范志堅， 李 偉

(上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

在工程類專業(yè)課程的教學(xué)過程中，實驗教學(xué)是整個教學(xué)體系中的重要組成部分。隨著高校實驗教學(xué)環(huán)境的改善及教學(xué)水平的提高，為滿足對學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的需求，減少演示性、驗證性實驗項目，逐漸增加設(shè)計性、創(chuàng)新性及綜合性的實驗內(nèi)容已成為目前實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢[1-4]。與此同時，開放性實驗室建設(shè)以及教學(xué)與科研結(jié)合的實驗內(nèi)容開發(fā)也成為目前整個實驗教學(xué)改革中的熱點討論問題[5-8]。針對以上現(xiàn)代實驗課程教學(xué)中的需求特點，本文在上海高校實驗技術(shù)隊伍建設(shè)計劃的支持下，對美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)機械與航空航天工程系的本科實驗教學(xué)方法及實驗室建設(shè)進行了調(diào)研，在充分參與機械工程專業(yè)的頂點課程(Capstone Course)過程中，通過分析及總結(jié)其實驗課程的教學(xué)內(nèi)容及組織方式，從學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)、開放性實驗室建設(shè)、實驗教學(xué)資源的整合等三個方面，對機械工程學(xué)科本科實驗課程教學(xué)的建設(shè)進行討論。

1 UCLA機械工程專業(yè)頂點課程介紹

頂點課程是美國高校工程類專業(yè)面向大學(xué)四年級開設(shè)的實踐課程[9-10]。機械產(chǎn)品設(shè)計(Mechanical Product Design)是UCLA機械工程專業(yè)的頂點課程，它要求學(xué)生利用整個本科教育階段所學(xué)的知識，在特定的設(shè)計題目、設(shè)計要求以及項目預(yù)算下，以團隊為單位，發(fā)揮專業(yè)能力、協(xié)作能力及創(chuàng)新精神，完成產(chǎn)品的設(shè)計、制造及自動化控制等任務(wù)。該課程面向機械工程專業(yè)的所有學(xué)生，跨時兩個學(xué)期，是一門集合了機械產(chǎn)品的設(shè)計、分析、制造、自動化等多個環(huán)節(jié)的大型綜合性創(chuàng)新實驗課程。

2016年度課程的設(shè)計要求為：以4或5人小組為單位，在課程提供的375美金項目預(yù)算下，設(shè)計一種可以自動導(dǎo)航的機器人小車，能夠在圖1所示的具有坡度及彎道的特定軌道上進行自動往復(fù)行駛。此外，小車需具有高爾夫球發(fā)射機構(gòu)，能夠在軌道頂點處的邊緣停下后，將高爾夫球發(fā)射至盡量遠處。在2016年度的課程中，共有112名學(xué)生參與課程，并由3位教授、4位在讀碩、博士助教、2位工程輔助人員為學(xué)生授課及提供實驗技術(shù)支持。

圖1 小車運行軌道模型

在實施過程上，整個課程按學(xué)期分為2個階段：第一學(xué)期為技能訓(xùn)練階段，通過課程設(shè)置的多節(jié)課堂及實驗內(nèi)容，使學(xué)生在根據(jù)產(chǎn)品需求提出概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成Solidworks平臺的上設(shè)計、分析、驗證及LabVIEW平臺上數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等多個實驗點，從而對整個項目中需要用到的技能進行訓(xùn)練及強化；第二學(xué)期為項目實踐階段，學(xué)生需要根據(jù)概念階段提出的設(shè)計方案，完成產(chǎn)品機械部分的零部件及整體裝配模型，并在此基礎(chǔ)上對設(shè)計方案中的產(chǎn)品重量、運動速度、摩擦力、牽引力等一些關(guān)鍵參數(shù)進行計算，完成動力元件的選型；設(shè)計工作完成后，學(xué)生需要利用校內(nèi)實驗室提供的多種機床、加工中心、3D打印機等設(shè)備對大部分結(jié)構(gòu)性零件進行加工制造，再配合購買獲得的一些小型零件及標準件，完成小車成品的組裝(見圖2)；最后，配合實驗室提供的中心控制模塊及多種傳感器件，實現(xiàn)整個小車的控制系統(tǒng)功能。在課程的最后環(huán)節(jié)，所有小組的作品將通過實際場地進行競賽(見圖3)，并選出前三名進行課程加分獎勵及授予所有任課教授聯(lián)名的榮譽證書。

