机械类专业工程教育改革与创新

机械类专业工程教育

改革与创新

东南大学张远明101000134@

1.先进制造技术发展趋势和装备制造业的现状

1.1先进制造技术发展趋势（1）向“数、精、极、自、集、网、智、绿”这8个方面发展，彼此渗透，相互依赖，相互促进，形成一个整体。

“数”是发展的核心，指制造领域的数字化。以设计为中心、以控制为中心和以管理为中心的数字化制造。“精”是发展的关键，指加工精度及其发展。以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表,将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代。20世纪末年已达到１－１０nm

；ATP酶（分子马达）,轉速最大每秒可轉八次，續航力一百五十分鐘.

在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程(STE)可使加工精度达到１nm；美国康纳尔大学研制成的

"纳米直升机"示意图

现在精密工程正向其终极目标-原子级精度的加工逼近,也就是说,可以做到移动原子级别的加工。

用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。芯片多层结构示意图超净:加工车间尘埃颗粒直径＜1

μm，颗粒数少于0.1个/

inch3；

2）超纯:芯片材料有害杂质，其含量要＜1/109；

3）超精:加工精度达纳米级。“极”是发展的焦点，就是极端条件，是指生产特需产品的制造技术，必须达到“极”的要求。“微机电系统”就是其中之一。“自”是发展的条件，“自”就是自动化。实现了机械制造系统自动化。普遍采用CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP。

在加工技术方面也已实现了底层的自动化。包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等。

“集”是发展的方法，

“集”主要指现代技术的集成、加工技术的集成、企业集成等。

北京第一机床厂通过实施C1MS工程，主导产品设计周期缩短1／2，库存占用资金减少10％，生产计划编制效率提高40一60倍。C1MS工程“网”是发展的道路，“网”就是网络化。制造技术的网络化不可阻挡，它的发展会导致一种新的制造模式，即虚拟制造组织。“智”是发展的前景，智能制造作为一种模式，是集自动化、集成化和智能化于一身的先进制造系统，也是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统。高精度和快速3D机器人视觉系统显示天窗的组装并进行完整的质量检查“绿”是发展的必然“绿”就是“绿色”制造。人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致。清洁生产技术既可满足人们的需要，又可合理使用自然资源和能源并保护环境的实用生产方法和措施。其实质是一种物料和能耗最少的人类生产活动的规划和管理，将废物减量化、资源化和无害化，或消灭于生产过程之中。

日本Mazak公司在产品综合样本中展示出一种未来机床，在结构布局上也已突破了传统机床原有的格式。该机床在外形上犹如太空飞行器,加工过程中噪音、油污、粉尘等将不再给环境带来危害。

1.2机械工业现状和发展

（1）主要成绩规模跃居世界首位

2010年机械工业增加值占全国GDP的比重已超过9%;工业总产值从2005年的4万亿元增长到2010年的14万亿元，年均增速超过25%，在全国工业中的比重从16.6%提高到20.3。

2009年，我国机械工业销售额达到1.5万亿美元，超过日本的1.2万亿美元和美国的1万亿美元，跃居世界第一，成为全球机械制造第一大国。装备保障能力显著增强“十一五”以来，在高速增长的需求拉动下，我国机械产品的水平有了长足的进步，机械产品的国内市场占有率已经由2005的80%提高到了2010的85%以上，重大技术装备自主化取得了较大突破，对国民经济各行业的保障能力明显增强。TK6932型超重型双立柱数控落地铣镗床在齐二机床研制成功，该机床具有完全自主知识产权，达到了国际先进水平，可以为航天航空、大型矿山机械、大型水电机组、核电站设备等超大型工件进行加工，打破了西方技术垄断。我国造出世界最大、最先进的1万5千吨水压机

,有效地解决我国核电、水电、火电、船舶、冶金、石化、煤化工业以及国防装备等领域高端大型铸锻件的生产.中国目前最大的30000吨级模锻液压机，位于重庆市西南铝业集团有限公司，于1971年制造。国家发改委正式批复二重建造8万吨大型模锻压机。该项目总投资将达到15.17亿元人民币，建设期限为两年半。

