美國大學“機械原理”教學的近觀

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發表于 2010-1-19 12:59:46 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由掃街于 2010-1-19 13:05 編輯

機械原理（Theory of Machines and Mechanisms）在國外還有多種叫法，如Kinematics and Dynamics of Machinery（Machine Systems），Mechanism Design，Mechanism Analysis and Synthesis，Mechanics of Machines等。
大學本科教學中的“機械原理”，就其理論體系當屬機構學的范疇，而同時又有著很強的工程實踐性，以機械運動學設計為標志。作為機械系統概念設計的一個不可或缺的環節，它是機械工程（創新）設計中的一項重要組成部分。
機構學是機械設計及理論學科的重要分支，也是設計、開發各種制造裝備和機電一體化產品的創新源頭和重要的科學基礎。機構學歷史悠久，是典型的傳統學科，但不斷涌現新生長點。尤其近年來，在應用的驅動下，機構學基礎理論發生了巨大的變化，進入了現代機構學時代，傳統機構設計理念也在不斷受到新的沖擊，此勢必影響“機械原理”教育本身。正是在這樣的大背景下，國內外的“機械原理”課程教學也都在發生顯著的變化，希望通過教學改革適應新形勢的需要。機械工程教育處于翹首地位的美國大學無疑是關注的重中之重。
基于國際互聯網提供的最新資料，本文對全美機械工程排名靠前的13所大學（麻省理工學院、斯坦福大學、加州理工學院、密執根大學、伊利諾伊大學厄本那香檳分校、佐治亞理工學院、馬里蘭大學帕克分校、明尼蘇達大學、加州大學伯克利分校、普渡大學、威斯康星大學麥迪遜分校、加州大學爾灣分校、康涅狄格大學）加上加拿大的兩所傳統強校（麥吉爾大學和多倫多大學）總共15所高校的“機械原理”教學進行了一次“粗線條”的調研。
美國機械工程師學會（ASME）在1995年曾組織美國近百所高等學校和多家公司進行了機械工程專業培養目標和課程安排的大規模討論，最后得出：要按照“產品實現過程”的需要來改革專業培養計劃和課程內容、體系，以增強美國產品在全球的競爭力。因此，美國機械原理課程的總體教學目標也都是圍繞“如何使學生掌握先進的產品實現過程（機械原理主要關注機械產品的概念設計階段）所必須具備的知識和技能”來進行。
正是基于這樣的背景，“機械原理”與“機械設計”“合并”之風在美國大學相當盛行，學科排名靠前的6所高校無一例外地選擇了此種模式。分析其原因，在于合并后的課程更容易實現基于工程實踐的項目設計訓練，而這些好的大學可以提供給學生一流的軟硬件條件。例如，2009年麻省理工學院的“機械原理”課程項目設計題目為“高精度小型銑床的設計”。
先進的教學理念是保證上述教學目標實現的前提。通過調研發現，中美在“機械原理”教學理念上還存在著不小的差異。主要體現在以下幾個方面：
強調教學在高水平人才培養中的核心位置
在此理念下，導引了當前美國大學普遍采用的優選優教的人才培養模式。例如，對教師和學生都采用淘汰制，越是名校淘汰率越高。
強調通過實踐手段掌握和運用知識
在知識傳授過程中，并非對每個知識點都講授得很細，而是注重宏觀，整體上是粗線條的。通過課堂小測驗、課堂討論等多種實踐手段來達到掌握知識的目的。更為突出的是，所調研的美國大學幾乎都將Project作為必需的考核手段。這一點從課時設置和最后考核指標上也可以看出：以加州大學伯克利分校為例，理論與實踐課時比為3∶1；考核份額為2∶1。綜合性項目的設置與實施無疑是工程類學生運用知識、提高能力的最佳手段。通過Group形式的實施，使培養學生的團隊合作精神落到了實處。國內隨著獨生子女特點的學生日益增多，培養團隊意識的困難將變得越來越大。
教學形式與內容
美國知名大學更注重內容上的“新”，而我們似乎更注重將改革的重點放在教學形式的“新”（如多樣化的授課手段）上。一個比較深的感觸是麻省理工學院在其“機械原理”教學過程中將柔性機構（Flexure Mechanism）作為一個專題來講授討論，并將其最新的研究成果（自行開發的相關教育軟件和教具）用于教學中。其課件也是逐年更新的，但很簡樸。相反，近年來我們的課件做得越來越漂亮，輔之以動畫、仿真、錄像視頻等，但效果似乎并非比預期的好。在授課內容的更新上，國內教學總體保守，授課大多以成熟的內容為主。而且，一個課件做好后，可能年年不變、一勞永逸，課程設計的題目也往往如此。
實際上如前所述，機構學的理論與工程內涵都較之10年前有了很大的變化。盡管在一定程度上，課程內容無論新與舊對學生而言可能都是新的知識，但兩種不同的選擇肯定會導致不同的效果，畢竟新知識與新設計更容易激發學生的興趣。在創新教育主導著大學教育的今天，傳授新知識和設計新機構變得越來越重要。
