机械工程实验教学中心的教学体系构建

    中国石油大学机械工程实验教学中心(下简称中心)的前身是华东石油学院的机械制图、机械原理、机械设计、机械制造基础、材料工程等教研室所属实验室,始建于20世纪60年代.遵循“以人为本,柔性培养,夯实基础,强化实践,突出特色”的原则,中心转变传统实验教学的观念,坚持实验教学与理论教学相结合、实验教学和科学研究相结合,注重创新能力培养,鼓励个性发展的建设思路,依托于机械工程学科,深入进行实验教学内容、体系、方法和运行管理方式的改革.不断改造传统的实验教学内容、实验技术和方法,开发综合性和研究创新性实验,激发学生学习的主动性和创造性,提高机械工程实验教学的水平和质量,培养学生在工程实践中综合运用所学知识分析问题、创造性解决问题的能力[1-3].

    1、实验教学理念与改革思路

    1.1实验教学规划与定位根据学校制订的“十二五”发展规划,中心的建设目标是深化实验教学改革,建立先进、高效、开放的实验室管理体制和运行机制,建设结构合理、理论教学与实践教学紧密结合的高素质实验实践教学队伍,构建仪器设备先进、网络共享、资源丰富的实验教学环境,全面提高实验教学水平和质量.中心密切配合机械工程系列课程教学改革与实践,以工程意识养成教育和实践动手能力、创新能力培养为目标,构建集教与学为一体、理论教学与实践教学为一体、课内与课外教学为一体的实践基地.通过校企合作的形式开展联合教学与培训,不断提高教学水平和教学质量.

    1.2实验教学改革思路.

    以培养大学生的动手能力、工程意识养成、创新能力、综合运用所学知识解决实际问题能力为目标,牢固树立实验教学与理论教学并重的思想,引导学生开展自主实验研究,逐步建立柔性化、分层次、科学系统的创新实验教学体系,为大学生搭建起适应时代需求的实验教学平台.

    1.3实验教学改革方案.

    1.3.1 理论与实践并重,培养实践动手能力强的工程技术人才.

    机械学科是一门理论严谨、实践性强的学科,教学目标是培养理论基础扎实、实践能力强,具有组织能力、团队协作与协调能力、决策判断与创新能力和工程意识的复合型人才.为达到这一目标,中心克服了重理论教学、轻视实践教学的旧思想,把实验教学放在与理论教学同等重要的地位,改变了实验教学完全附属于理论教学的传统观念,并进行了一系列改革,使实验教学成为既与理论教学有机结合,又具有独立职能、培养学生实践和创新能力的平台[4-5]

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    1.3.2 科研成果应用于综合创新性实验教学科研成果应用于综合创新性实验教学,对于提高学生的创新能力培养具有重要意义.中心鼓励教师将新的科研成果引入实验教学,比如将与胜利油田合作项目---机械性能综合测试实验台和计算机测控技术综合实验台应用于学生的综合创新性实验教学中.机械性能综合测试实验台可测试传动装置的效率、速度、加速度等运动参数;计算机测控技术综合实验台可采集装置的参数并进行处理和控制.两实验台为培养学生的动手能力、机电系统的设计能力和综合分析问题的能力提供了一个平台,学生通过综合性实验可以直接感受到现代科学研究与工程技术在工程中的实际应用.把科研成果和工程实例应用于实验教学,开阔了学生的视野,加强了学生工程意识的养成,有利于促进对学生综合设计能力、工程实际能力和创新能力等综合素质的培养,有很好的效果,深受学生欢迎.

    1.3.3 加强开放,为大学生科技创新活动提供平台中心成立以来,按照学校的有关规定,加大了开放力度,学生通过预约可随时到实验室从事科技创新活动.通过“机械创新及训练实验课”等系列课程,向学生传授创造学、创新设计的基本理论和方法.通过国家大学生创新实验计划、CAD与造型设计大赛、机械创新设计大赛、结构设计大赛等活动,营造创新氛围,使学生在创新的环境中发挥自己的聪明才智.

    1.3.4 加强教材建设和软件建设,提高实验教学水平适宜的实验教材和教学方式是提高实验教学质量的重要保证.鼓励各课程教师在新教学理念的指导下编写实验教材.中心成立以来,承担了多项实验室硬软件建设项目,内容涉及实验教材建设、已购置实验设备的功能开发、综合创新实验项目开发等,提高了实验设备的利用率,充实了实验教学的内容,提高了实验教学的水平.

