美国大学“机械原理”教学的近观

扫街 · 发表于 2010-1-19 12:59:46

本帖最后由扫街于 2010-1-19 13:05 编辑

机械原理（Theory of Machines and Mechanisms）在国外还有多种叫法，如Kinematics and Dynamics of Machinery（Machine Systems），Mechanism Design，Mechanism Analysis and Synthesis，Mechanics of Machines等。
大学本科教学中的“机械原理”，就其理论体系当属机构学的范畴，而同时又有着很强的工程实践性，以机械运动学设计为标志。作为机械系统概念设计的一个不可或缺的环节，它是机械工程（创新）设计中的一项重要组成部分。
机构学是机械设计及理论学科的重要分支，也是设计、开发各种制造装备和机电一体化产品的创新源头和重要的科学基础。机构学历史悠久，是典型的传统学科，但不断涌现新生长点。尤其近年来，在应用的驱动下，机构学基础理论发生了巨大的变化，进入了现代机构学时代，传统机构设计理念也在不断受到新的冲击，此势必影响“机械原理”教育本身。正是在这样的大背景下，国内外的“机械原理”课程教学也都在发生显著的变化，希望通过教学改革适应新形势的需要。机械工程教育处于翘首地位的美国大学无疑是关注的重中之重。
基于国际互联网提供的最新资料，本文对全美机械工程排名靠前的13所大学（麻省理工学院、斯坦福大学、加州理工学院、密执根大学、伊利诺伊大学厄本那香槟分校、佐治亚理工学院、马里兰大学帕克分校、明尼苏达大学、加州大学伯克利分校、普渡大学、威斯康星大学麦迪逊分校、加州大学尔湾分校、康涅狄格大学）加上加拿大的两所传统强校（麦吉尔大学和多伦多大学）总共15所高校的“机械原理”教学进行了一次“粗线条”的调研。
美国机械工程师学会（ASME）在1995年曾组织美国近百所高等学校和多家公司进行了机械工程专业培养目标和课程安排的大规模讨论，最后得出：要按照“产品实现过程”的需要来改革专业培养计划和课程内容、体系，以增强美国产品在全球的竞争力。因此，美国机械原理课程的总体教学目标也都是围绕“如何使学生掌握先进的产品实现过程（机械原理主要关注机械产品的概念设计阶段）所必须具备的知识和技能”来进行。
正是基于这样的背景，“机械原理”与“机械设计”“合并”之风在美国大学相当盛行，学科排名靠前的6所高校无一例外地选择了此种模式。分析其原因，在于合并后的课程更容易实现基于工程实践的项目设计训练，而这些好的大学可以提供给学生一流的软硬件条件。例如，2009年麻省理工学院的“机械原理”课程项目设计题目为“高精度小型铣床的设计”。
先进的教学理念是保证上述教学目标实现的前提。通过调研发现，中美在“机械原理”教学理念上还存在着不小的差异。主要体现在以下几个方面：
强调教学在高水平人才培养中的核心位置
在此理念下，导引了当前美国大学普遍采用的优选优教的人才培养模式。例如，对教师和学生都采用淘汰制，越是名校淘汰率越高。
强调通过实践手段掌握和运用知识
在知识传授过程中，并非对每个知识点都讲授得很细，而是注重宏观，整体上是粗线条的。通过课堂小测验、课堂讨论等多种实践手段来达到掌握知识的目的。更为突出的是，所调研的美国大学几乎都将Project作为必需的考核手段。这一点从课时设置和最后考核指标上也可以看出：以加州大学伯克利分校为例，理论与实践课时比为3∶1；考核份额为2∶1。综合性项目的设置与实施无疑是工程类学生运用知识、提高能力的最佳手段。通过Group形式的实施，使培养学生的团队合作精神落到了实处。国内随着独生子女特点的学生日益增多，培养团队意识的困难将变得越来越大。
教学形式与内容
美国知名大学更注重内容上的“新”，而我们似乎更注重将改革的重点放在教学形式的“新”（如多样化的授课手段）上。一个比较深的感触是麻省理工学院在其“机械原理”教学过程中将柔性机构（Flexure Mechanism）作为一个专题来讲授讨论，并将其最新的研究成果（自行开发的相关教育软件和教具）用于教学中。其课件也是逐年更新的，但很简朴。相反，近年来我们的课件做得越来越漂亮，辅之以动画、仿真、录像视频等，但效果似乎并非比预期的好。在授课内容的更新上，国内教学总体保守，授课大多以成熟的内容为主。而且，一个课件做好后，可能年年不变、一劳永逸，课程设计的题目也往往如此。
实际上如前所述，机构学的理论与工程内涵都较之10年前有了很大的变化。尽管在一定程度上，课程内容无论新与旧对学生而言可能都是新的知识，但两种不同的选择肯定会导致不同的效果，毕竟新知识与新设计更容易激发学生的兴趣。在创新教育主导着大学教育的今天，传授新知识和设计新机构变得越来越重要。
