王曉佳 張翠平

摘 要：為了適應(yīng)機(jī)械工程技術(shù)日新月異的快速發(fā)展，提升機(jī)械類(lèi)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性和實(shí)踐性，將科研團(tuán)隊(duì)的研究平臺(tái)浸入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)是目前大學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革的重要思路之一。文章以將車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的科研平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為例，對(duì)這個(gè)改革思路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、實(shí)踐和初步理論探索。結(jié)果顯示，讓本科生基于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)參與科研平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，提高了本科生對(duì)理論知識(shí)的理解水平，增強(qiáng)了本科生對(duì)科研的興趣，最終體現(xiàn)在本科生畢業(yè)時(shí)綜合素質(zhì)能力的提升。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科研平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程是以相關(guān)理論課程為基礎(chǔ)、高度實(shí)踐化且隨著科技進(jìn)步而日新月異的學(xué)科類(lèi)。基于這樣的特點(diǎn)，對(duì)于機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的過(guò)程中，學(xué)校必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)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(jī)械類(lèi)的專(zhuān)業(yè)課程基本都有實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所不同，不但需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要與時(shí)俱進(jìn)的科研素養(yǎng)。這對(duì)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課教師和實(shí)驗(yàn)教師提出了很高的要求，其肩負(fù)著承前（理論基礎(chǔ)）與啟后（科學(xué)與工程實(shí)踐）的重要使命，要在教學(xué)中兼顧理論性與實(shí)踐性，以培養(yǎng)實(shí)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(mǎn)足這些要求，許多高校在教學(xué)活動(dòng)中對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式和方法進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，參與到研究工作和學(xué)習(xí)過(guò)程中，有一定的局限性[9-13]。

本文提出了實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)與專(zhuān)業(yè)課程相結(jié)合的本科機(jī)械類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路，旨在充分利用專(zhuān)業(yè)課教師的科研平臺(tái)，基于實(shí)驗(yàn)室的科研項(xiàng)目，借助實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備資源，培養(yǎng)具備踏實(shí)理論基礎(chǔ)且具有創(chuàng)新精神的本科生。

一、機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

目前，在我國(guó)高等院校的課程教學(xué)體系中，大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為對(duì)應(yīng)的課堂理論教學(xué)服務(wù)的，通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)或直觀地觀察演示實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，需要解決的矛盾有很多，其中最主要的是理論基礎(chǔ)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐三個(gè)方面之間的矛盾。在解決這些矛盾過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是功課教學(xué)體系中的重要一環(huán)，對(duì)應(yīng)用型機(jī)械專(zhuān)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(yàn)，在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中，仍然存在不少問(wèn)題[14，15]。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)不能很好地結(jié)合

專(zhuān)業(yè)課課堂理論講授的教師和負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離的結(jié)果，同時(shí)，期末考試內(nèi)容偏理論，很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容并不納入期末考試范圍中，只是算作平時(shí)成績(jī)的一部分，這造成了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不重視的結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能將本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)課程之間融合起來(lái)

機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)有高度的實(shí)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(shí)踐問(wèn)題的能力，這種能力建立在較強(qiáng)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(duì)不同專(zhuān)業(yè)課程之間的聯(lián)系建立得不密切，這造成了專(zhuān)業(yè)課基礎(chǔ)可能不能為大四的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)后的科研和實(shí)踐做好充分的準(zhǔn)備。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)與探索的積極性

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在具體的操作過(guò)程中，還是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法為主。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法通常安排好一切，讓學(xué)生機(jī)械完成實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，不能讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)的主體。同時(shí)機(jī)械專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的制作不像物理、化學(xué)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程普及，不能很好地支持機(jī)械專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這造成了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不感興趣。

（四）實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能與工程實(shí)踐及科技前沿相結(jié)合

教學(xué)體系與工程實(shí)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(shí)面狹窄，工程能力差，難以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展。

將專(zhuān)業(yè)的科研平臺(tái)利用到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可很好地解決上述問(wèn)題。

二、本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室科研平臺(tái)結(jié)合的教學(xué)方法改革與探索

（一）與實(shí)驗(yàn)室科研工作結(jié)合的必要性和優(yōu)勢(shì)

1. 培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力

實(shí)驗(yàn)室的科研平臺(tái)都是綜合性平臺(tái)，如一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，包含了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、理論、測(cè)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(gè)平臺(tái)做完實(shí)驗(yàn)后，再結(jié)合大學(xué)物理的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)的能力

現(xiàn)代大學(xué)對(duì)專(zhuān)業(yè)教師的要求越來(lái)越嚴(yán)格，不但要求完成教學(xué)任務(wù)，還有相當(dāng)高的科研要求，這就使得大部分專(zhuān)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(tái)做實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生接觸到本學(xué)科中較為前沿的科技知識(shí)。解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以演示性、驗(yàn)證性為主，前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)較少的問(wèn)題。專(zhuān)業(yè)課教師將最新的科研成果引入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，可以使學(xué)生了解專(zhuān)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(shí)驗(yàn)中可培養(yǎng)學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，科學(xué)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的良好科學(xué)實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)只在乎實(shí)驗(yàn)是否參加，認(rèn)為得到了數(shù)據(jù)就完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)際科研和生產(chǎn)實(shí)踐并不是這樣，對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理實(shí)際上比實(shí)驗(yàn)過(guò)程更為重要。