圖2 學(xué)生在開放實驗室中進行產(chǎn)品組裝

圖3 小組間的設(shè)計產(chǎn)品競賽

2 對機械工程實驗教學(xué)的啟示

2.1 具有普遍性的學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

實驗教學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程不可缺少的重要組成部分, 是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、提高創(chuàng)新精神和實踐能力的重要環(huán)節(jié)[11-13]。在學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)上，與國內(nèi)傳統(tǒng)的機械工程專業(yè)實驗課程相比，UCLA頂點課程的特點體現(xiàn)在兩個方面：

(1) 通過實驗課程全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力。在工程學(xué)科的傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，受實驗條件及理論課程的內(nèi)容所限，實驗課程部分大多為演示性、驗證性實驗項目，學(xué)生在根據(jù)實驗指導(dǎo)書進行實驗的過程比較被動，除了獲得了專業(yè)認知或基本的技能訓(xùn)練外，難以進一步發(fā)揮主觀能動性進行創(chuàng)新及技能的綜合應(yīng)用。而在UCLA機械工程專業(yè)的頂點課程的實施過程中，不僅通過前期實驗階段鍛煉了學(xué)生的學(xué)科專業(yè)能力，而且在以小組為單位的項目實施過程中鍛煉了學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力、動手實踐能力、項目管理能力及團隊協(xié)作能力；此外，通過共同完成設(shè)計報告，還鍛煉了學(xué)生的文獻檢索能力及專業(yè)寫作能力。

(2) 體現(xiàn)在綜合能力培養(yǎng)的普遍性。機械工程是高校的傳統(tǒng)學(xué)科，學(xué)生數(shù)量往往比較多，然而實驗室的物力人力資源有限，在這種情況下，實驗課程一般難以顧及每一個學(xué)生的興趣及特長，而且通過設(shè)置大量實驗項目供學(xué)生選擇的做法在實施上也非常困難。部分有意于提高自身能力的學(xué)生可能會通過參加大學(xué)生創(chuàng)新項目、科技競賽項目或加入科研項目組等途徑來實現(xiàn)目的，但這些途徑依然歸屬于“精英”式培養(yǎng)模式，只能面向少部分學(xué)生，對大多數(shù)學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)產(chǎn)生了欠缺[2]。與此相比，UCLA頂點課程通過一個具有一定設(shè)計開放性的題目將所有學(xué)生容納進來，為了盡量發(fā)揮每一位學(xué)生的能力特長和主觀能動性，在最初的分組階段采用了問卷調(diào)查及簡單的專業(yè)知識測試對所有學(xué)生的能力偏向進行分類，并根據(jù)機械設(shè)計、電子電路及程序編寫三個方面，有目的的讓學(xué)生以小組形式進行特長互補，使得絕大多數(shù)學(xué)生能夠通過課程訓(xùn)練及相互討論交流獲得自身綜合能力的提高。同時，以小組間的競賽作為課程的一個環(huán)節(jié)，也顯著提高了學(xué)生們的積極性。

目前高校實驗教學(xué)改革的方向之一是建立以學(xué)科基礎(chǔ)實驗、綜合提高實驗、研究創(chuàng)新實驗構(gòu)成的分層次實驗教學(xué)體系[14]。通過借鑒UCLA頂點課程的教學(xué)模式及組織方法，開設(shè)類似的以開放性設(shè)計為導(dǎo)向的綜合性實驗課程，可以將以上3個層次貫穿結(jié)合，從而更加有利于系統(tǒng)地、完整地對學(xué)生綜合能力進行培養(yǎng)。

2.2 合理的開放性實驗室建設(shè)