    1.3.5 优化资源配置,构建设计制造信息化实验平台.针对以往实验室分属各教研室、实验教学完全依附和依赖理论教学、相关学科的实验内容重叠、实验设备重复等弊端,对相关学科的实验教学内容进行了有机的整合,避免了重复实验;对相关学科的实验教学设备进行了优化配置,防止了设备的重复购置.中心建有自己的网站,涉及日常教学、实验室管理、科学研究以及师生互动等内容.网站成立了中心实验教学与管理的信息化平台,为中心的教学、管理、对外交流与合作发挥了重要作用.

    1.3.6 理顺管理体制,发挥教师主导作用.中心在学校和学院的统一领导下,由中心主任具体负责.中心建设规划由中心主任、各系主任、各课程主讲教师共同研讨、确定,由学校会同学院审核通过,中心主任负责实施.实验教学实行专职教师和兼职教师相结合,充分发挥教师的主导作用.积极鼓励中心教师参加校级精品实验课的建设和评选,对于获奖教师除了学校的奖励外,中心另外给予一定的奖励.各实验室的实验准备、管理及设备的维护保养由专职实验技术人员负责.

    1.3.7 建立健全实验项目研发机制,鼓励自主研发.实验项目和实验设备研发能力反映一个实验室的整体水平,根据我校机械工程的办学历史与学生就业特点,中心建立了实验项目研发机制.主要包括:实验设备自主研发,开发出新的实验项目;对已有设备开发改造,更新或新增实验项目;以社会需求为导向开发新的实验项目;中心根据实验项目的质量与学生上课数量给予不同的奖励,并纳入实验教学人员的考核体系.

    2、实验教学体系与内容.

    2.1实验教学体系.

    实验教学是构成高等学校课程教学的重要组成部分.中心按照新世纪经济建设和社会发展对高素质创新人才培养的需要,与理论教学紧密结合,科学地设置实验项目[6],并注重先进性、开放性和将科研成果转化为教学实验,形成适应学科特点及自身系统性和科学性的、完整的实验体系[7];全面培养学生的科学作风、实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力,使学生具有创新、创业精神和实践能力[8].

    经过不断的探索,中心形成了“1234”的实验教学体系(见图1),即“一个意识,两种能力,三套体系,四项措施”,着眼于学生大工程意识养成,培养学生实践动手能力和创新能力,实行理论教学体系、实验实践教学体系和实训教学体系“三位一体”的教学模式,采取实验单独设课、组织科技竞赛活动、实行技术等级证书制和科技创新活动冲抵选修课学分制4项激励措施.

   

    (1)一个意识.中心从教学理念上进行了转变,从传统的传授课本知识转变为工程意识的养成.

    ①加强工程意识的训练,使学生了解机械,掌握实验的基本方法、基本技能和基本知识,激发学习机械、进行工程实验和研究的兴趣;②加强工程实际、物理建模、数学建模、实验研究的能力培养,让学生在工程实际中锻炼力学建模、求解、实验设计和实验结果分析的能力,从而使学生所学知识与工程实际相一致.

    (2)两种能力.培养学生实践动手能力和创新能力是工科大学生教育的目的.中心加强学生创新能力的培养,突出产品设计中的创新意识,从设计中体会工程创新和理论创新,从设计中体会创新方法.加强课程设计、综合设计、毕业设计等实践环节,培养学生从方案设计到结构设计全过程的创新设计观念,提高学生的创新能力.

    (3)三套体系.中心为了确保学生一个意识的养成和两种能力的提高(获取),实行理论教学体系、实验实践教学体系和实训教学体系“三位一体”的教学模式,从教学体系上保证了上述目标的实现.

    (4)四项措施.中心采取实验单独设课、组织科技竞赛活动、实行技术等级证书制和科技创新活动冲抵选修课学分制的4项措施,提高和鼓励学生积极投入工程实践和创新活动中.

