吳艷云 　王照云 　張珂 　鄭剛 　沈秀國

[摘 要]實驗教學(xué)是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生工程能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。結(jié)合上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)實際實驗設(shè)置設(shè)施情況，就專業(yè)實驗課程如何實現(xiàn)“重能力培養(yǎng)”的課程內(nèi)容、教學(xué)方法以及開放平臺構(gòu)建等方面進(jìn)行研究，探索構(gòu)建全開放實驗教學(xué)平臺、網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺、學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐平臺。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械工程;實驗課程;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法;開放平臺

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0050-03

重能力培養(yǎng)要求課程教學(xué)重點實現(xiàn)由“知識傳授”向“能力培養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變，要求教學(xué)模式由“以教為主”到“以學(xué)為主”的翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，教師成為學(xué)習(xí)的啟發(fā)者、引導(dǎo)者。在當(dāng)前基于工程教育國際專業(yè)認(rèn)證的課程體系正處于改革時期，教師首先要做好課程的重能力培養(yǎng)的教學(xué)方法及內(nèi)容的改革。

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生工程能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、材料成型及控制工程專業(yè)開設(shè)有大量的綜合性實驗、設(shè)計性實驗、驗證性實驗，教師實驗教學(xué)主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書上的實驗方法來完成實驗內(nèi)容，實驗中創(chuàng)新實驗、自主實驗的內(nèi)容較少，對學(xué)生思辨、探疑、多維思考、發(fā)散思維的激發(fā)渠道偏少。另外，實驗課程沒有獨立的考核，學(xué)生對實驗課程一向不重視，缺乏主動性和積極性，對實驗結(jié)果分析不深入。教師在主講和操作實驗的教學(xué)過程中，由于缺少讓學(xué)生獨立思考和自主操作的環(huán)節(jié)，對學(xué)生解決實際問題能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新力的激發(fā)不足，對學(xué)生思維能力和實驗研究能力的培養(yǎng)也不足。本文就重能力培養(yǎng)實驗課程教學(xué)方法、內(nèi)容、考核形式以及開放平臺做一些探索。

一、專業(yè)實驗課程類型及分布

機(jī)械工程專業(yè)相關(guān)的專業(yè)實驗課程很多，其教學(xué)內(nèi)容約60%是專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，約40%是專業(yè)實驗課程。不同專業(yè)方向之間專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗有重復(fù)，專業(yè)課程實驗重復(fù)率不高。上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“我校”）是應(yīng)用型高校，實驗設(shè)置具有代表性。目前，我校機(jī)械工程專業(yè)實驗性質(zhì)有五類，即演示、驗證、綜合、設(shè)計和探索性實驗。其中專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗約有61%是綜合性實驗，38%是驗證演示，個別是設(shè)計性實驗。專業(yè)課程實驗約有55%是綜合性實驗，25%是設(shè)計性實驗，20%是驗證演示，獨立的探索性實驗較少，其內(nèi)容體現(xiàn)在部分綜合性、設(shè)計性試驗中。