開放性實驗室建設(shè)是目前實驗教學(xué)的一個重點改革方向，國內(nèi)各大高校在開放實驗室方面進行了大量研究及工作，并積極推進了設(shè)備共享平臺的建設(shè)[15]。但是，大多數(shù)高校中的實驗設(shè)備存在功能重復(fù)及管理分散的問題[7]，導(dǎo)致設(shè)備使用率不高，因此從實際應(yīng)用效果看，單純的開放實驗設(shè)備的使用共享，在本科教學(xué)及促進學(xué)生創(chuàng)新層面所產(chǎn)生的效果并不夠理想，建設(shè)合理、高效的開放實驗室，還需要系統(tǒng)地對實驗室功能進行規(guī)劃。

UCLA機械及航空航天工程系具有8個本科教學(xué)實驗室，在頂點課程中，其中3個與課程相關(guān)的實驗室向?qū)W生實行全時開放，學(xué)生可以根據(jù)實驗室的占用狀態(tài)及自身時間安排，充分利用實驗室資源進行項目設(shè)計、制造及系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)。同時，為了滿足復(fù)雜性較高的加工需求，系里的一些大型設(shè)備，如數(shù)控加工中心，水刀切割機等，也采用了預(yù)約及付費使用的方式向?qū)W生開放。實際上，除了頂點課程之外，UCLA其他專業(yè)課程(如‘Introduction to Manufacturing Process’)的實驗部分也會根據(jù)實驗需求供學(xué)生自由地使用教學(xué)實驗室。

設(shè)計、制造及自動化是機械工程學(xué)科的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，將其結(jié)合UCLA頂點課程的實施過程來看，實驗室的開放可以分為兩個部分：

(1) 通用型設(shè)備開放實驗室。通用型開放實驗室是能夠為所有學(xué)生提供實驗技能訓(xùn)練及創(chuàng)新活動的常規(guī)性實驗室，此類實驗室能夠為設(shè)計性、綜合性實驗課程提供基礎(chǔ)條件，并能夠在正常教學(xué)時段之外向所有經(jīng)過操作及安全管理培訓(xùn)的專業(yè)學(xué)生開放。其功能性應(yīng)至少包含三部分：CAD/CAM實驗室，基礎(chǔ)制造實驗室及機電系統(tǒng)設(shè)計實驗室。CAD/CAM實驗室以計算機及應(yīng)用軟件平臺為主，向?qū)W生提供設(shè)計、分析、模擬等機械工程類專業(yè)軟件，同時也能夠提供科學(xué)計算、統(tǒng)計類軟件以及多種語言編程平臺。基礎(chǔ)制造實驗室可以提供車床、銑床、鉆床等機械加工設(shè)備，為學(xué)生提供基礎(chǔ)的制造工具，其功能性與機械工程院系中的金工實習(xí)中心類似，因此也可選擇將金工實習(xí)車間內(nèi)的一些設(shè)備進行開放式管理。機電系統(tǒng)設(shè)計實驗室應(yīng)能夠向?qū)W生提供機電控制系統(tǒng)開發(fā)中常用的軟硬件平臺，如PLC、單片機或UCLA課程中使用的NI公司MyRio平臺等。

(2)專用型設(shè)備開放實驗平臺。專用型設(shè)備主要是用于教學(xué)及科研的大型或精密型設(shè)備，是對通用型設(shè)備的補充。此類設(shè)備一般體積較大或操作復(fù)雜，如大型數(shù)控加工中心、高精度3D打印機等，不僅難以安置在統(tǒng)一場地，而且需要專人進行操作。此外，由于設(shè)備價格昂貴，其在管理權(quán)限上常常屬于某一實驗室或課題組。因此，這類設(shè)備難以向大量學(xué)生推廣使用，一般采用共享平臺的方式，面向?qū)嶒炚n程或創(chuàng)新項目需求，進行開放使用。

實驗環(huán)境及設(shè)備的開放共享是開放性實驗室建設(shè)主要內(nèi)容，但其并不是實驗室開放的目的。開放實驗室的主要目的應(yīng)該是在學(xué)生產(chǎn)生一些創(chuàng)新性想法時，向其提供實現(xiàn)想法的工具或平臺，因此在面向?qū)嶒灲虒W(xué)的實驗室建設(shè)中，有針對性地進行功能規(guī)劃，將通用的工具型的實驗室資源向?qū)W生充分開放，輔助以專用設(shè)備的共享，不僅可以提高實驗設(shè)備的利用率，而且為學(xué)生提高實踐能力及創(chuàng)新精神提供了有利條件。