我国上海和大连终于掌握了低速大功率船用曲轴制造技术－航母动力核心技术之一.国内首台、世界最大的矿用５５立方米挖掘机２６日在山西太重集团下线，这是我国２０００万吨级以上大型露天矿成套设备中的关键设备，具有完全自主知识产权，可满足世界上所有露天矿山的采掘条件72米臂架泵车创造了两项新的世界纪录，一是混凝土输送泵车臂架长度达到72米为世界第一，二是泵车混凝土输送量世界第一。在水轮机转轮稳定性和巨型全空冷发电机冷却两大关键技术上取得了重大突破，开发出具有自主知识产权的世界最大等级的全空冷水轮发电机组，是国内外水电建设史上又一个重要的里程碑。"超超临界燃煤发电技术的研发和应用项目"获国家科学技术进步奖一等奖，"大型直接空冷汽轮机关键技术研究及设备研制项目"获国家科学技术进步二等奖。1000兆瓦超超临界风冷汽轮机3兆瓦海洋风电设备，具有自主知识产权的直驱型风力发电机组国产时速350公里CRH3“和谐号”动车组标志着中国成为世界上仅有几个制造时速350公里高速铁路移动装备的国家之一。C919将在2013年底到2014年上半年期间下线，2014年实现首飞，2016年交付使用。基本型全经济布局168座，混合级156座。其标准航程4075千米，巡航速度每小时828千米。我国最新定型涡喷发动机-----太行世界最先进的3000米深水半潜式海洋石油钻井平台，作业水深可达3000米，最大钻井水深为12000米。裂解气压缩机为乙烯装置的“心脏设备”，是天津百万吨乙烯装置中最为关键的核心设备。它的安装标志着我国百万吨乙烯装置将首次装上“中国芯”。结构调整取得一定进展

在资本结构方面：已实现多元化，行业内生的发展活力越来越强。

在组织结构方面：企业小而散的局面有所改观，主要行业的生产集中度不断提高，尤其是汽车、工程机械、发电设备等行业更加突出。2010年，中国以超过1800万辆的年度产销量，蝉联世界第一大汽车生产国和消费国，自主品牌轿车市场份额也从2%提升至30%。在产品结构方面：新产品产值始终保持两位数增长，科技创新成果成为推动行业持续发展的强劲动力。在资产结构方面：“十一五”期间，机械行业固定资产投资持续高速增长，累计完成固定资产投资57281亿元，年均增速达到约38%。通用机械进出口贸易由逆差变顺差

2006年，实现历史性的转折，首次实现对外贸易顺差。2008年，我国机械工业实现对外贸易顺差477亿美元，达到历史最好水平。2010年进出口总额达到5138亿美元，同时仍保持了进出口基本平衡，实现了顺差31亿美元。（2）存在问题自主创新能力明显薄弱

我国机械工业的产业规模虽已位居世界首位，但目前高端装备仍满足不了需要，不得不大量进口。行业中低端产能过剩、高端严重不足的矛盾非常突出。基础发展严重滞后

与快速发展的主机产品相比，基础零部件及优质专用材料、自控系统和测试仪器、数控机床和基础制造装备的发展明显滞后，已成为影响机械产品向高端升级的三大瓶颈。尤其是基础零部件，不但产品水平差距大，而且至今尚未引起各方面足够重视。进口高档精密轴承高档进口电机现代制造服务业发展缓慢

从实物产量看，与工业发达国家相比，我国许多机械产品的产量已高居世界前列，但从全行业的销售额看，尤其是从经济效益看，这一优势并不明显，主要原因是服务性增值方面的巨大差距。产业发展方式较为粗放

行业的快速发展仍以过多的资源消耗为代价，生产效率和经营效益与工业发达国家同行相比差距明显。（3）面临形势政策环境有利于行业发展党的十七届五中全会明确提出要培育和发展的七大战略性新兴产业中，机械工业就占了两个——高端装备制造业和新能源汽车，而且其他5个战略性新兴产业也都离不开机械工业的支撑。需求变化要求产业升级

内需形势：机械产品市场需求总量仍将保持持续增长。由于宏观政策注重经济转型升级和科学发展，对机械产品品种、质量和水平的要求将受到更多关注。外需形势：出口量仍将不断增长，机械工业的外向型程度将继续提高。在此过程中，外部需求也将促进机械工业产品质量的提高和水平升级。2011年以来机电产品进口额、出口额累计同比增速能源资源约束更趋强化

