基于科研平台的机械类本科实验教学改革与探索

王晓佳 张翠平

摘 要：为了适应机械工程技术日新月异的快速发展，提升机械类本科实验教学的创新性和实践性，将科研团队的研究平台浸入本科实验教学是目前大学进行教学改革的重要思路之一。文章以将车辆工程专业的科研平台应用于实验教学中为例，对这个改革思路进行了设计、实践和初步理论探索。结果显示，让本科生基于本科实验教学参与科研平台实验，提高了本科生对理论知识的理解水平，增强了本科生对科研的兴趣，最终体现在本科生毕业时综合素质能力的提升。

关键词：本科教学改革；实验教学；科研平台

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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，機械类专业课程是以相关理论课程为基础、高度实践化且随着科技进步而日新月异的学科类。基于这样的特点，对于机械专业的学生，在学习专业课程知识的过程中，学校必须进行大量的实验教学才能使学生真正掌握学科的科学规律。因此本科教学系统中机械类的专业课程基本都有实验教学环节，这些实验教学与理论性较强的基础课的实验教学有所不同，不但需要扎实的理论基础，还需要与时俱进的科研素养。这对相关的专业课教师和实验教师提出了很高的要求，其肩负着承前（理论基础）与启后（科学与工程实践）的重要使命，要在教学中兼顾理论性与实践性，以培养实用型和创新型人才，从而适应现代科技领域快速的变化与发展[1-3]。

为满足这些要求，许多高校在教学活动中对实验教学的模式和方法进行了不断的调整和探索[4-8]。在这些改革探索中，将科研与本科实验教学相结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实验室平台，参与到研究工作和学习过程中，有一定的局限性[9-13]。

本文提出了实验室平台与专业课程相结合的本科机械类实验教学改革思路，旨在充分利用专业课教师的科研平台，基于实验室的科研项目，借助实验室仪器设备资源，培养具备踏实理论基础且具有创新精神的本科生。

一、机械专业课程实验教学现状与存在的问题

目前，在我国高等院校的课程教学体系中，大部分实验教学是为对应的课堂理论教学服务的，通过学生亲自动手完成实验或直观地观察演示实验，加深对相关理论知识的理解。

在实验内容的设计上，需要解决的矛盾有很多，其中最主要的是理论基础、专业知识和工程实践三个方面之间的矛盾。在解决这些矛盾过程中，实验教学是功课教学体系中的重要一环，对应用型机械专业人才的培养有着至关重要的作用。然而，根据之前的教学经验，在机械类专业实验教学的实施过程中，仍然存在不少问题[14，15]。

（一）实验教学与课堂理论基础知识教学不能很好地结合

专业课课堂理论讲授的教师和负责实验教学的实验员可能并不是同一位老师，造成了两者的分离。就算是同一位老师，也容易出现课题教学与实验教学相分离的结果，同时，期末考试内容偏理论，很多实验教学内容并不纳入期末考试范围中，只是算作平时成绩的一部分，这造成了学生对实验教学不重视的结果。

（二）实验教学不能将本科专业教学课程之间融合起来

机械类专业有高度的实践性，培养的学生应该具备解决具体的科研或者工程实践问题的能力，这种能力建立在较强的综合素质能力之上。而目前高校中，大部分本科学生对不同专业课程之间的联系建立得不密切，这造成了专业课基础可能不能为大四的本科毕业设计和毕业后的科研和实践做好充分的准备。

（三）实验教学不能调动学生的主动学习与探索的积极性

目前的实验教学在具体的操作过程中，还是以传统实验方法为主。传统实验方法通常安排好一切，让学生机械完成实验，不利于学生的积极性和创新性，不能让学生成为实验的主体。同时机械专业实验设备和仪器的制作不像物理、化学等基础实验课程普及，不能很好地支持机械专业的实验教学。这造成了学生对专业课的实验教学不感兴趣。

（四）实验教学不能与工程实践及科技前沿相结合

教学体系与工程实践结合不够，教学内容滞后于行业的技术发展，导致学生知识面狭窄，工程能力差，难以适应当今社会的发展。

将专业的科研平台利用到本科实验教学中可很好地解决上述问题。

二、本科实验教学与实验室科研平台结合的教学方法改革与探索

（一）与实验室科研工作结合的必要性和优势

1. 培养学生综合应用基础知识和专业知识的能力

实验室的科研平台都是综合性平台，如一个发动机台架，包含了发动机设计、理论、测试学、控制学和仪器学等多种学科的融合应用，在利用这个平台做完实验后，再结合大学物理的知识对实验结果进行误差分析，可以培养学生学科之间的综合应用能力。

2. 培养学生学习和接受新知识的能力

现代大学对专业教师的要求越来越严格，不但要求完成教学任务，还有相当高的科研要求，这就使得大部分专业课老师都有自己较为稳定的科研方向，要求每年必须发表文章和成果，基于这样的科研平台做实验，可以让学生接触到本学科中较为前沿的科技知识。解决了传统实验以演示性、验证性为主，前沿科学实验较少的问题。专业课教师将最新的科研成果引入实验项目中，可以使学生了解专业的前沿科技，训练学生科研的能力。

3. 培养学生的科研能力及素质

在实验中可培养学生注重实验细节，科学记录实验结果和数据，分析数据的良好科学实验习惯。根据以往的教学经验，学生在做实验时只在乎实验是否参加，认为得到了数据就完成了实验。实际科研和生产实践并不是这样，对数据的分析与处理实际上比实验过程更为重要。