2.3 實驗教學(xué)資源整合

開放性實驗室建設(shè)能夠為實驗教學(xué)改革提供硬件基礎(chǔ)，而實驗課程內(nèi)容的改革是提升實驗教學(xué)水平的驅(qū)動力。在目前國內(nèi)高校的工程類實驗教學(xué)中，演示性、驗證性實驗項目占有較大比重[6-7]，此類實驗是學(xué)生訓(xùn)練基本專業(yè)技能的必要環(huán)節(jié)，但其在內(nèi)容組織上往往是離散性的，即使在同一門專業(yè)課程中，多個實驗點之間由于使用的儀器設(shè)備或?qū)嶒灲處煹牟煌?，也?jīng)常相互獨立。從UCLA頂點課程可以看出，與傳統(tǒng)實驗之相比，設(shè)計性、綜合性實驗課程由于具備更強的工程特性，實驗內(nèi)容的設(shè)置上需要在不同的知識點之間建立較強的關(guān)聯(lián)性，甚至將交叉學(xué)科領(lǐng)域的知識點也融入進來，在此基礎(chǔ)上配合實驗室所提供的多種實驗平臺及工具，能更有利于系統(tǒng)化地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，并使其發(fā)揮于實踐及創(chuàng)新過程。正因為如此，要開設(shè)一門類似的大型綜合性實驗課程，尤其是在機械工程專業(yè)學(xué)生數(shù)量較多的情況下，需要對包括人力物力在內(nèi)的實驗教學(xué)資源進行整合。

(1)多課程內(nèi)容整合。設(shè)計、綜合類實驗課程往往需要將多門專業(yè)課程的內(nèi)容進行整合，機械工程學(xué)科的本科教育一般包括機械、材料、電子、電氣等專業(yè)領(lǐng)域的多門課程，在實驗教學(xué)中將這些課程中的知識點串聯(lián)起來，利用相互之間的關(guān)聯(lián)性形成一個整體，有利于學(xué)生將大學(xué)期間所學(xué)內(nèi)容融會貫通，建立系統(tǒng)化的工程思維。如UCLA頂點課程中，實驗訓(xùn)練及項目實踐階段的需求整合了Mechanics、Material Science、Electrical Engineering、Feedback Control等多門課程中的知識內(nèi)容。

(2)多類型實驗室整合。本科教學(xué)實驗室在規(guī)劃中一般具有特定的功能，對應(yīng)于實驗內(nèi)容的多樣性，綜合性實驗課程的實施過程同樣需要多個類型實驗室的配合。如前文所述，UCLA頂點課程中有3個涉及設(shè)計、制造、控制的教學(xué)型實驗室向?qū)W生開放使用，且有研究型實驗室提供大型設(shè)備支持。通過綜合性實驗將多個實驗室資源統(tǒng)一利用起來，能夠在實驗室開放的基礎(chǔ)上，進一步提高實驗室的整體利用率。

(3) 科研與教學(xué)資源整合?？蒲信c教學(xué)相結(jié)合是目前實驗教學(xué)建設(shè)中的熱點討論問題，將課題研究中的一些方法、技術(shù)、設(shè)備等進行提煉，使其適用于實驗課程的教學(xué)，不僅能夠使實驗內(nèi)容緊跟學(xué)科研究前沿，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和熱情，而且能夠有效地豐富實驗教學(xué)方法及實驗平臺，提高實驗課程的水平和質(zhì)量。繼續(xù)以UCLA頂點課程為例，學(xué)生在課程第一階段的技能訓(xùn)練實驗中所用到的機器人模型、用于控制系統(tǒng)開發(fā)的電路板以及程序框架，都是經(jīng)由任課教師的科研課題組進行篩選及修整后供學(xué)生使用。

