王曉佳 張翠平

摘 要：為了適應(yīng)機械工程技術(shù)日新月異的快速發(fā)展，提升機械類本科實驗教學(xué)的創(chuàng)新性和實踐性，將科研團隊的研究平臺浸入本科實驗教學(xué)是目前大學(xué)進行教學(xué)改革的重要思路之一。文章以將車輛工程專業(yè)的科研平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)中為例，對這個改革思路進行了設(shè)計、實踐和初步理論探索。結(jié)果顯示，讓本科生基于本科實驗教學(xué)參與科研平臺實驗，提高了本科生對理論知識的理解水平，增強了本科生對科研的興趣，最終體現(xiàn)在本科生畢業(yè)時綜合素質(zhì)能力的提升。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)改革；實驗教學(xué)；科研平臺

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0138-04

Abstract： In order to adapt to the rapid development of mechanical engineering technology and improve the innovation and practicality of mechanical undergraduate experimental teaching， it is an important measure to immerse the research team's research platform into undergraduate experimental teaching to carry out teaching reform. In this paper， the design， practice and preliminary theoretical exploration of this reform idea have been carried out by leveraging the scientific research platform. The results show that participating in scientific research platform experiments based on undergraduate experimental teaching improves the undergraduates' understanding of undergraduates' theoretical knowledge， enhance the interest of undergraduates in scientific research， and ultimately improve the well-rounded quality of undergraduates.

Keywords： undergraduate teaching reform； experimental teaching； scientific research platform

引言

在本科高等院校中，機械類專業(yè)課程是以相關(guān)理論課程為基礎(chǔ)、高度實踐化且隨著科技進步而日新月異的學(xué)科類?；谶@樣的特點，對于機械專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識的過程中，學(xué)校必須進行大量的實驗教學(xué)才能使學(xué)生真正掌握學(xué)科的科學(xué)規(guī)律。因此本科教學(xué)系統(tǒng)中機械類的專業(yè)課程基本都有實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，這些實驗教學(xué)與理論性較強的基礎(chǔ)課的實驗教學(xué)有所不同，不但需要扎實的理論基礎(chǔ)，還需要與時俱進的科研素養(yǎng)。這對相關(guān)的專業(yè)課教師和實驗教師提出了很高的要求，其肩負著承前（理論基礎(chǔ)）與啟后（科學(xué)與工程實踐）的重要使命，要在教學(xué)中兼顧理論性與實踐性，以培養(yǎng)實用型和創(chuàng)新型人才，從而適應(yīng)現(xiàn)代科技領(lǐng)域快速的變化與發(fā)展[1-3]。

為滿足這些要求，許多高校在教學(xué)活動中對實驗教學(xué)的模式和方法進行了不斷的調(diào)整和探索[4-8]。在這些改革探索中，將科研與本科實驗教學(xué)相結(jié)合是改革的重要方式之一，其中有一些改革方式，只能使一部分本科生利用到實驗室平臺，參與到研究工作和學(xué)習(xí)過程中，有一定的局限性[9-13]。

本文提出了實驗室平臺與專業(yè)課程相結(jié)合的本科機械類實驗教學(xué)改革思路，旨在充分利用專業(yè)課教師的科研平臺，基于實驗室的科研項目，借助實驗室儀器設(shè)備資源，培養(yǎng)具備踏實理論基礎(chǔ)且具有創(chuàng)新精神的本科生。

一、機械專業(yè)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題

目前，在我國高等院校的課程教學(xué)體系中，大部分實驗教學(xué)是為對應(yīng)的課堂理論教學(xué)服務(wù)的，通過學(xué)生親自動手完成實驗或直觀地觀察演示實驗，加深對相關(guān)理論知識的理解。

在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，需要解決的矛盾有很多，其中最主要的是理論基礎(chǔ)、專業(yè)知識和工程實踐三個方面之間的矛盾。在解決這些矛盾過程中，實驗教學(xué)是功課教學(xué)體系中的重要一環(huán)，對應(yīng)用型機械專業(yè)人才的培養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用。然而，根據(jù)之前的教學(xué)經(jīng)驗，在機械類專業(yè)實驗教學(xué)的實施過程中，仍然存在不少問題[14，15]。

（一）實驗教學(xué)與課堂理論基礎(chǔ)知識教學(xué)不能很好地結(jié)合

專業(yè)課課堂理論講授的教師和負責(zé)實驗教學(xué)的實驗員可能并不是同一位老師，造成了兩者的分離。就算是同一位老師，也容易出現(xiàn)課題教學(xué)與實驗教學(xué)相分離的結(jié)果，同時，期末考試內(nèi)容偏理論，很多實驗教學(xué)內(nèi)容并不納入期末考試范圍中，只是算作平時成績的一部分，這造成了學(xué)生對實驗教學(xué)不重視的結(jié)果。

（二）實驗教學(xué)不能將本科專業(yè)教學(xué)課程之間融合起來

機械類專業(yè)有高度的實踐性，培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)該具備解決具體的科研或者工程實踐問題的能力，這種能力建立在較強的綜合素質(zhì)能力之上。而目前高校中，大部分本科學(xué)生對不同專業(yè)課程之間的聯(lián)系建立得不密切，這造成了專業(yè)課基礎(chǔ)可能不能為大四的本科畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后的科研和實踐做好充分的準備。