高耗能、高污染、高消耗问题，加剧了能源、资源的供需矛盾和环境压力。要提高我国能源和资源利用效率，都要求先进机械装备的支撑，从而也必然会促进机械产品的结构调整和升级。国产百万千瓦超超临界燃煤机组,机组热效率高达４５％，烟气脱硫装置效率９５％以上，除尘效率高达９９．９％。行业瓶颈凸现呼唤转型

必须加快发展方式的转变，由过度依赖于消耗能源、资源和增加环境成本转向更多地依靠技术创新、管理创新和劳动者素质提高实现增长。

（3）指导思想和发展目标

以转变发展方式为主线，转型升级为方向，推进机械工业产业结构调整和优化，按照“主攻高端、创新驱动、强化基础、两化融合、绿色为先”的总体要求，提高发展质量和效益，实现全行业由大到强的战略目标。2.机械专业高素质人才培养体系的建设与实践

社会活动和生产过程呈现出学科交叉、综合集成、高速发展等特质，要求高校培养的学生应是复合型创新人才。重理论轻实践，学科与学科和专业与专业之间相互隔离，导致在教学理念、培养模式等方面难以适应工程内涵变化带来的调整。培养的学生因工程知识和能力结构单一、自主研学和创新能力弱而难以应对现代工程综合性、复杂性、多样性等的挑战。2.1研究的背景和理念（1）背景（2）建设理念提出“工程实现”的理念，并用其蕴含的“知识、能力、素质”一体化思想和“目标、过程、效果”一体化特质作为人才培养模式和体系建构的出发点与归属点。让每一位学生都经历“工程知识学习、工程实践训练、工程经验积累”过程中的循序渐进、逐步积淀、技术内化、能力养成，将学习知识、运用知识、创造知识有效结合起来。

增强通识教育，拓宽学科基础，提出机械类课程体系以“机械设计、机械制造、机电控制、生产保障”四条主线进行建设。依据“立足专业特点、面向工程实际、注重能力培养、提高综合素质”的实践教育思想和“理论与实践、基础与前沿、经典与现代、原理分解与综合设计、渐进习得与研究探索”相结合的实践项目设计原则，打破学科界限和课程壁垒，对全校机电类实验课程、实验项目进行重组与优化，强调多学科融合。创新始于问题、源于实践，创新能力的培养应该从低年级开始，应该贯穿教学全程、贯通课程内外。让“创新”成为学生在学习中的一种自觉习惯。以“工程实现”理念为指导，创建了以“四个体系、两个机制、一个基地为主要内容、体现“理论教学、实践教学、自主研学”三位一体的机械类人才培养新模式。2.2机械类人才培养新模式

（1）机械类课程体系梳理并重整专业知识领域、知识单元及知识点，根据循序渐进的认知规律，组建课程、课程群（系列课程），形成四主线、三层式（基本核心、拓展提高、专业应用与学科研讨）的机械类课程体系（见图2）。

经过系统建设，已形成国家、省、校三级精品课程体系和系列优秀教材，其中国家精品课程5门、江苏省级优秀课程8门、校级优秀系列课程（课程群）3个；编著出版“十二五”国家级规划教材3本，获全国精品教材1本，江苏省精品教材奖2本，教育部、江苏省网络教材、多媒体课件奖10余种。（2）实践教学体系

创建了含工程基础训练、学科基础训练和工程实现训练三层次，贯穿设计、制造、机电控制和生产保障技术四主线，多模块、开放式、研学型、适应“工程实现”能力培养需要的实践教学体系。基于多学科教师的教研或科研成果，创设实践课程、研学项目、创新项目和学科竞赛等载体，实现多学科知识学习与应用的融合。形成面向全校所有专业服务，满足机械等多个学科人才培养体系需求，知识结构科学，课程配置优化，形式多样，内涵丰富的实践教学体系。新开实验课程12门新开实验项目183个省级以上“大学生创新性实验项目”130项校级SRTP项目620项省级以上各类竞赛9项开出实践课程37门，其中国家精品课程5门；开出实验项目数约569个，其中综合性和设计性实验项目260个。注重实践教学的特点，形成了“引导”与“自主”结合、“学做融合”的实践课程教学模式（3）自主研学体系发挥多学科融合的优势，不断丰富形式多样、贯穿教学全程、贯通课程内外的基于自主研学的工程实践创新活动。持续建设各类创新性实验教学项目和积极组织承担各类形式多样的创新性活动或学科竞赛，突出创新能力培养的及早性、渐进性，活动形式的多样性、环境的国际性。