师资
淘汰制固然是北美名校培养人才的重要环节，但并非是其核心和关键所在。保证教学高质量的根本环节还在于高素质的教师队伍。
美国高校“机械原理”的师资一般都由主讲教师、工程师和学生助教（TA）组成，每个人的职责不同。这方面与目前国内情况没有太大差别。但在实施过程中差异便体现了出来。譬如，美国大学助教的作用非常大，几乎要参与与教学活动相关的一切环节，如全盘跟班听课、答疑、修改作业、组织项目实施甚至讲课等。由于工程师的参与，使得课程的实践环节得到保证。以麻省理工学院为例，它的加工车间在工作日是全天对学生开放的，在有着丰富工程经验的工程师指导下，学生都能自行完成项目所需的加工环节。
当然，主讲教师在教学队伍中的核心作用不可动摇。例如，“机械原理”这样的核心课程一般都由有经验的教授（或副教授）来担当主讲，从而保证了教学的高质量。近距离听课留下最深刻的体验是：（1）无论教学经历的长短，教师在授课过程中都显得从容淡定，既无新教师的紧张慌乱，也无卖弄知识的哗众取宠。（2）主讲教师的视野很宽，基本上可以做到通晓古今，明晰中外。要做到这两点，对其个人素质的要求是极高的。这里教师的职业意识很强，有着高度的责任心；同时，教师在科研过程中积累的丰富实践经验和案例示范保证了对科学前沿的引导能力。
教材与教学内容的选择
传统教学中，教材无疑在其中占有十分重要的地位，基本上由教材指导教学。现代教学中，随着知识更新的日益加快，教学手段的不断丰富，尤其互联网的普及和国际化的大潮涌进，教材与教学内容有了更多的选择。
在“机械原理”教学中，学科排名中越靠前的大学对教材的依赖性越小，甚至不指定任何参考教材。以麻省理工学院为例，其课程教学并没有指定教材。由于任课教师有自己精深的研究方向，在科研领域甚至工业界积累了丰富的经验，很自然地被用在了教学中。教学工作与科研工作的融合度很高，多数讲课内容都结合教师的研究专长以专题讲座的形式进行。在这样的教学方式中，已成定论的知识及细节传授并不重要（很少见到推导公式），重要的是教师基于丰富科研实践的切身体会和高水平研究成果的案例示范（麻省理工学院将柔性机构、微电子机械系统等最前沿的设计理论都搬到了讲台上，甚至要求学生进行专题讨论）。对于学生来说，所接受的视野与阅读教材时刻板单调的感受完全不同，是充满个性化的生动活泼的启迪。
但这并不意味着美国大学教材的质量差。正好相反，就教材的种类与数量，虽只有寥寥不足10种，远不如国内教材丰富，但其内容与质量都堪称上乘，多数版本更成为国际范围内广泛使用的经典教材.
教学方法与手段
美国大学在“机械原理”上的教学方法与手段并非比国内有多“高明”或者花样繁多的多媒体教学，有时正好相反，但一定注重实用性。例如，美国大学中鲜有国内那样精美甚至商业化的“机械原理”课件，相反，其课件显得异常朴实，有些教师的主要讲课手段仍采用最原始的板书。其特殊性突出体现在
（1）国际互联网的运用。无线网络使得师生都能在第一时间找到所需的资源。因为，课件所能提供给学生的信息远远不如网络资源丰富。（2）教与学之间的高度互动性。学生若有问题可以随时打断教师讲课的进程，教师会当即给出解释。
教学评估体系
在对教学过程与效果的认知方面：美国知名大学显得更成熟些，相对也更全面复杂。就课程设置而言，课程门类相对国内较少，但由于每门课程的培养训练环节都能面面俱到，全方位的考核加之较高的课程淘汰率，使学生能够获得真正意义上的学术训练洗礼。例如，鉴于课堂时间有限，教师往往给学生布置大量的课外阅读作业供学生自学，再次上课时再通过小测验的形式予以考核。还有，做作业和做项目也需要占用学生更多的课外时间。算下来，每个学生在课外用在“机械原理”课程上的时间要比课内多。这样，一门课学下来学生从始至终都不会有任何轻松的感觉，但换来的是对本门课程真正意义的掌握和应用。
反思
通过近距离在美国知名大学听“机械原理”课，犹然产生一种耳目全新的感觉。需要反思的是很多新的尝试所带来的效果如何，是否达到了预期的目标？这里有以下几点问题值得反思。
（1）学时设置：充足的学时是保障教学质量的前提。当然，这与总体思路有关。以麻省理工学院为例，机械工程类本科生选32门课程即可，远远少于国内的选课数量（通过学分折算），但每门课的学时数较多，基本遍历整个学期（包括实践环节算起来不少于90个学时），而国内多数大学“机械原理”等课程的学时被压缩得很厉害。在知识点没有减少的情况下，肯定会影响教学的效果。还有理论与实践学时的配比问题，从以上的讨论中不难找到未来“机械原理”改革的出路。
（2）一个难题：北美大学“机械原理”课程一般上课的方式为小班课（30～40人左右），而国内基本都采用大班授课方式。因此，先进的教学理念很难实现，譬如美国式的师生互动，广泛采用的讨论课等在实施过程中都面临较大困难。