（三）實驗教學(xué)不能調(diào)動學(xué)生的主動學(xué)習(xí)與探索的積極性

目前的實驗教學(xué)在具體的操作過程中，還是以傳統(tǒng)實驗方法為主。傳統(tǒng)實驗方法通常安排好一切，讓學(xué)生機械完成實驗，不利于學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，不能讓學(xué)生成為實驗的主體。同時機械專業(yè)實驗設(shè)備和儀器的制作不像物理、化學(xué)等基礎(chǔ)實驗課程普及，不能很好地支持機械專業(yè)的實驗教學(xué)。這造成了學(xué)生對專業(yè)課的實驗教學(xué)不感興趣。

（四）實驗教學(xué)不能與工程實踐及科技前沿相結(jié)合

教學(xué)體系與工程實踐結(jié)合不夠，教學(xué)內(nèi)容滯后于行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生知識面狹窄，工程能力差，難以適應(yīng)當今社會的發(fā)展。

將專業(yè)的科研平臺利用到本科實驗教學(xué)中可很好地解決上述問題。

二、本科實驗教學(xué)與實驗室科研平臺結(jié)合的教學(xué)方法改革與探索

（一）與實驗室科研工作結(jié)合的必要性和優(yōu)勢

1. 培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的能力

實驗室的科研平臺都是綜合性平臺，如一個發(fā)動機臺架，包含了發(fā)動機設(shè)計、理論、測試學(xué)、控制學(xué)和儀器學(xué)等多種學(xué)科的融合應(yīng)用，在利用這個平臺做完實驗后，再結(jié)合大學(xué)物理的知識對實驗結(jié)果進行誤差分析，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科之間的綜合應(yīng)用能力。

2. 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和接受新知識的能力

現(xiàn)代大學(xué)對專業(yè)教師的要求越來越嚴格，不但要求完成教學(xué)任務(wù)，還有相當高的科研要求，這就使得大部分專業(yè)課老師都有自己較為穩(wěn)定的科研方向，要求每年必須發(fā)表文章和成果，基于這樣的科研平臺做實驗，可以讓學(xué)生接觸到本學(xué)科中較為前沿的科技知識。解決了傳統(tǒng)實驗以演示性、驗證性為主，前沿科學(xué)實驗較少的問題。專業(yè)課教師將最新的科研成果引入實驗項目中，可以使學(xué)生了解專業(yè)的前沿科技，訓(xùn)練學(xué)生科研的能力。

3. 培養(yǎng)學(xué)生的科研能力及素質(zhì)

在實驗中可培養(yǎng)學(xué)生注重實驗細節(jié)，科學(xué)記錄實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的良好科學(xué)實驗習(xí)慣。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗，學(xué)生在做實驗時只在乎實驗是否參加，認為得到了數(shù)據(jù)就完成了實驗。實際科研和生產(chǎn)實踐并不是這樣，對數(shù)據(jù)的分析與處理實際上比實驗過程更為重要。

4. 培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神

團隊合作能力在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中非常重要。在大學(xué)本科的學(xué)習(xí)過程中，一個學(xué)生可能可以獨立完成上課、上自習(xí)、考試等任務(wù)，但是在實驗室中，對團隊合作提出了更高的要求。通過在實驗平臺上完成實驗，加強了學(xué)生與人溝通的能力與效率，學(xué)會如何在團隊中做好自己的工作。

5. 培養(yǎng)學(xué)生的科研思維方式

筆者認為專業(yè)教育的最終目標是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，通過在校教育，使得學(xué)生畢業(yè)之后可以在科研或者工作過程中能夠解決遇到的工程問題。因此可以要求以科研論文的格式完成報告，通過這些訓(xùn)練，學(xué)生不僅可以學(xué)會科學(xué)文獻檢索方法，還可以加深對實驗方法和原理的理解，視野更加開闊，而不是照搬實驗指導(dǎo)書。

（二）實驗教學(xué)方法的改革與探索實例與成效

本文基于太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院車輛工程專業(yè)的實驗教學(xué)改革，本專業(yè)的培養(yǎng)目標是以汽車產(chǎn)業(yè)的人才需求為導(dǎo)向，緊密跟蹤汽車技術(shù)的新進展和行業(yè)需求，培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展的、具有社會責(zé)任感的，具有創(chuàng)新精神的，能夠在汽車設(shè)計、分析、制造及試驗領(lǐng)域具有工程實踐動手能力的車輛工程人才。學(xué)生畢業(yè)后能在科研院所、企業(yè)、高新技術(shù)公司和技術(shù)院校從事與車輛工程及新能源汽車有關(guān)的設(shè)計、制造、檢測、管理、科研和教學(xué)等工作。