工程创新实践活动极大地激发了学生的参与意识、质疑求知意识，使所培养的学生呈现出鲜明的个性、良好的工程素质和创新意志。承担国家和省级“大学生创新性实验项目”130项，校级SRTP项目620项；主持、承担和参加国家和省级各类竞赛9项，校级以下11项；参加各类创新项目和活动的学生达4931人。我院学生在RoboCup机器人国际比赛、飞思卡尔智能车比赛、全国大学生机械创新设计大赛等国际国内大赛以及其它省级比赛中，获得包括国际大赛金奖在内的奖项共70余项，成绩显著。(4)教学质量保证体系研究制定并具体实施了一系列以教授领衔负责或参与为特征的教学运行与管理规章制度，构成了包括“计划、运行、控制、反馈、改进”在内的质量管理闭环。（5）创新激励机制

（6）企业界系统参与机制通过聘请企业界和领域专家参与培养方案制定与调整，参与监督与评价培养环节与效果，开设学科导论等，以及建立各种形式的产学研基地、联合实验室等方式，有效增强了人才培养对产业发展的适应性。打破学科和专业界限，在国内率先提出和实践了多学科融合的建设理念。形成学科支撑教学基地建设及发展，教学基地全方位服务于学科发展及其人才培养体系的良性循环机制。机电实践教学平台建设及发展教学体系融合实验资源融合师资队伍融合运行方式融合能力训练融合素质培养融合服务支撑多学科人才培养多学科及其建设（7）实践教学基地---机电综合工程训练中心

采取整体建设，资源共享，在国内率先建成了服务于学生“工程基础训练、学科基础训练和学科工程实现”的机电综合工程训练中心把学术先进的校内科研单位发展成进行专题拓展性实验教学的基地；与企业联合共建校内外实验室或实践教学基地，形成反映学科前沿和生产技术的的研学、产学资源集成。

大工程、大综合的研学、产学资源集成

组建了由机、电、控制等7个一级学科资深教授领衔实验室建设和指导教学（11个实验室，43个实验分室）、“教师+实验员+研究生助教+网络助教”多元协同的师资队伍。一、中心概述创建并实施了人员行政、学科归属不变，以教学活动和目标的实现统筹牵引的互动交融式管理模式，形成了服务多课程、多学科的实验室运行机制，实现了资源共享和学科发展与基地建设、实践教学的相互促进。基于多学科融合的实践教学平台的功能得到充分发挥，受益面宽，成效突出类型学校年受益学生数实践教学师资培训本校10000以上外校

1000以上培训师资200毕业生整体表现出综合素质高，工程适应性好，实践创新能力强，发展潜力大等特质，受到了用人单位的广泛欢迎。类型级别数量主持或承办竞赛项目省级以上9校级以下11承担创新项目项国家级113省级17校级620获竞赛奖省级以上70发表论文22专利7四、应用情况

3.机械类实验实训课程设计与实施3.1教学形式

层次化实验教学内容设计与实现操作3.2教学内容3.3实验教学方法与手段3.4实验实训课程设计案例（1）机电控制技术

1）实践教学设计思想落实在传授完整的知识体系的同时，突出培养学生机电系统实践能力和创新意识的课程教学宗旨。切实保证本课程的理论教学和实践教学在内容和时间上的优化衔接，遵从人类认知规律，构建科学、高效的机电控制技术课程实践教学框架。实践性教学环节不仅要保证理论教学知识点的及时理解和巩固，更重要的是要确保理论教学知识的拓展、应用能力的提高和创新意识的培养。

