加州大学洛杉矶分校顶点课程的机械工程实验教学浅析

范志坚， 李 伟

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引 言

在工程类专业课程的教学过程中，实验教学是整个教学体系中的重要组成部分。随着高校实验教学环境的改善及教学水平的提高，为满足对学生综合素质培养的需求，减少演示性、验证性实验项目，逐渐增加设计性、创新性及综合性的实验内容已成为目前实验教学的发展趋势[1-4]。与此同时，开放性实验室建设以及教学与科研结合的实验内容开发也成为目前整个实验教学改革中的热点讨论问题[5-8]。针对以上现代实验课程教学中的需求特点，本文在上海高校实验技术队伍建设计划的支持下，对美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)机械与航空航天工程系的本科实验教学方法及实验室建设进行了调研，在充分参与机械工程专业的顶点课程(Capstone Course)过程中，通过分析及总结其实验课程的教学内容及组织方式，从学生综合能力的培养、开放性实验室建设、实验教学资源的整合等三个方面，对机械工程学科本科实验课程教学的建设进行讨论。

1 UCLA机械工程专业顶点课程介绍

顶点课程是美国高校工程类专业面向大学四年级开设的实践课程[9-10]。机械产品设计(Mechanical Product Design)是UCLA机械工程专业的顶点课程，它要求学生利用整个本科教育阶段所学的知识，在特定的设计题目、设计要求以及项目预算下，以团队为单位，发挥专业能力、协作能力及创新精神，完成产品的设计、制造及自动化控制等任务。该课程面向机械工程专业的所有学生，跨时两个学期，是一门集合了机械产品的设计、分析、制造、自动化等多个环节的大型综合性创新实验课程。

2016年度课程的设计要求为：以4或5人小组为单位，在课程提供的375美金项目预算下，设计一种可以自动导航的机器人小车，能够在图1所示的具有坡度及弯道的特定轨道上进行自动往复行驶。此外，小车需具有高尔夫球发射机构，能够在轨道顶点处的边缘停下后，将高尔夫球发射至尽量远处。在2016年度的课程中，共有112名学生参与课程，并由3位教授、4位在读硕、博士助教、2位工程辅助人员为学生授课及提供实验技术支持。

图1 小车运行轨道模型

在实施过程上，整个课程按学期分为2个阶段：第一学期为技能训练阶段，通过课程设置的多节课堂及实验内容，使学生在根据产品需求提出概念设计的基础上，完成Solidworks平台的上设计、分析、验证及LabVIEW平台上数据采集、系统控制等多个实验点，从而对整个项目中需要用到的技能进行训练及强化；第二学期为项目实践阶段，学生需要根据概念阶段提出的设计方案，完成产品机械部分的零部件及整体装配模型，并在此基础上对设计方案中的产品重量、运动速度、摩擦力、牵引力等一些关键参数进行计算，完成动力元件的选型；设计工作完成后，学生需要利用校内实验室提供的多种机床、加工中心、3D打印机等设备对大部分结构性零件进行加工制造，再配合购买获得的一些小型零件及标准件，完成小车成品的组装(见图2)；最后，配合实验室提供的中心控制模块及多种传感器件，实现整个小车的控制系统功能。在课程的最后环节，所有小组的作品将通过实际场地进行竞赛(见图3)，并选出前三名进行课程加分奖励及授予所有任课教授联名的荣誉证书。

图2 学生在开放实验室中进行产品组装

图3 小组间的设计产品竞赛

2 对机械工程实验教学的启示

2.1 具有普遍性的学生综合能力培养

实验教学是创新人才培养过程不可缺少的重要组成部分, 是培养学生理论联系实际、提高创新精神和实践能力的重要环节[11-13]。在学生专业素质的培养上，与国内传统的机械工程专业实验课程相比，UCLA顶点课程的特点体现在两个方面：

(1) 通过实验课程全面培养学生的综合素质及创新能力。在工程学科的传统实验教学中，受实验条件及理论课程的内容所限，实验课程部分大多为演示性、验证性实验项目，学生在根据实验指导书进行实验的过程比较被动，除了获得了专业认知或基本的技能训练外，难以进一步发挥主观能动性进行创新及技能的综合应用。而在UCLA机械工程专业的顶点课程的实施过程中，不仅通过前期实验阶段锻炼了学生的学科专业能力，而且在以小组为单位的项目实施过程中锻炼了学生的设计创新能力、动手实践能力、项目管理能力及团队协作能力；此外，通过共同完成设计报告，还锻炼了学生的文献检索能力及专业写作能力。

