美国威斯康星大学麦迪逊分校机械工程专业培养计划

焦 波 孙洪源 贾风光 薛 芳

（山东交通学院船舶与港口工程学院 山东·威海 264200）

0 引言

美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）被誉为公立常春藤大学，代表美国公立大学最高水平[1]。机械工程是工程学中最古老的分支之一，在UW-Madison中存在超过了一个半世纪。在这段时间里，制造业等传统领域已经演变为利用传感器、模拟和大量新材料对可持续技术的研究。他们著名的能源实验室不仅在提高内燃机效率，而且也在发展可再生能源和用于量子计算的低温技术。如今UW-Madison的机械工程意味着探索纳米技术和软材料，包括可穿戴电子设备、触觉、假肢和康复机器人。这意味着需要高性能计算来建模和预测极其复杂的交互过程，例如细胞和组织力学以及物理力如何影响关节和大脑。威斯康星大学麦迪逊分校机械工程在最新公布的全美2021专业排行榜中位于第19位[2]。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程专业的演变是适应及引领以先进制造业、生物医药、人工智能、量子信息科学等为代表的第四次工业革命快速发展的结果。这一场世界科技革命和产业变革同我国经济模式转型发展形成了历史性的交汇，对工程教育提出了前所未有的挑战。为主动应对新一轮科技产业变革，教育部于2017年2月推出“新工科”计划[3-5]，旨在通过内涵式发展，面向工业界、面向世界、面向未来，以工程教育新理念、新模式、新方法、新内容、新质量等作为高校新工科建设和教育改革的基本内容，构建新工科专业或改造现有专业，培养满足新经济和产业所需的新型工程技术人才。本文对威斯康星大学麦迪逊分校机械工程专业2020版培养计划[6]进行了梳理和分析，总结了其课程体系的特点，旨在为推动新工科专业建设提供参考和借鉴。

1 威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系本科课程体系

根据四年学习计划及课程逻辑关系，作者总结并绘制了课程框图（见图1），课程右下角的数字代表学分，总学分要求不低于128。从图中可以看出，学生每学期的课程在4-6门、13-18学分之间，低于我国大学同类专业，相对来说学生有更多的自主支配的时间。从课程性质及结构来看具有以下特征：

（1）通识课程：不少于15学分，占总学分11.72%，包括人文、文学、艺术类（不少于6学分），社会科学（不少于3学分），种族研究（不少于3学分），这些内容确保每个毕业生都能获得本科教育的基本核心，为生活创造了一个基础，作为一个世界公民，理解审美价值观，并在不断变化的世界中从事终生学习。这部分为学生提供了解公共卫生、安全和福利以及全球、文化、社会、环境和经济因素的途径，同时培养学习新知识的能力。

（2）沟通技能：该校工学院设有专门的技术沟通课程组，负责讲授和指导学生，这部分由沟通A和技术沟通两门课组成，合计6学分，占4.69%。内容包括工程、科学和技术交流；计划、准备和评论报告、建议、指示和商务信函的理论和实践；研究策略、协作工作以及口头报告。这些内容用来培养学生与广泛受众有效沟通，以及在团队合作中有效工作的能力。

（3）数学与统计学：不少于19学分，内容包括微积分、线性代数与微积分、统计学。

（4）基础科学：不少于14学分，包括普通化学、普通物理及计算机编程，化学可以选择一门高级课程，或者两门课程的组合（图1用虚线框表示出来）。

图1：课程流程图（适用于2020年后秋季入学的学生）

以上两部分内容与一门数学或科学选修课共计36学分（占总学分的28.13%），突出数学和基础科学在机械工程专业中的作用，夯实了学生应用数学和科学原理的能力。

（5）非机械类课程：包括静力学、材料科学概论、电路、机电功率转换基础或者机械工程控制基础（二选一），共12学分，占9.38%，起到了为专业核心课奠定基础以及扩展学生知识面的作用。

（6）专业核心课：共50学分（占比39.06%），17门课程，图1中以ME为标记（除ME346以外），课程内容涵盖了工程师从事机械和能源两个领域所必需的专业背景，具体来说：