師資
淘汰制固然是北美名校培養人才的重要環節，但并非是其核心和關鍵所在。保證教學高質量的根本環節還在于高素質的教師隊伍。
美國高?！皺C械原理”的師資一般都由主講教師、工程師和學生助教（TA）組成，每個人的職責不同。這方面與目前國內情況沒有太大差別。但在實施過程中差異便體現了出來。譬如，美國大學助教的作用非常大，幾乎要參與與教學活動相關的一切環節，如全盤跟班聽課、答疑、修改作業、組織項目實施甚至講課等。由于工程師的參與，使得課程的實踐環節得到保證。以麻省理工學院為例，它的加工車間在工作日是全天對學生開放的，在有著豐富工程經驗的工程師指導下，學生都能自行完成項目所需的加工環節。
當然，主講教師在教學隊伍中的核心作用不可動搖。例如，“機械原理”這樣的核心課程一般都由有經驗的教授（或副教授）來擔當主講，從而保證了教學的高質量。近距離聽課留下最深刻的體驗是：（1）無論教學經歷的長短，教師在授課過程中都顯得從容淡定，既無新教師的緊張慌亂，也無賣弄知識的嘩眾取寵。（2）主講教師的視野很寬，基本上可以做到通曉古今，明晰中外。要做到這兩點，對其個人素質的要求是極高的。這里教師的職業意識很強，有著高度的責任心；同時，教師在科研過程中積累的豐富實踐經驗和案例示范保證了對科學前沿的引導能力。
教材與教學內容的選擇
傳統教學中，教材無疑在其中占有十分重要的地位，基本上由教材指導教學?，F代教學中，隨著知識更新的日益加快，教學手段的不斷豐富，尤其互聯網的普及和國際化的大潮涌進，教材與教學內容有了更多的選擇。
在“機械原理”教學中，學科排名中越靠前的大學對教材的依賴性越小，甚至不指定任何參考教材。以麻省理工學院為例，其課程教學并沒有指定教材。由于任課教師有自己精深的研究方向，在科研領域甚至工業界積累了豐富的經驗，很自然地被用在了教學中。教學工作與科研工作的融合度很高，多數講課內容都結合教師的研究專長以專題講座的形式進行。在這樣的教學方式中，已成定論的知識及細節傳授并不重要（很少見到推導公式），重要的是教師基于豐富科研實踐的切身體會和高水平研究成果的案例示范（麻省理工學院將柔性機構、微電子機械系統等最前沿的設計理論都搬到了講臺上，甚至要求學生進行專題討論）。對于學生來說，所接受的視野與閱讀教材時刻板單調的感受完全不同，是充滿個性化的生動活潑的啟迪。
但這并不意味著美國大學教材的質量差。正好相反，就教材的種類與數量，雖只有寥寥不足10種，遠不如國內教材豐富，但其內容與質量都堪稱上乘，多數版本更成為國際范圍內廣泛使用的經典教材.
教學方法與手段
美國大學在“機械原理”上的教學方法與手段并非比國內有多“高明”或者花樣繁多的多媒體教學，有時正好相反，但一定注重實用性。例如，美國大學中鮮有國內那樣精美甚至商業化的“機械原理”課件，相反，其課件顯得異常樸實，有些教師的主要講課手段仍采用最原始的板書。其特殊性突出體現在
（1）國際互聯網的運用。無線網絡使得師生都能在第一時間找到所需的資源。因為，課件所能提供給學生的信息遠遠不如網絡資源豐富。（2）教與學之間的高度互動性。學生若有問題可以隨時打斷教師講課的進程，教師會當即給出解釋。
教學評估體系
在對教學過程與效果的認知方面：美國知名大學顯得更成熟些，相對也更全面復雜。就課程設置而言，課程門類相對國內較少，但由于每門課程的培養訓練環節都能面面俱到，全方位的考核加之較高的課程淘汰率，使學生能夠獲得真正意義上的學術訓練洗禮。例如，鑒于課堂時間有限，教師往往給學生布置大量的課外閱讀作業供學生自學，再次上課時再通過小測驗的形式予以考核。還有，做作業和做項目也需要占用學生更多的課外時間。算下來，每個學生在課外用在“機械原理”課程上的時間要比課內多。這樣，一門課學下來學生從始至終都不會有任何輕松的感覺，但換來的是對本門課程真正意義的掌握和應用。
反思
通過近距離在美國知名大學聽“機械原理”課，猶然產生一種耳目全新的感覺。需要反思的是很多新的嘗試所帶來的效果如何，是否達到了預期的目標？這里有以下幾點問題值得反思。
（1）學時設置：充足的學時是保障教學質量的前提。當然，這與總體思路有關。以麻省理工學院為例，機械工程類本科生選32門課程即可，遠遠少于國內的選課數量（通過學分折算），但每門課的學時數較多，基本遍歷整個學期（包括實踐環節算起來不少于90個學時），而國內多數大學“機械原理”等課程的學時被壓縮得很厲害。在知識點沒有減少的情況下，肯定會影響教學的效果。還有理論與實踐學時的配比問題，從以上的討論中不難找到未來“機械原理”改革的出路。
（2）一個難題：北美大學“機械原理”課程一般上課的方式為小班課（30～40人左右），而國內基本都采用大班授課方式。因此，先進的教學理念很難實現，譬如美國式的師生互動，廣泛采用的討論課等在實施過程中都面臨較大困難。