起到了很重要的作用，也使得学生得到了真正的锻炼和能力的提升，教学效果很好，受到了广泛的好评。两个学期的课程跟踪，作者对这个课程在深入了解之后也产生了同样的感受，认为其值得学习借鉴。从课程的特点来看，类似于国内的课程设计和毕业设计，是专业的主要实践环节。但和国内的设计实践环节相比较，其有一些突出的特点。

1. 周期长，任务重，结果要求明确。这个项目安排完整的时间是两个学期，实际在项目进行过程中，圣诞前后的冬季学期中这个工作一直在进行中。学校的加工车间在冬季学期仍向学生开放，指导教师有值日安排，很多学生冬季学期仍在继续进行这项工作，投入了大量的精力去完成这个工作。根据每个小组项目的特点，每个项目都有明确的结果要求，很多项目必须要完成样机产品的制作并且提供相应的测试结果报告，让学生得到真正的锻炼和能力的提高。

2. 通过与企业和社会需求直接对接，使得设计任务设置与工程问题结合紧密，项目经费与组织管理流程到位，为项目的实施提供良好的保障。Capstone设计项目，是企业赞助商向LSU工程专业学生介绍项目的名称和品牌的一个机会，也是吸引学生参与公司项目的一个有效途径。在项目实施过程中，学生能够在真实的设计过程中提高能力并为塑造自身成为高质量的工程师打下良好基础，赞助商可以观察学生的行动，深入了解其能力并选择优秀的学生成为自己的员工。私人赞助商将有机会让他们的项目理念在原型水平上进行设计和实现，并使学生受益。

学校通过有效的途径与工业界和社会建立良性的合作渠道，成立专门的ME-Capstone委员会接受企业、个人的申请和赞助，建立规范的项目合作管理制度和经费管理制度，包括项目成果分配制度，使得企业和学生多方受益。这种良性循环的建立与美国高等教育中企业及校友资助的文化密切相关，也和学校的规范管理制度关系密切，实现了双赢的结果。

3. 课程管理到位、工作高效，保证了教学质量。课程设立专门的ME-Capstone委员会，系主任作为第一负责人对项目的立项、经费的使用等进行管理。项目进行过程中有6位教授团队会对学生进行指导，同时每个小组有相关的企业设计人员或学院老师进行具体指导。阶段性答辩中教授团队会进行提问评价，最后的项目答辩中有教授团队、企业界人士和其他教师组成的专业答辩小组，针对每个小组进行细致的提问评价，悉心指导学生的同时又会对其严格要求，取得了不错的效果。在这个过程中，教授团队的付出很大，老师们拿出了大量的时间和精力与学生一起讨论研究，工作作风踏实认真，真正做到了以学生能力的提高和培养为目标，学生也很投入，收获很大。

4. 多学科交叉，使学生能力在多方面得到提高。以项目为主导，学生主要以ME专业为主，同时包括了电子工程、工业工程等其他专业的学生。小组中对设计任务进行细致划分，每个学生负责的具体任务分工明确，同时相互之间的接口保持畅通。从设计任务出发，不仅要考虑具体的技术方法和路线，同时要进行经费预算，采购、加工调试、测试等多个环节的工作，让学生在团队协作、设计、工程实施等各个方面得到锻炼和提高。

5. 硬件设备配备充分、使用管理规范方便，为项目实施提供了良好的保障。项目实施过程都是在专门的实验场地进行。学校配套的加工车间、数控设备、3D打印设备等都会提供给学生使用，使用过程中建立了相应的设备管理和使用规范，包括采购过程经费使用、采购产品进货检验等都有详细的规定和实施步骤，为学生顺利开展项目工作提供了很好的条件，同时也使得学生在项目进行过程中对一般的项目研发管理流程和管理规范进行了学习，得到了训练和提高。

三、结束语

LSU机械工程中课程的实施，对国内课程改革建设有着重要的启示，主要包括：

1. 从课程设置来看，整体设置基本一致。但在具体的课程学时来看，国外的专业基础课程学时多，没有进行大量的删减。课内学时充足，有利于保证学生基础知识掌握的更为牢固，提高思维和创新能力。

2. 從机械设计课程的具体实施情况来看，国外对内容的把握和基础知识的掌握要求更为细致深入，对小班教学、多媒体应用等主要在教学形式方面并无过多的要求。与国内进行教学手段改革多强调实施形式的做法比较，更注重内涵。这也是我们在课程改革进行过程中应注意的问题。

3. 工程类专业及课程，突出的特点是要突出工程实践性，将工程实践性确实落到实处，需要做大量的基础工作，从教学设计、教学管理、硬件建设和硬件使用，是一个系统工程，也是切实锻炼和提高学生工程设计及创新能力的非常有效的手段，国外高校在这方面进行了深入具体的研究，我们需要下大力气做切实的工作，以此提高效率和质量。

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