4. 培养学生的团队合作精神

团队合作能力在现代科学技术领域中非常重要。在大学本科的学习过程中，一个学生可能可以独立完成上课、上自习、考试等任务，但是在实验室中，对团队合作提出了更高的要求。通过在实验平台上完成实验，加强了学生与人沟通的能力与效率，学会如何在团队中做好自己的工作。

5. 培养学生的科研思维方式

笔者认为专业教育的最终目标是培养学生科学的思维方式，通过在校教育，使得学生毕业之后可以在科研或者工作过程中能够解决遇到的工程问题。因此可以要求以科研论文的格式完成报告，通过这些训练，学生不仅可以学会科学文献检索方法，还可以加深对实验方法和原理的理解，视野更加开阔，而不是照搬实验指导书。

（二）实验教学方法的改革与探索实例与成效

本文基于太原理工大学机械工程学院车辆工程专业的实验教学改革，本专业的培养目标是以汽车产业的人才需求为导向，紧密跟踪汽车技术的新进展和行业需求，培养德、智、体全面发展的、具有社会责任感的，具有创新精神的，能够在汽车设计、分析、制造及试验領域具有工程实践动手能力的车辆工程人才。学生毕业后能在科研院所、企业、高新技术公司和技术院校从事与车辆工程及新能源汽车有关的设计、制造、检测、管理、科研和教学等工作。

随着近年来太原理工大学人才引进力度的加大，车辆工程系引入了许多年轻的博士，他们的加入为实验室团队注入了新的活力，增加了新的研究方向，2017年团队成果申请国家项目1项，省级项目6项，充实了实验平台，为本科生实验教学改革创造了可能性和良好的条件。

本专业的实验教学改革紧密围绕培养目标展开，本文进行了积极的创新型改革探索，主要在普通传统实验教学的基础上，以科研项目为基础，探索实施以实验室平台及项目研究为基础的实验教学，改革与探索主要包括以下内容：

1. 前期准备

专业课教师应当在课堂上结合所教授的理论知识，适当介绍实验室基本情况，实验室的基本构成，基本实验设备，主要科研仪器，教师的科研团队，团队的主要科研项目。通过对试验平台的了解，学生可以掌握本专业最新科技，激发对科学的热爱，渴望技术，追求创新的思想。这是将实验室平台应用于实验教学的基础和前提。

2. 设计与实施

实验的设计应注意与课堂上的理论融合起来，做到难易适中，在实施过程中，应充分发挥学生的主体作用和教师的引导作用[16，17]。

以太原理工大学机械工程学院新能源汽车实验室为例，结合团队的教学经验，设计了一套以实验室设备为基础的实验教学平台，例如图1所示。这个平台以车辆专业的培养目标为导向，课堂理论为基础，利用实验室的实验平台对专业课的实验教学进行改革探索。实验平台主要包括测控平台和电池组，通过对电动汽车动力电池进行充放电控制实验，使得学生了解电动汽车的相关知识，通过建立动力电池的温度场模型并对模型进行简单实验验证，可以将热工基础、汽车测试与试验技术及汽车有限元技术等课程融合在一起，这个实验可以安排在车辆专业学生大四上半学期的汽车测试与试验技术课程的实验教学中。

图2 为新能源汽车测控实验室的电池BMS平台，可以完成对电池的四通道充放电等基本实验。图3为本科生结合热工基础、传热学相关知识，利用有限元技术建立的电动车动力电池的温度场模型，并利用传感器等测试设备对建立的模型进行实验验证，在这个过程中，对应图1，可以锻炼学生的实验能力和分析能力。

3. 效果

经过1-2年的教学实践，教学改革的初步探索，结果显示，让本科生在专业课实验课程学习阶段进入科研平台进行学习，可以激发学生对科研兴趣，提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。

本年度（车辆系2018届）毕业生表示，通过本科课程的实验教学，在本科阶段对新能源汽车方向的简单接触有助于他们更好地与用人单位进行沟通，帮助他们更好地就业，另外一些考研的同学表示，尽早地接触科研平台，了解实验室的工作，可以帮助他们有目标地选择自己是否读研和报考的学校及专业。如图4a所示为，本届毕业生1401班与1402班的毕业去向统计，结果显示，两个班有很高的读研率和继续读研的意愿，同时1402班的实验室工作参与率较高，这个班的读研率更高，如图4b所示。这只是初步探索的结果，是否有严格的因果关系还需要进一步研究。

（三）在具体执行过程中可能遇到的问题

1. 这样的教学改革增加了学生的实验难度，需要有良好的理论课程和专业课程基础；

2. 增加了教师的教学工作量，需要定期制作新的实验指导书；

3. 需要实验室研究生和工作人员的配合；

4. 本科生毕竟不是专业人员，可能会损坏仪器。

这需要整个专业团队对本科实验教学的支持和规范化管理，对教学人员和学生都严格要求。

三、结束语

由于机械类专业的高度实践性和创新性，本科实验教学改革非常重要和复杂，需要相关专业老师付出长期的努力和长远的规划。基于实验室平台和科研项目的教学改革是其中的有效手段之一，也是学校提升本科生综合素质建设的重要手段。

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