基于上述教学设计思想，机电控制技术课程实践教学框架：以“机电控制技术”理论教学（课堂讲授）为基础，“机电控制基础实验”（自主实验为主）同步配套；“机电综合实践”（课题型、研究性综合实践）加强深化；自主研学拓展延伸三个独立设置学分、内容又相互配套衔接。2）实验课程教学设计--机电控制基础实验以“机电控制技术”理论教学相关内容为主线，实验教学内容循序渐进，环环相扣，逐步深入；课内学时数16课时，0.5学分，与理论课程同步进行；实验性质也分为基本型、设计型、综合型和自主研究型逐步深入的四个等级；实验内容涵盖课程所有知识点，并由课内向课外延伸。教学设计3）实践课程教学设计--机电综合实践

教学设计的着眼点在于突出体现多样性、开放性、研究型的教学理念：多样性体现在实践内容以制造业自动化为背景，涉及制造业自动化的各个方面；开放性不仅体现在教学内容上，而且也体现在教学组织形式上；研究型体现在综合实践以课题型为特征，以及教学过程中主角的换位。教学设计采取开放式教学组织方式，学生自主选题，自行制定实践的功能和性能指标，并完成自主设计、分析、实现、总结与汇报等全部环节，教师仅启发式引导，目的在于培养学生的“五主动”——主动发现问题、主动提出问题、主动思考问题、主动探索问题、主动解决问题。开设课程教学辅助网站，将相关教学资料和课程组制作的网络课程等全部开放给学生，通过交互式讨论、练习和虚拟实验加深学生对课程内容的理解，弥补了书本信息静态表达的一些不足，取得了很好的效果。4）综合实践环节的拓展——课外科研训练要充分体现多样性、个性化、分层次的教学理念，仅靠机电综合实验室来承担机电综合实践的教学任务是不够的；将学生自主申报的SRTP研究课题进行开题确认，凡符合机电综合实践教学要求和目标的项目，均可作为“机电综合实践”环节教学内容；将学院中有代表性的机电类研究室或学科实验室作为机电综合实验室的一个有机组成部分，一起来承担机电综合实践教学任务，研究室的老师同时也承担机电综合实践教学任务。项目主题与课程知识单元联系学习策略可用资源新机电系统创意设计与功能开发机电系统工程概论自主研学机电综合实验室、课程学习网站、教师科研实验室、企业生产现场节能环保装置设计机电能量转换研究机电系统传动力学电机原理及其特性自主研学机电综合实验室、课程学习网站、教师科研实验室、企业生产现场可编程控制高级功能及其应用探索电器及可编程逻辑控制自主研学机电综合实验室、课程学习网站、教师科研实验室、企业生产现场自然能(风能、太阳能)研究与利用电机原理及其特性交直流调速控制系统自主研学机电综合实验室、课程学习网站、教师科研实验室、企业生产现场机器人研究与设计制作电机原理及其特性位置伺服控制系统自主研学机电综合实验室、课程学习网站、教师科研实验室、企业生产现场已开设的课外科研训练项目（部分）5）实践教学效果独立开设实验课程，避免了实验仅作为课堂教学的附属而不被重视的状况，保证了教学设计思想的贯彻执行。将重要的课程实验从课程中独立出来、单独考核的策略，引起了学生对实验的高度重视，对学生能力培养起到了保障作用。分层次、开放式的教学设计，确保有效、系统地培养学生解决实际问题的能力。在实验教学安排上，有“必做实验”和“选做实验”，有“验证实验”，也有“综合型”、“设计型”实验，同时安排有“自主研究创新性”实验。“机电综合实践”的教学效果更加显著，在开放式的模拟工业现场的实践环境中以自主形式完成学习，学生受益匪浅。4.机械类典型实验实训教学案例剖析1）工业系统认识实践工业系统认识实践课程通过构建以机、电工业为主体，融材料、能源、化工等多工业系统为一体的认知平台，面向全校学生开设。课程坚持大工程、大系统和全过程的实践教学观念。在教学模式上，采取系统的展板解说、模型和实物示范、现场制造过程展示、机电综合拆装或搭建实践、虚拟仿真拓展等多形式、多手段、立体化的教学优化组合。教授领衔开展工业系统Seminar专题研讨和工业系统认识实践报告。表1工业系统认识实践课程的教学体系课程教学模块及内容学时课程性质工业系统认识实践（1）（1）展板解说；模型和实物示范；制造过程现场演示讲解等；（2）工业系统（或生产）及拓展视频、虚拟仿真实践；（3）工业系统专题Seminar（包括机电系统概述、工业及可持续发展等内容）；（4）工业系统认识实践报告（工业系统有关问题的分析报告或解决方案）。16必修工业系统认识实践（2）（1）简易机器人拆装（2）慧鱼创意实践（3）计算机拆装（4）初级CAD/CAM实践（可选修其中一个模块内容）16选修（强调课内外自主研学）1）工业系统认识实践工业系统认识实践课程知识体系作为国家精品课程建设项目，已初步探索出知识与系统结合、知识与实用结合、知识与趣味结合、教授团队主持工程素质教育新模式，在大学生工程技术教育中起到奠基性的作用，取得了期望的教学效果。4.机械类典型实验实训教学案例剖析2）实验公选课《机电一体化与机器人技术》——32课时，为参加课外科技活动和参加校级机器人竞赛的学生提供方便的途径并奠定基础课程依托校企共建的“机电综合创新实验分室”，以90套Parallax智能车作为实验平台（其中30台BASICStampⅡ系统，60台为51内核的AT89S52系统，有CCD面阵传感器、颜色传感器、红外传感器、数字编码器和指南针传感器共5种传感器可供选用），对学生进行机械结构传感器技术信号获取与处理电气驱动运动控制等相关知识及技能的训练。32课时实验，包括基本型、提高型和综合型实验项目。课内完成实验系统和传感器的基本使用，以及部分综合性实验的编程和调试；课外要求学生参加校级学科竞赛，同时比赛成绩为课程成绩的一部分。4.机械类典型实验实训教学案例剖析2）公选型实验课《机电一体化与机器人技术》——课内外一体化教学过程框图这是一门典型的集机电技术与产品开发技术等为一体、基于项目研究的开放式课程。本课程展现给学生的全新学习模式，赋予学生的广阔自主空间，使之自开设伊始，就受到了学生的普遍欢迎。2012年，共有来自18个院（系）的600多人选修本课程，后组建了近200个项目小组，研制开发了近200件作品。4.机械类典型实验实训教学案例剖析（3）机械设计与制造综合实践