(4)實驗教學(xué)隊伍整合。美國高校的實驗課主要由助教承擔(dān)，而助教則來自于任課教授所培養(yǎng)的碩、博士研究生，在UCLA課程中，不同研究方向的教授及助教組成了團隊為學(xué)生們提供全面的知識及技術(shù)支持。國內(nèi)高校的實驗課程一般由專職實驗教師任教，通常每一位實驗教師負責(zé)固定幾門課程配套的實驗部分，在綜合性實驗課程所涉及的實驗內(nèi)容及實驗人數(shù)較多、知識涉及的范圍較為廣泛時，只靠專職實驗教師的力量將難以滿足課程需求。因此，應(yīng)當鼓勵教授、博士等更高學(xué)術(shù)層次的人員共同參與實驗教學(xué)，在提高實驗教學(xué)整體質(zhì)量的同時，還能夠提高專職實驗教師的教學(xué)水平及新實驗開發(fā)能力，從而在增強實驗教學(xué)隊伍的實力方面形成良性循環(huán)。

3 結(jié) 語

培養(yǎng)學(xué)生的綜合專業(yè)素質(zhì)及創(chuàng)新能力是目前高校工程類實驗課程的改革方向及目標，而設(shè)計性、綜合性的實驗課程設(shè)置是實現(xiàn)目標的重要途徑。借鑒UCLA頂點課程的教學(xué)方法和經(jīng)驗，打破單調(diào)的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，不僅可以調(diào)動所有學(xué)生的創(chuàng)新意識和團隊合作精神，提高分析問題、解決問題的工程實踐能力，同時也可以促進實驗室資源的綜合利用。通常，美國高校的頂點課程會作為本科階段的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，國內(nèi)高校本科畢業(yè)的機制與要求與美國高校不同，但可以考慮在本科三年級下半學(xué)期或四年級上半學(xué)期開設(shè)類似的大型綜合實驗課程，為普遍提高機械工程專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)進行有益的嘗試。

[1] 李 軼, 李明弟, 姜愛民，等.創(chuàng)新實驗開放教學(xué)體系的改革[J].實驗室研究與探索, 2012, 31(9): 142-143.

[2] 于兵川, 吳洪特.實驗教學(xué)與科研有機結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力[J].實驗室研究與探索, 2010, 29(2): 76-77.

[3] 張 波. 開放性實驗在實踐教學(xué)體系構(gòu)建中的研究[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備, 2010(5): 81-83.

[4] 韋 化, 曾冬梅, 秦剛年. 實驗教學(xué)與科研相結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2008,25(5): 31-34.

[5] 扈 旻, 房 丹, 韓嚴軍. 高校本科實驗教學(xué)與科研相結(jié)合的實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2010, 27(10): 122-124.

[6] 林 卉, 胡召玲, 趙長勝，等.高校開放實驗室的建設(shè)與管理[J].實驗技術(shù)與管理, 2010,27(3): 152-155.

[7] 李 晉. 高校實驗室建設(shè)與管理模式的探討[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2009, 26(6): 145-147.

[8] 高明松. 借鑒日本高校實驗室管理經(jīng)驗加強我國高校開放實驗室管理[J]. 實驗技術(shù)與管理. 2006, 23(11): 138-139.

[9] 熊華軍, 劉興華.美國大學(xué)工程頂點課程的設(shè)計及啟示——基于美國工程教育協(xié)會2005年調(diào)查的分析[J].清華大學(xué)教育研究, 2012,33(4):89-96.

[10] James Pembridge, Marie Paretti.The current state of capstone design pedagogy [C]//American Society for Engineering EducationAnnual Conference, 2010:15.1217.1-15.1217.13.

[11] 吳元周, 呂恒林.教研融合科研實驗室促進本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索, 2016,35(4): 252-254.

[12] 劉 燕, 李曉波.開放的教學(xué)實驗平臺建設(shè)與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索, 2014,33(3):211-214.

[13] 戴克林.高校實驗室建設(shè)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究[J].實驗技術(shù)與管理， 2014, 31(7): 32-35.

[14] 楊廣武, 胡松青，張亞萍，等.建設(shè)四類實驗資源構(gòu)建分層次遞進式實驗教學(xué)體系[J].實驗室研究與探索, 2016,35(2): 159-162.

[15] 千承輝，萬云霞，胡 鶴，等.電子設(shè)計競賽與開放實驗室相結(jié)合的實踐教學(xué)[J].實驗室研究與探索, 2016,35(7): 205-207.