隨著近年來太原理工大學(xué)人才引進力度的加大，車輛工程系引入了許多年輕的博士，他們的加入為實驗室團隊注入了新的活力，增加了新的研究方向，2017年團隊成果申請國家項目1項，省級項目6項，充實了實驗平臺，為本科生實驗教學(xué)改革創(chuàng)造了可能性和良好的條件。

本專業(yè)的實驗教學(xué)改革緊密圍繞培養(yǎng)目標展開，本文進行了積極的創(chuàng)新型改革探索，主要在普通傳統(tǒng)實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，以科研項目為基礎(chǔ)，探索實施以實驗室平臺及項目研究為基礎(chǔ)的實驗教學(xué)，改革與探索主要包括以下內(nèi)容：

1. 前期準備

專業(yè)課教師應(yīng)當在課堂上結(jié)合所教授的理論知識，適當介紹實驗室基本情況，實驗室的基本構(gòu)成，基本實驗設(shè)備，主要科研儀器，教師的科研團隊，團隊的主要科研項目。通過對試驗平臺的了解，學(xué)生可以掌握本專業(yè)最新科技，激發(fā)對科學(xué)的熱愛，渴望技術(shù)，追求創(chuàng)新的思想。這是將實驗室平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)的基礎(chǔ)和前提。

2. 設(shè)計與實施

實驗的設(shè)計應(yīng)注意與課堂上的理論融合起來，做到難易適中，在實施過程中，應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用和教師的引導(dǎo)作用[16，17]。

以太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院新能源汽車實驗室為例，結(jié)合團隊的教學(xué)經(jīng)驗，設(shè)計了一套以實驗室設(shè)備為基礎(chǔ)的實驗教學(xué)平臺，例如圖1所示。這個平臺以車輛專業(yè)的培養(yǎng)目標為導(dǎo)向，課堂理論為基礎(chǔ)，利用實驗室的實驗平臺對專業(yè)課的實驗教學(xué)進行改革探索。實驗平臺主要包括測控平臺和電池組，通過對電動汽車動力電池進行充放電控制實驗，使得學(xué)生了解電動汽車的相關(guān)知識，通過建立動力電池的溫度場模型并對模型進行簡單實驗驗證，可以將熱工基礎(chǔ)、汽車測試與試驗技術(shù)及汽車有限元技術(shù)等課程融合在一起，這個實驗可以安排在車輛專業(yè)學(xué)生大四上半學(xué)期的汽車測試與試驗技術(shù)課程的實驗教學(xué)中。

圖2 為新能源汽車測控實驗室的電池BMS平臺，可以完成對電池的四通道充放電等基本實驗。圖3為本科生結(jié)合熱工基礎(chǔ)、傳熱學(xué)相關(guān)知識，利用有限元技術(shù)建立的電動車動力電池的溫度場模型，并利用傳感器等測試設(shè)備對建立的模型進行實驗驗證，在這個過程中，對應(yīng)圖1，可以鍛煉學(xué)生的實驗?zāi)芰头治瞿芰Α?/p>

3. 效果

經(jīng)過1-2年的教學(xué)實踐，教學(xué)改革的初步探索，結(jié)果顯示，讓本科生在專業(yè)課實驗課程學(xué)習(xí)階段進入科研平臺進行學(xué)習(xí)，可以激發(fā)學(xué)生對科研興趣，提高學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力。

本年度（車輛系2018屆）畢業(yè)生表示，通過本科課程的實驗教學(xué)，在本科階段對新能源汽車方向的簡單接觸有助于他們更好地與用人單位進行溝通，幫助他們更好地就業(yè)，另外一些考研的同學(xué)表示，盡早地接觸科研平臺，了解實驗室的工作，可以幫助他們有目標地選擇自己是否讀研和報考的學(xué)校及專業(yè)。如圖4a所示為，本屆畢業(yè)生1401班與1402班的畢業(yè)去向統(tǒng)計，結(jié)果顯示，兩個班有很高的讀研率和繼續(xù)讀研的意愿，同時1402班的實驗室工作參與率較高，這個班的讀研率更高，如圖4b所示。這只是初步探索的結(jié)果，是否有嚴格的因果關(guān)系還需要進一步研究。

（三）在具體執(zhí)行過程中可能遇到的問題

1. 這樣的教學(xué)改革增加了學(xué)生的實驗難度，需要有良好的理論課程和專業(yè)課程基礎(chǔ)；

2. 增加了教師的教學(xué)工作量，需要定期制作新的實驗指導(dǎo)書；

3. 需要實驗室研究生和工作人員的配合；

4. 本科生畢竟不是專業(yè)人員，可能會損壞儀器。

這需要整個專業(yè)團隊對本科實驗教學(xué)的支持和規(guī)范化管理，對教學(xué)人員和學(xué)生都嚴格要求。

三、結(jié)束語

由于機械類專業(yè)的高度實踐性和創(chuàng)新性，本科實驗教學(xué)改革非常重要和復(fù)雜，需要相關(guān)專業(yè)老師付出長期的努力和長遠的規(guī)劃?；趯嶒炇移脚_和科研項目的教學(xué)改革是其中的有效手段之一，也是學(xué)校提升本科生綜合素質(zhì)建設(shè)的重要手段。

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