heibaijiyi · 发表于 2010-1-19 14:47:33

“北美大学“机械原理”课程一般上课的方式为小班课（30～40人左右）”
其实这才是关键，切身体会。

yusixway · 发表于 2010-1-19 15:33:32

以麻省理工学院为例，它的加工车间在工作日是全天对学生开放的，在有着丰富工程经验的工程师指导下，学生都能自行完成项目所需的加工环节。
这个在国内就没见过！

过街蛤蟆 · 发表于 2010-1-19 15:41:23

在国内就没有见过MIT机械系的，假如有，大家一定说：NB！

ch_j1985 · 发表于 2010-1-19 21:14:50

实践是学习最好的导师！

dililafter · 发表于 2010-1-19 21:41:25

那又怎么样，我国有我国的国情，完全照搬美国的模式肯定行不通

见习生小王 · 发表于 2010-1-20 11:51:08

那又怎么样，我国有我国的国情，完全照搬美国的模式肯定行不通
% b3 I+ n# G/ F, p6 Qdililafter 发表于 2010-1-19 21:41

难道我国国情已经到了不需要变革的水平了吗？

hyczt · 发表于 2010-1-20 11:54:26

老外的高校制度还是比较先进的

0123456789a · 发表于 2010-1-20 12:29:26

各有各的路线

leftwall · 发表于 2010-1-20 16:08:15

刚找到麻省理工的开放课程
机械专业的还没翻译

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