(2) 体现在综合能力培养的普遍性。机械工程是高校的传统学科，学生数量往往比较多，然而实验室的物力人力资源有限，在这种情况下，实验课程一般难以顾及每一个学生的兴趣及特长，而且通过设置大量实验项目供学生选择的做法在实施上也非常困难。部分有意于提高自身能力的学生可能会通过参加大学生创新项目、科技竞赛项目或加入科研项目组等途径来实现目的，但这些途径依然归属于“精英”式培养模式，只能面向少部分学生，对大多数学生的综合能力培养产生了欠缺[2]。与此相比，UCLA顶点课程通过一个具有一定设计开放性的题目将所有学生容纳进来，为了尽量发挥每一位学生的能力特长和主观能动性，在最初的分组阶段采用了问卷调查及简单的专业知识测试对所有学生的能力偏向进行分类，并根据机械设计、电子电路及程序编写三个方面，有目的的让学生以小组形式进行特长互补，使得绝大多数学生能够通过课程训练及相互讨论交流获得自身综合能力的提高。同时，以小组间的竞赛作为课程的一个环节，也显著提高了学生们的积极性。

目前高校实验教学改革的方向之一是建立以学科基础实验、综合提高实验、研究创新实验构成的分层次实验教学体系[14]。通过借鉴UCLA顶点课程的教学模式及组织方法，开设类似的以开放性设计为导向的综合性实验课程，可以将以上3个层次贯穿结合，从而更加有利于系统地、完整地对学生综合能力进行培养。

2.2 合理的开放性实验室建设

开放性实验室建设是目前实验教学的一个重点改革方向，国内各大高校在开放实验室方面进行了大量研究及工作，并积极推进了设备共享平台的建设[15]。但是，大多数高校中的实验设备存在功能重复及管理分散的问题[7]，导致设备使用率不高，因此从实际应用效果看，单纯的开放实验设备的使用共享，在本科教学及促进学生创新层面所产生的效果并不够理想，建设合理、高效的开放实验室，还需要系统地对实验室功能进行规划。

UCLA机械及航空航天工程系具有8个本科教学实验室，在顶点课程中，其中3个与课程相关的实验室向学生实行全时开放，学生可以根据实验室的占用状态及自身时间安排，充分利用实验室资源进行项目设计、制造及系统调试任务。同时，为了满足复杂性较高的加工需求，系里的一些大型设备，如数控加工中心，水刀切割机等，也采用了预约及付费使用的方式向学生开放。实际上，除了顶点课程之外，UCLA其他专业课程(如‘Introduction to Manufacturing Process’)的实验部分也会根据实验需求供学生自由地使用教学实验室。

设计、制造及自动化是机械工程学科的基础教学内容，将其结合UCLA顶点课程的实施过程来看，实验室的开放可以分为两个部分：

(1) 通用型设备开放实验室。通用型开放实验室是能够为所有学生提供实验技能训练及创新活动的常规性实验室，此类实验室能够为设计性、综合性实验课程提供基础条件，并能够在正常教学时段之外向所有经过操作及安全管理培训的专业学生开放。其功能性应至少包含三部分：CAD/CAM实验室，基础制造实验室及机电系统设计实验室。CAD/CAM实验室以计算机及应用软件平台为主，向学生提供设计、分析、模拟等机械工程类专业软件，同时也能够提供科学计算、统计类软件以及多种语言编程平台。基础制造实验室可以提供车床、铣床、钻床等机械加工设备，为学生提供基础的制造工具，其功能性与机械工程院系中的金工实习中心类似，因此也可选择将金工实习车间内的一些设备进行开放式管理。机电系统设计实验室应能够向学生提供机电控制系统开发中常用的软硬件平台，如PLC、单片机或UCLA课程中使用的NI公司MyRio平台等。

(2)专用型设备开放实验平台。专用型设备主要是用于教学及科研的大型或精密型设备，是对通用型设备的补充。此类设备一般体积较大或操作复杂，如大型数控加工中心、高精度3D打印机等，不仅难以安置在统一场地，而且需要专人进行操作。此外，由于设备价格昂贵，其在管理权限上常常属于某一实验室或课题组。因此，这类设备难以向大量学生推广使用，一般采用共享平台的方式，面向实验课程或创新项目需求，进行开放使用。