机械领域涵盖产品和设备的设计与制造。专注于设计的工程师需要构思新的设备和机器，同时也改进现有的设计，因此必须精通运动学、机械元件、力学、材料强度和性能、动力学、振动等。专注于制造业的工程师参与规划和选择制造方法，设计和开发制造设备，并提高效率以及目前聚合物、金属和陶瓷产品制造技术的生产力，他们需要利用化学、材料科学、材料力学、材料加工原理和实践、计算机控制原理、工程统计学和其他物理和热学科学来改进制造操作和系统，以及生产的产品。

在能源领域中，机械工程师研究液体、气体和固体在各种能量转换系统中的行为，汽车发动机、燃气轮机、蒸汽发电厂、制冷系统、空气污染控制、低温和能源利用都需要这种背景，热力学、流体力学、传热学和相关学科提供了这方面的知识。

课程体系中的综合实践（实验或设计）的课程有4门，共计12学分。ME351和ME352组成了为期一年跨学科的项目设计课程，学生设计和制造系统和设备。ME370是对各种能量转换系统的性能进行实验评估和分析，如汽轮机、压缩机、制冷系统、风机和内燃机。在其前导课测量实验(ME368)的基础上，进一步培养学生的实践能力。

（7）专业选修课：不低于9学分，占7.03%。机械工程隶属于工学院，该学院还设有其他12个专业，其中生物医学工程、化学与生物工程、电子与计算机工程、工程物理、材料科学与工程、核工程、工程力学(航空航天)专业与机械工程高度交叉与融合，为培养学生跨学科背景与经历提供支撑。学生通过专业选修课的学习，可以进一步专攻上述某一领域。

2 威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系专业选修课程

学院网站提供了机械工程系2020年秋-2023年秋学期开设的专业选修课计划表，包含每门课程的详细开课信息[7]。专业选修课在设计、制造和能源三个方向都提供了丰富的选择，三年半期间共提供了58门课程，每学期开课数量在20-27门之间，学生可以根据课程的详细信息和具体要求提前规划学习方向、内容和深度。从课程内容上看，体现出如下特色：

（1）与生命科学深度融合：骨科植入物设计介绍全关节置换的应用设计流程，包括：关节解剖、组织特性、外科手术方法、关节负荷、植入材料、临床前测试和分析。生物组织力学介绍肌肉骨骼和心血管组织的固体力学，内容包括正常和病理行为（刚度、强度、松弛、蠕变、适应性重塑等）的检测和量化。

（2）面向复杂工程的训练：先进材料设计方法介绍一种结构化方法来解决设计中需要考虑多个约束条件和相互冲突目标的复杂材料选择问题。主题包括：断裂力学，腐蚀和腐蚀缓解，制造工艺及其选择的影响，金属、陶瓷、聚合物和复合材料的性能发展，以及材料分析技术。

（3）通过实践理解工程概念、工程设计或实验过程及进行探索：机器人概论通过实际操作介绍当前机器人系统应用的关键概念和工具，旨在为学生提供了解机器人系统的途径，为自己的目标探索机器人技术，或在该领域继续深造。实验力学课程用实验方法设计和分析机械部件、结构和材料，内容包括基于电学和光学方法记录应力、应变和变形，计算机采集/还原/显示技术，静态和瞬态事件、传感器设计、无损检测、断裂和残余应力的应用。

（4）创造性的实践工程设计过程：产品设计是以项目为导向的跨学科课程，重点在于设计有竞争力的、高质量的产品。产品开发过程涵盖了从问题识别到详细设计和评估，所涉及的主题有创意的产生和评估、可视化和质量。

（5）高级课程与数学和计算工程紧密结合：如机械元件和系统的优化设计、机构设计与分析中的矩阵方法、高性能计算的工程应用。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系开设的专业选修课涉及的知识面宽广、跨学科特征明显。教学内容的实践性强、突出复杂工程问题和工程设计的特征，中高级课程与数学和计算机科学高度融合，内容面向行业发展前沿。

3 结语

以美国威斯康星大学麦迪逊分校机械工程专业已成立了150多年，迄今仍保持了旺盛的生命力，并走在引领科技革命的前列。本文主要对威斯康星大学麦迪逊分校机械工程专业2020版培养计划和课程体系进行了梳理和分析，重点总结了专业核心课和专业选修课的特点，以期为我国工程教育认证的持续发展提供参考，为新工科专业建设提供案例。