体现了机械设计、工程材料及成形、几何精度设计、计算机图形学、三维几何建模、机械制造工程学、计算机辅助设计与制造等课程与知识的综合应用。学生结合具体的应用场合，自定实践项目与功能目标，自拟实现原理与方案，完成传动机构设计与机械结构设计、零件加工与配件备置、实物样机装配与调试、技术资料整理与实践报告撰写等工作。4.机械类典型实验实训教学案例剖析1）教学工作组及其任务确定综合实践任务与要求——题目与实践内容（包括：设计、制造、装配、调试、演示，实物与报告【图纸，实物照片】），进度安排等；准备分阶段专题报告内容与教案：设计（选题，方案）、制图、制造（工艺）、技术报告撰写；对学生进行分阶段指导与工作审核;制定综合考核办法（考核要点与权重）：图纸，报告，实物（制作质量与功能实现情况），现场问辩，成员实际完成工作和贡献大小对学生进行综合考核和成绩评定.4.机械类典型实验实训教学案例剖析2）时间安排2010-2011学年第2学期：前16周每周半天集中，后2周全部用于进行本综合实践（时间、地点等安排待定）第18周的后2~3天安排综合实践作品统一展示和答辩与考核（时间、地点等安排待定）组成若干考核小组，通过现场问辩进行考核和成绩评定4.机械类典型实验实训教学案例剖析3）选题主题类：自主确定应用场合及功能目标门（开闭）机构（单自由度）（设计、制造、装配、调试、演示）基本要求：门页与门框之间为非简单铰链直接连接，利用机构支撑门页并引导其开闭；动力源：电机，汽缸，液压缸，人力；应用场合不限，门尺寸自定。类型：楼宇自动移门、转门；庭院栅栏门、伸缩门；交通工具（如汽车、火车、地铁、飞机、轮船等）的出入门、货仓门、隔断门；船闸门；等。