4. 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神

團(tuán)隊(duì)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(guò)程中，一個(gè)學(xué)生可能可以獨(dú)立完成上課、上自習(xí)、考試等任務(wù)，但是在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)團(tuán)隊(duì)合作提出了更高的要求。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)了學(xué)生與人溝通的能力與效率，學(xué)會(huì)如何在團(tuán)隊(duì)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(rèn)為專(zhuān)業(yè)教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，通過(guò)在校教育，使得學(xué)生畢業(yè)之后可以在科研或者工作過(guò)程中能夠解決遇到的工程問(wèn)題。因此可以要求以科研論文的格式完成報(bào)告，通過(guò)這些訓(xùn)練，學(xué)生不僅可以學(xué)會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)檢索方法，還可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和原理的理解，視野更加開(kāi)闊，而不是照搬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與探索實(shí)例與成效

本文基于太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，本專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的人才需求為導(dǎo)向，緊密跟蹤汽車(chē)技術(shù)的新進(jìn)展和行業(yè)需求，培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展的、具有社會(huì)責(zé)任感的，具有創(chuàng)新精神的，能夠在汽車(chē)設(shè)計(jì)、分析、制造及試驗(yàn)領(lǐng)域具有工程實(shí)踐動(dòng)手能力的車(chē)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(chē)輛工程及新能源汽車(chē)有關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、科研和教學(xué)等工作。

隨著近年來(lái)太原理工大學(xué)人才引進(jìn)力度的加大，車(chē)輛工程系引入了許多年輕的博士，他們的加入為實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)注入了新的活力，增加了新的研究方向，2017年團(tuán)隊(duì)成果申請(qǐng)國(guó)家項(xiàng)目1項(xiàng)，省級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，充實(shí)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)造了可能性和良好的條件。

本專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革緊密?chē)@培養(yǎng)目標(biāo)展開(kāi)，本文進(jìn)行了積極的創(chuàng)新型改革探索，主要在普通傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)，探索實(shí)施以實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)及項(xiàng)目研究為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改革與探索主要包括以下內(nèi)容：

1. 前期準(zhǔn)備

專(zhuān)業(yè)課教師應(yīng)當(dāng)在課堂上結(jié)合所教授的理論知識(shí)，適當(dāng)介紹實(shí)驗(yàn)室基本情況，實(shí)驗(yàn)室的基本構(gòu)成，基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要科研儀器，教師的科研團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)的主要科研項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的了解，學(xué)生可以掌握本專(zhuān)業(yè)最新科技，激發(fā)對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，渴望技術(shù)，追求創(chuàng)新的思想。這是將實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)和前提。

2. 設(shè)計(jì)與實(shí)施

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意與課堂上的理論融合起來(lái)，做到難易適中，在實(shí)施過(guò)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(jī)械工程學(xué)院新能源汽車(chē)實(shí)驗(yàn)室為例，結(jié)合團(tuán)隊(duì)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套以實(shí)驗(yàn)室設(shè)備為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，例如圖1所示。這個(gè)平臺(tái)以車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，課堂理論為基礎(chǔ)，利用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)專(zhuān)業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革探索。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括測(cè)控平臺(tái)和電池組，通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池進(jìn)行充放電控制實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生了解電動(dòng)汽車(chē)的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)建立動(dòng)力電池的溫度場(chǎng)模型并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以將熱工基礎(chǔ)、汽車(chē)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)及汽車(chē)有限元技術(shù)等課程融合在一起，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以安排在車(chē)輛專(zhuān)業(yè)學(xué)生大四上半學(xué)期的汽車(chē)測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

圖2 為新能源汽車(chē)測(cè)控實(shí)驗(yàn)室的電池BMS平臺(tái)，可以完成對(duì)電池的四通道充放電等基本實(shí)驗(yàn)。圖3為本科生結(jié)合熱工基礎(chǔ)、傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)，利用有限元技術(shù)建立的電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池的溫度場(chǎng)模型，并利用傳感器等測(cè)試設(shè)備對(duì)建立的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)圖1，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治瞿芰Α?/p>

3. 效果

經(jīng)過(guò)1-2年的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)改革的初步探索，結(jié)果顯示，讓本科生在專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)階段進(jìn)入科研平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)科研興趣，提高學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力。

本年度（車(chē)輛系2018屆）畢業(yè)生表示，通過(guò)本科課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在本科階段對(duì)新能源汽車(chē)方向的簡(jiǎn)單接觸有助于他們更好地與用人單位進(jìn)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(tái)，了解實(shí)驗(yàn)室的工作，可以幫助他們有目標(biāo)地選擇自己是否讀研和報(bào)考的學(xué)校及專(zhuān)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(jì)，結(jié)果顯示，兩個(gè)班有很高的讀研率和繼續(xù)讀研的意愿，同時(shí)1402班的實(shí)驗(yàn)室工作參與率較高，這個(gè)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(yán)格的因果關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

（三）在具體執(zhí)行過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題

1. 這樣的教學(xué)改革增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)難度，需要有良好的理論課程和專(zhuān)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)；

3. 需要實(shí)驗(yàn)室研究生和工作人員的配合；

4. 本科生畢竟不是專(zhuān)業(yè)人員，可能會(huì)損壞儀器。

這需要整個(gè)專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支持和規(guī)范化管理，對(duì)教學(xué)人員和學(xué)生都嚴(yán)格要求。

三、結(jié)束語(yǔ)

由于機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的高度實(shí)踐性和創(chuàng)新性，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革非常重要和復(fù)雜，需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)老師付出長(zhǎng)期的努力和長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃?；趯?shí)驗(yàn)室平臺(tái)和科研項(xiàng)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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