实验环境及设备的开放共享是开放性实验室建设主要内容，但其并不是实验室开放的目的。开放实验室的主要目的应该是在学生产生一些创新性想法时，向其提供实现想法的工具或平台，因此在面向实验教学的实验室建设中，有针对性地进行功能规划，将通用的工具型的实验室资源向学生充分开放，辅助以专用设备的共享，不仅可以提高实验设备的利用率，而且为学生提高实践能力及创新精神提供了有利条件。

2.3 实验教学资源整合

开放性实验室建设能够为实验教学改革提供硬件基础，而实验课程内容的改革是提升实验教学水平的驱动力。在目前国内高校的工程类实验教学中，演示性、验证性实验项目占有较大比重[6-7]，此类实验是学生训练基本专业技能的必要环节，但其在内容组织上往往是离散性的，即使在同一门专业课程中，多个实验点之间由于使用的仪器设备或实验教师的不同，也经常相互独立。从UCLA顶点课程可以看出，与传统实验之相比，设计性、综合性实验课程由于具备更强的工程特性，实验内容的设置上需要在不同的知识点之间建立较强的关联性，甚至将交叉学科领域的知识点也融入进来，在此基础上配合实验室所提供的多种实验平台及工具，能更有利于系统化地培养学生的综合能力，并使其发挥于实践及创新过程。正因为如此，要开设一门类似的大型综合性实验课程，尤其是在机械工程专业学生数量较多的情况下，需要对包括人力物力在内的实验教学资源进行整合。

(1)多课程内容整合。设计、综合类实验课程往往需要将多门专业课程的内容进行整合，机械工程学科的本科教育一般包括机械、材料、电子、电气等专业领域的多门课程，在实验教学中将这些课程中的知识点串联起来，利用相互之间的关联性形成一个整体，有利于学生将大学期间所学内容融会贯通，建立系统化的工程思维。如UCLA顶点课程中，实验训练及项目实践阶段的需求整合了Mechanics、Material Science、Electrical Engineering、Feedback Control等多门课程中的知识内容。

(2)多类型实验室整合。本科教学实验室在规划中一般具有特定的功能，对应于实验内容的多样性，综合性实验课程的实施过程同样需要多个类型实验室的配合。如前文所述，UCLA顶点课程中有3个涉及设计、制造、控制的教学型实验室向学生开放使用，且有研究型实验室提供大型设备支持。通过综合性实验将多个实验室资源统一利用起来，能够在实验室开放的基础上，进一步提高实验室的整体利用率。

(3) 科研与教学资源整合。科研与教学相结合是目前实验教学建设中的热点讨论问题，将课题研究中的一些方法、技术、设备等进行提炼，使其适用于实验课程的教学，不仅能够使实验内容紧跟学科研究前沿，激发学生的创新意识和热情，而且能够有效地丰富实验教学方法及实验平台，提高实验课程的水平和质量。继续以UCLA顶点课程为例，学生在课程第一阶段的技能训练实验中所用到的机器人模型、用于控制系统开发的电路板以及程序框架，都是经由任课教师的科研课题组进行筛选及修整后供学生使用。

(4)实验教学队伍整合。美国高校的实验课主要由助教承担，而助教则来自于任课教授所培养的硕、博士研究生，在UCLA课程中，不同研究方向的教授及助教组成了团队为学生们提供全面的知识及技术支持。国内高校的实验课程一般由专职实验教师任教，通常每一位实验教师负责固定几门课程配套的实验部分，在综合性实验课程所涉及的实验内容及实验人数较多、知识涉及的范围较为广泛时，只靠专职实验教师的力量将难以满足课程需求。因此，应当鼓励教授、博士等更高学术层次的人员共同参与实验教学，在提高实验教学整体质量的同时，还能够提高专职实验教师的教学水平及新实验开发能力，从而在增强实验教学队伍的实力方面形成良性循环。

3 结 语

培养学生的综合专业素质及创新能力是目前高校工程类实验课程的改革方向及目标，而设计性、综合性的实验课程设置是实现目标的重要途径。借鉴UCLA顶点课程的教学方法和经验，打破单调的传统实验教学模式，不仅可以调动所有学生的创新意识和团队合作精神，提高分析问题、解决问题的工程实践能力，同时也可以促进实验室资源的综合利用。通常，美国高校的顶点课程会作为本科阶段的毕业设计内容，国内高校本科毕业的机制与要求与美国高校不同，但可以考虑在本科三年级下半学期或四年级上半学期开设类似的大型综合实验课程，为普遍提高机械工程专业学生综合素质进行有益的尝试。

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