專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗中演示、驗證性實驗的內(nèi)容相對比較單一，通常是限于驗證某些定律或結(jié)論，屬于基本操作、基本訓(xùn)練，如“低碳鋼與鑄鐵試件的拉伸和壓縮試驗”，驗證材料力學(xué)課程的基本理論。專業(yè)課程實驗中的演示性實驗通常是具有一定危險性的實驗，如“曲柄壓力機(jī)設(shè)備”實驗中的沖壓部分就屬于這類，也有部分是因為設(shè)備操作復(fù)雜或加工時間較長，如“3D打印方面快速成型實驗”，不適宜在2課時內(nèi)完成的課內(nèi)實驗部分等。綜合性實驗通常是多項實驗內(nèi)容的綜合。專業(yè)基礎(chǔ)課程的綜合性實驗內(nèi)容一般是本課程的知識綜合或系列課程的知識綜合，而專業(yè)課程的綜合性實驗則常常是本門課程及關(guān)聯(lián)課程的綜合知識，如“軸系結(jié)構(gòu)裝拆實驗”“過控裝備對象特性測試實驗”，通過多內(nèi)容、多方面的綜合來培養(yǎng)學(xué)生的知識、能力及工程素質(zhì)。設(shè)計性實驗是教師根據(jù)實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒炇覘l件，預(yù)先引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案方法、選擇實驗器材、設(shè)計實驗操作程序，實驗時自己動手操作并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理，如“氣動循環(huán)動作回路設(shè)計與調(diào)試”“PLC的I/O接口狀態(tài)信號法診斷故障”“數(shù)控車床編程實驗”等。研究探索性實驗是一種教學(xué)與科研相結(jié)合的形式，指學(xué)生在教師選定的實驗方向或自己感興趣的領(lǐng)域， 針對某一目標(biāo)所開展的具有探索性質(zhì)的實驗 ，是科學(xué)研究的初步學(xué)習(xí) 。目前，研究探索性實驗通常和本科課程關(guān)聯(lián)度小，和大學(xué)生創(chuàng)新活動、教師研究項目有關(guān)。

二、專業(yè)綜合性實驗重能力培養(yǎng) 課程內(nèi)容探索

綜合性實驗是目前占比重最大的實驗，其對學(xué)生各項綜合能力的培養(yǎng)非常重要。目前，綜合實驗重能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化途徑在于綜合應(yīng)用多種實驗方法和手段，注重實驗的“工程性”，注重實驗講義的時效性。

（一）綜合應(yīng)用多種實驗方法

目前，大多數(shù)專業(yè)綜合性實驗通常是多項實驗內(nèi)容的綜合，如機(jī)械工程專業(yè)綜合創(chuàng)新實驗，其內(nèi)容包括材料、力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、制造工藝、三維設(shè)計等。綜合性實驗的知識面較廣，涉及兩個或兩個以上的學(xué)科。但綜合性實驗除實驗內(nèi)容綜合外，其實驗方法或手段的綜合對學(xué)生認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更為有效。如應(yīng)用兩種或兩種以上的基本實驗方法完成同一個實驗，運用不同的實驗原理綜合分析問題、解決問題，實驗方法的多元性能夠激發(fā)學(xué)生的思辨能力，激發(fā)學(xué)生勇于探疑的精神。例如，在測試技術(shù)綜合實驗中，通過傳統(tǒng)和現(xiàn)代測試手段相結(jié)合的方法， 如流量測定可同時采用體積法和電磁流量計法， 壓力測定可同時采用液式壓力計和壓力傳感器計算機(jī)采集[1]。所以，實驗內(nèi)容、方法和手段的多方位綜合是綜合性實驗重能力培養(yǎng)的建設(shè)方向。

（二）綜合應(yīng)用多種實驗手段

綜合應(yīng)用兩種或兩種以上的實驗手段完成同一個實驗，即通過不同的手段分析、解決同一問題。例如，在材料力學(xué)實驗中測量材料彈性模量E，測量標(biāo)距內(nèi)微小變形的方法較多，既可以用拉伸試驗機(jī)測量，也可以采用電測的手段測量，還可以用應(yīng)力波傳播測量，其綜合了機(jī)械、電學(xué)或聲學(xué)的測量手段。綜合應(yīng)用多種實驗手段有利于培養(yǎng)學(xué)生多角度、多形式的思維方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的精神。

（三）實驗內(nèi)容注重工程性

綜合性實驗內(nèi)容要改變過去側(cè)重于加深和提高學(xué)生對基本理論知識的理解，注重工程性，這有利于提高學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。

如在流體力學(xué)管流綜合實驗中，可以將實驗裝置工程化，使學(xué)生能在實驗課堂上觀察、體驗實際工程管路流動的現(xiàn)象，同時進(jìn)行管路測試。實驗內(nèi)容的工程背景可以使學(xué)生體驗到知識的應(yīng)用，這在培養(yǎng)學(xué)生工程概念和工程意識的同時，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們勤于思考、勇于動手解決實際工程問題的能力。