    ①中心根据不同专业改革实验教学体系,把实验改为单独设课和随堂实验2种方式,对机类和近机类开设独立的实验课程,课时为48学时,对非机类学生随课堂设置实验课;②中心定期组织科技创新设计大赛、结构设计大赛、CAD及三维造型设计大赛等活动,促进学生创新意识和创新能力的不断提高;③中心实训基地每学期开出实训课程,通过一定时间强化训练,学生可获得国家人力资源和社会保障部颁发的技术等级证书和交通运输部颁发的驾驶证等证件,从而调动学生从事实训的积极性;④中心协同学校制定出根据科技活动成果科技含量认定学分的办法,科技活动成果可冲减选修课学分,从而使学生有更多的时间进行科技活动.通过4项措施的实施,对学生一个意识的养成和两种能力的培养有较大的推进作用.

    2.2实验教学内容.

    实验教学内容主要包括基本型实验、综合型实验、研究创新型实验和机械制造工程训练,其中综合、研究创新型实验在全部实验项目中占有较大比例.

    (1)基本型实验.使学生了解机器的组成,获得机械设计的感性认识,掌握机械基础理论知识,主要包括机械组成的认识实验、机械零件几何量的精密测量实验、机械运动和动力参数测试、计算机辅助设计实验四大模块.如机构运动简图测绘、汽车结构认识实验、形状和位置误差的测量、圆柱齿轮参数和误差测量、回转件的平衡实验、滚动接触疲劳实验、计算机三维造型上机实验等.

    (2)综合型实验.培养学生综合运用所学知识解决问题的能力,主要包括机械性能及工作能力测定实验、轴系结构分析和拼装实验、离心泵性能实验、机械传动系统方案的设计实验、机械加工工艺设计实验、微颗粒参数测量实验、机械工程材料综合实验等.

    (3)创新型实验.培养学生运用创造性思维解决实际问题的能力,主要包括人机工程创新设计实验、创新思维与机械制作实验、深孔镗杆自激振动实验、智能移动机器人设计实验、油管接箍数控编程实验、链条式抽油机PLC实验等.

    (4)机械制造工程训练.锻炼学生的工程意识与实际动手能力,主要包括传统加工实习、数控机床实习项目、特种加工实习项目、钻采工艺装备仿真实践训练等4个模块.

    3、实验教学方法与手段

    根据学生的认识规律和实际水平,中心建立了以学生为中心,以学生自我训练为主的教学模式[9-10].

    实验内容安排由浅入深,由简单到综合,以充分调动学生学习的主动性.学生通过实验教学应掌握基本实验操作方法,能够正确地使用仪器设备,准确地采集实验数据,并具有正确记录、处理数据和表达实验结果的能力;认真观察实验现象进行分析判断、逻辑处理,做出结论的能力;正确设计实验(选择实验方法、实验条件、仪器设备等),能通过查阅手册、工具书及其他信息源获得信息以解决实际问题的能力.通过实验教学培养学生实事求是的科学态度、百折不挠的工作作风、勇于开拓的创新意识和相互协作的团队精神.

    中心运用现代化技术及先进的实验教学手段,充分利用网络教学平台[11]近几年研制的机械基础资源库及各种实验教学媒体,利用网上资源进行实验教学,推广运用虚拟、仿真等实验技术手段,把虚拟、仿真实验和实际操作相结合,拓宽学生的知识面,培养学生的实验技能和科研能力,使学生工程意识自然养成.

    工程训练按照机械制造的一般过程及常用的工艺方法展开实践教学[12].学生主要通过各工种的实际训练学习各工种的工艺知识、掌握各种操作技能,利用开展“创新设计与制造”竞赛和“技术等级证书制”等活动,充分调动学生参与工程训练的积极性.工程训练过程中,学生可通过指导人员的现场讲解和教师的专题讲座进行基本知识学习,利用网络多媒体课件进行自学和预习,通过实际零件的制作、操作考试和理论考试促进学生学习,保证实习质量.

    4、中心特色

     中心坚持“五个结合”的实验教学特色,统筹科研和教学资源,不断提升实验教学的水平.在教学过程中始终坚持理论课程教学与实验教学相结合,拓展学生的逻辑思维与动手能力;常规实验改造与创新实验相结合,在实践环节中提升学生的创新性;大众教育与分层次培养相结合,针对学生的不同特点进行个性化培养;综合性实验与工程实践、科研项目相结合,提升学生解决实际问题的能力;课内实验教学与课外科技创新活动相结合,提升学生从事科研创新活动的积极性.

    根据石油行业的特点和培养学生实践能力的需要,中心基于学生培养的不同阶段,优化设备配置.实验设备涵盖了结构设计、材料分析、加工制造与石油专用测试方面的仪器和设备,并建立了软件共享平台.