（四）實驗講義注重時效性

專業(yè)實驗的實驗指導(dǎo)書大部分都是采用自編講義。為此， 自編講義在編制時需要注重時效性。例如，近年來發(fā)展較快的超高壓設(shè)備、無損檢測裝置、物理化學(xué)氣相沉積設(shè)備、三維掃描儀、激光快速成型設(shè)備3D打印機(jī)等在新版教材中都有涉及，但相關(guān)介紹比較簡單。這就需要對其結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述，同時注意補(bǔ)充最新的理論論證，從而有意識地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

我校每年課程建設(shè)、實驗室建設(shè)以及重大項目采入的新進(jìn)設(shè)備，都會有相應(yīng)的新實驗或新內(nèi)容開發(fā)，這就要求對應(yīng)的實驗講義內(nèi)容要及時改編，反映新技術(shù)的發(fā)展要求，以適于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力和工程能力等。

三、專業(yè)實驗課程重能力培養(yǎng)教學(xué)方法探索

實踐課是學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，如何提高學(xué)生的主動性、參與性、增加實驗的有效性很重要。

（一）設(shè)立獨立的實驗考核

實驗課程設(shè)立獨立的考核，督促學(xué)生加強(qiáng)對實驗課程的重視度。要建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灴己梭w系，除實驗報告成績外，還要對課前預(yù)習(xí)、實驗方案、實驗操作、實驗結(jié)果成效等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全面考評。通過對預(yù)習(xí)報告的質(zhì)量、實驗方案設(shè)計的多樣性、理論依據(jù)合理性、操作的規(guī)范性、實驗報告中原始數(shù)據(jù)記錄的規(guī)范性、實驗結(jié)果的分析深入性、邏輯性等進(jìn)行全方位考核。對于低年級的學(xué)生來說，應(yīng)注重對其理論內(nèi)容的理解與應(yīng)用能力、儀器設(shè)備的熟練使用能力、實驗操作的動手能力的培養(yǎng)考核;對于高年級的學(xué)生來說，應(yīng)注重對其綜合設(shè)計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和考核。考核成績不僅能有效反映學(xué)生對實驗的掌握程度，還是激勵學(xué)生積極認(rèn)真進(jìn)行有效實驗的措施。

（二）學(xué)生做實驗自主操作

“大學(xué)課堂教學(xué)應(yīng)該是學(xué)生學(xué)習(xí)的過程?！盵2]實驗過程強(qiáng)調(diào)學(xué)生獨立操作，一定要動手，這樣才能培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、大膽探索的能力。實驗中讓學(xué)生做主角，教師同時積極引導(dǎo)，讓學(xué)生自己搭建實驗裝置、獨立操作實驗設(shè)備。如在“曲柄壓力機(jī)設(shè)備”實驗中， 讓學(xué)生逐步查找設(shè)備的曲柄連桿工作機(jī)構(gòu)、電機(jī)到離合器等傳動系統(tǒng)、離合制動操作系統(tǒng)、液壓過載保護(hù)系統(tǒng)、氣壓平衡系統(tǒng)等布局，教師在一旁引導(dǎo)，引入理論和相關(guān)知識。學(xué)生在動手操作、觀察實物的同時能學(xué)習(xí)到相關(guān)的氣液、機(jī)械傳動、材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)等知識，對學(xué)生來說這相當(dāng)于完成一次深入的綜合性實訓(xùn)。課后學(xué)生在觀察記錄的基礎(chǔ)上繪出操作系統(tǒng)、離合制動器的工作原理圖，這是理論與實踐的升華。在實驗操作或觀測過程中學(xué)生會提出自己的問題，教師對學(xué)生提出的問題進(jìn)行解答，并引導(dǎo)學(xué)生深入思考相關(guān)理論知識，鼓勵學(xué)生利用已學(xué)過的基礎(chǔ)知識分析問題出現(xiàn)的原因并獨立思考解決問題的方法。學(xué)生自主操作實驗，這能發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性，有助于提高學(xué)生的獨立操作能力和解決實際問題的能力。