    为了便于学生开展课外科技实践活动,专门建立了大学生机电创新实验室,培养学生从分析计算、结构设计、力学性能仿真到实物模型制作的全过程,提高学生的创新能力和解决实际问题的能力.

    5、实验

    教学效果中心面向机电工程学院、石油工程学院等7个学院23个专业3 000多名本科生开设实验课程,覆盖面广.先进的教学理念、丰富的教学内容以及现代的教学手段,极大地激发了学生的学习热情.实验效果受到了教育部本科评估专家的好评.

    (1)学生综合素质高,解决实际工程问题能力强.

    学生在中心经过实验,掌握了机械工程实验基本技能,提高了学生的综合素质与能力,使学生逐步地养成工程意识.通过综合实验的训练,显著提高了学生的自学能力、实验技能和动手能力、分析和解决实际问题的能力等.计算机辅助设计和计算机编程在课程中的应用保持4年不断线.毕业生就业率始终保持在95%以上,受到了用人单位的一致好评.

    (2)实验教学成果丰富.近5年来,中心教师先后发表教学论文82篇,出版教材20余部.以实验为支撑,开设了省级精品课8门.教改项目“新时期机械工程学科本科培养模式研究”获山东省优秀教学成果二等奖,“以人为本,柔性培养人才新机制的研究与实践”与“新时期机械工程学科本科培养模式研究”获山东省高等教育教学成果二等奖.中心重视教学研究与改革,通过教学研究与改革推动实验教学水平的提高.

    近5年来,中心教师承担教学研究与教学改革项目39项,其中省部级10项.中心注重教学成果在实验教学中的应用,注重发挥成果的示范和辐射作用.

    (3)学生的综合设计能力和创新能力有了明显的提高.在学校的支持下每年举办课外创新设计大赛,并组织学生参加校外的比赛.学生的综合设计能力、创新能力和动手能力得到了极大的提高.近几年,中心教师指导国家大学生创新实验计划项目38项,指导“大学生创新创业训练计划”创新训练项目67项.通过中心教师的指导或协助指导,在挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛、大学生节能减排社会实践与科技竞赛、大学生在全国三维数字化创新设计大赛、中国大学生创意创业大赛、山东省机电产品创新设计大赛中获得各类奖励136项.学生的作品充分显示了他们的创新意识和设计能力,不少作品能运用机械、电子、液气控的相关知识,具有较好的功能和性能要求,部分作品经详细设计后可转化为产品.

    6、结束语.

    实验与实践教学环节是学生巩固和深化理论知识的重要途径,也是培养学生基本技能、发现和解决实际问题能力、自主学习能力、创新能力和全面素质的重要途径.机械工程实验教学中心坚持以学生综合素质培养为核心,注重培养学生的动手能力、工程意识与创新精神,有效促进了学生知识、能力和素质的协调发展,形成了鲜明的特色和优势.中心优化实验教学队伍结构,加强资源的统筹利用,构建科学的实验教学质量保障体系,积极参与教学内容、方法与实验体系的改革,以教学研究和改革进一步推动中心实验教学水平的提高,为经济建设和社会发展服务.

    参考文献(References)

    [1]徐淑珍.机械类专业学生创新能力培养的研究与实践[J].石油教育,2008(4):44-46.

    [2]张友琴,王萍,朱昌平,等.以大学生创新性实验计划为契机培养创新型人才[J].实验技术与管理,2011,28(7):167-170.

    [3]钟秉林,董奇,葛岳静,等.创新型人才培养体系的构建与实践[J].中国大学教学,2009(11):22-24.

    [4]高思.提高高等学校本科教学质量的重大举措[J].中国大学教学,2007(2):5-10.

    [5]葛岳静,赵欣如.从本科教育教学解读研究型大学的人才培养[J].中国高等教育,2003(15/16):29-30.

    [6]冯洁.创新型人才培养中实验教学的问题与对策[J].实验室研究与探索,2008,27(4):102-105.

    [7]鲁保富,郑春龙.构建培养创新能力的实验教学体系[J].实验室研究与探索,2005,24(4):528.

    [8]邢广恩,张彦,张丽军.强化实验教学改革培养学生实验技能[J].产业与科技论坛,2012,11(6):171-172.