（三）采取探究式實驗教學(xué)

鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生通過探究的方式進(jìn)行實驗。實驗?zāi)繕?biāo)以問題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生是通過解決問題的方式進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)，通過解決問題，即探究性實驗過程中對學(xué)科知識的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造、重組和批判等而獲得新知，這能培養(yǎng)學(xué)生的研究技能和學(xué)術(shù)素質(zhì)。

探究式實驗要求教師結(jié)合自己所教課程的內(nèi)容、自己的學(xué)術(shù)研究以及現(xiàn)實實踐問題開展課題研究，通過研究，找出實驗內(nèi)容和現(xiàn)實問題的最佳結(jié)合點，用實驗問題去激活教材、激活教學(xué)。如機(jī)械基礎(chǔ)實驗機(jī)構(gòu)運動方案設(shè)計實驗，可以用“牛頭刨床運動機(jī)構(gòu)設(shè)計”“發(fā)動機(jī)曲柄連桿運動設(shè)計”的實際問題引入。在探究式實驗教學(xué)過程中，教師要善于創(chuàng)造條件和問題，把握方向，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，了解他們解決問題的思維習(xí)慣，充分和學(xué)生交流，引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)計，大膽實驗。這個過程會讓學(xué)生感覺問題不難也不易， 通過自己的學(xué)習(xí)及查閱相關(guān)資料，自主探究，通過交流與合作，能夠完成實驗項目內(nèi)容。

四、專業(yè)實驗重能力培養(yǎng)開放平臺構(gòu)建

構(gòu)建專業(yè)實驗開放平臺，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的工程實踐能力。

（一）構(gòu)建全開放實驗教學(xué)平臺

開放實驗時間、開放實驗器材、開放實驗內(nèi)容、開放實驗過程，這是面向師生的全面開放。全開放實驗教學(xué)體系給學(xué)生提供了自主發(fā)展和實踐鍛煉的空間，最大限度地發(fā)揮了實驗室的資源效益，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新能力。

從機(jī)械工程專業(yè)基礎(chǔ)實驗做起，如機(jī)械認(rèn)知實驗平臺通常承擔(dān)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)等課程的認(rèn)知實驗教學(xué)任務(wù)，除完成正常的教學(xué)任務(wù)之外，認(rèn)知實驗室實現(xiàn)面向師生的全面開放。機(jī)械原理實驗的主要儀器和設(shè)備有平面機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、輪系、間歇機(jī)構(gòu)等常見機(jī)構(gòu);機(jī)械設(shè)計的主要儀器和設(shè)備有聯(lián)接、傳動、軸系及其他通用零部件模型及實物、各種機(jī)構(gòu)模型等。實驗室全面開放，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、認(rèn)知、自主操作和設(shè)計實驗，這能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，提高學(xué)生對理論課程的學(xué)習(xí)興趣及積極性，幫助學(xué)生提高設(shè)計能力。另外，通過專業(yè)基礎(chǔ)實驗自主操作和自主設(shè)計型實驗，學(xué)生能提高自主學(xué)習(xí)的能力，為研究性、探究性實驗學(xué)習(xí)模式打下良好基礎(chǔ)。

（二）構(gòu)建全開放的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺

全開放實驗教學(xué)新模式可以充分采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)媒體，建立全開放的實驗教學(xué)平臺，將實驗預(yù)習(xí)內(nèi)容、設(shè)備、儀器操作方法及相關(guān)的技術(shù)、理論知識等以“微型視頻課堂”的形式呈現(xiàn)給學(xué)生， 讓學(xué)生進(jìn)行自主預(yù)習(xí)與形象感知。學(xué)生可以按照課時在網(wǎng)上預(yù)約實驗時間，也可以選擇實驗內(nèi)容層次，即基本實驗項目、自主設(shè)計型實驗、基于項目的研究型實驗等。實驗教學(xué)內(nèi)容可以采用“微課”形式在平臺公布，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，這能實現(xiàn)實驗教學(xué)的網(wǎng)上輔導(dǎo)與實驗室教學(xué)指導(dǎo)的課內(nèi)外統(tǒng)一。在網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺上，學(xué)生可以提交實驗結(jié)果，教師可以進(jìn)行最終實驗數(shù)據(jù)評判、成績評定等，也可以通過網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)層次多向性的教學(xué)互動。教師還可以在系統(tǒng)上發(fā)布實驗題目，與學(xué)生進(jìn)行在線討論、交流、留言、網(wǎng)上答疑等;也可以通過網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺增加互動深度，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、學(xué)術(shù)質(zhì)疑、知識辯論等。

（三）構(gòu)建學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐平臺

學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐平臺為大學(xué)生課外參加各類競賽活動、自主科技創(chuàng)新或自主研學(xué)提供場所和活動平臺。如機(jī)械創(chuàng)新實驗平臺，配置工業(yè)機(jī)器人、移動機(jī)器人、仿生及其人模型、機(jī)械創(chuàng)意設(shè)計模擬儀、機(jī)械傳動性能綜合試驗臺、各類組合模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗箱等。低年級學(xué)生可以通過平臺自行組隊選題，開展各類科技創(chuàng)新活動、開展競賽項目訓(xùn)練;高年級學(xué)生可以利用平臺進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計，完成創(chuàng)新訓(xùn)練實踐項目，也可以結(jié)合所學(xué)專業(yè)，或突破學(xué)科壁壘與其他學(xué)科交叉，設(shè)計完成各類自選研究課題等。教師對學(xué)生在創(chuàng)新實踐平臺上取得的成績應(yīng)給以鼓勵，如實施承認(rèn)相應(yīng)學(xué)分、免試研究生優(yōu)先權(quán)等多項政策，以吸引了更多的學(xué)生自愿、主動參加到創(chuàng)新實踐平臺活動中來。

學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐平臺可以對接學(xué)校協(xié)同創(chuàng)新平臺、重點實驗室、工程中心、校企合作實驗室等，這拓展了實驗教學(xué)體系，充分開放大學(xué)各類實驗設(shè)備，讓更多教師發(fā)揮研究特長，以此來影響和培養(yǎng)學(xué)生，通過平臺培養(yǎng)出機(jī)械工程專業(yè)的高端人才、領(lǐng)軍人才和應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

五、結(jié)語

重能力培養(yǎng)是課程教學(xué)改革的重點，專業(yè)實驗教學(xué)改革是學(xué)生工程能力培養(yǎng)的重要抓手和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在綜合性實驗課程教學(xué)內(nèi)容改革方面，我們采取了綜合應(yīng)用多種實驗方法和手段、實驗內(nèi)容注重工程性、實驗講義注重時效性等措施，這對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)有較好效果。同時我們對實驗教學(xué)方法進(jìn)行了有效探索，進(jìn)一步探索了學(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的方法途徑，包括構(gòu)建全開放實驗教學(xué)平臺、網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)平臺、學(xué)生自主研學(xué)創(chuàng)新實踐平臺等，助力提高學(xué)生的自主創(chuàng)新工程實踐能力。當(dāng)前，各高校都在積極申請專業(yè)工程認(rèn)證或?qū)I(yè)評估，推動新工科建設(shè)，強(qiáng)化培養(yǎng)過程的理念，規(guī)范培養(yǎng)過程，這也是實驗課程重能力培養(yǎng)教學(xué)改革的契機(jī)。

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[責(zé)任編輯：陳 明]