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机械工程教学实验中心

作者:       发布: 2014-12-27      来源:

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1、中心概况
  北京航空航天大学机械工程实验教学中心依托于北航机械工程及自动化学院,中心发展历史可以追溯到北航50年代建校初期创建的发动机工艺实验室、飞机工艺实验室和机电实验室;80年代在机电实验室的基础上扩展的机械原理实验室、机械零件实验室和机电专业实验室等;90年代建立的计算机辅助设计实验中心,2000年以来整合了个专业实验室,统一合并建立了机械工程实验教学中心。
  中心先后得到世界银行贷款、“211工程”、“985工程”等多项学科建设项目的经费支持,现拥有两个校级实验教学中心,7个专业综合实验室,1个本研创新平台。实验设备总价值5500余万元,专用实验用房面积5500平米。
  中心承担面向全校机械类和近机类本科和研究生的实验教学,共计20个专业45门课程实验,实验项目达144个,其中全校基础实验学生数8000人次/年;机械类专业实验学生数400人次/年;本研一体化科技创新学生数3000人次/年;研究生实验学生数800人次/年。
  中心采用主任1人和各分中心、专业实验室主任共9人共同管理模式,相关实验项目规划设计教师36人,其中:教授24人,副高职12人;在职实验教师21人,并聘用博士后参与实验教学;在职实验技术人员9人,负责实验设备、软件运行的维护。

2、实验教学理念与改革思路
  机械工程实验教学中心注重科研促进实验教学,树立“增加感性认识、锻炼实践能力、培养工程素质、激发创新思维”的实验教学理念,服务于“强化基础,突出实践,重在素质,面向创新”的本科教学培养方针,构建了基础性、提高性、研究创新性三个层次的多元化、递进式、与理论教学既有机结合又相对独立的实验教学体系实验教学体系。
  机械工程实验教学中心的实验教学定位为:以本科为主,兼顾研究生,突出航空航天特色。拓宽专业领域,注重学科交叉,立足工程素质教育,加强创新能力培养,突出综合性、整体性、系统性思维和动手能力的训练,培养高素质工程创新和研究创新型人才。

  自评上示范中心以来的改革重点包括以下内容:

1) 完善实验中心有效的队伍建设机制
实验中心创建了“学科责任教授挂帅,与岗位职责挂钩,理论课程教师、实验课程教师和科研岗位教师共同承担”的有效的实验教学队伍建设机制。聘请院学术委员会作为实验中心教学指导委员会,指导中心的建设,把握中心的发展方向,建立责任教授—骨干教师—实验技术人员的教学队伍。每门实验课程都由教授担任责任教师,负责指导实验教学。骨干教师承担具体实验教学,而实验技术人员负责实验设备的使用和维护。
2) 落实多层次的实验教学体系的实施
优化整合系列实验课程教学内容,提高基础验证性实验教学质量,更新实验教学内容、改进实验教学方法;增设设计性,综合性和创新性实验项目;大力开展学生课内外实践创新活动,使理论教学与实验教学紧密结合,创新思想贯穿始终。构建了基础性、提高性、研究创新性三个层次的多元化、递进式、与理论教学既有机结合又相对独立的实验教学新体系,为创新人才的培养奠定基础。
3 ) 建设一流的实验教学环境
2010年北航沙河校区投入使用,使得实验中心面积增加1400平米,达到5500平米,设备总价值投资近5467万。
目前中心拥有两个校级实验教学中心,7个专业综合实验室,1个本研创新平台,形成了基础性、提高性及创新性实验框架,为研究型学院的高水平人才培养构建了一流的实验教学环境。承担全校20个专业、45门本科生课程的实验教学任务,每学年学生人数达到11590人,年累计课内外实验学时达18万多学时。

3、实验教学体系与成果

  本实验中心以“增加感性认识、锻炼实践能力、培养工程素质、激发创新思维”为理念,构建了如图1所示的基础性、提高性、创新性三个层次的多元化、递进式、与理论教学既有机结合又相对独立的实验教学体系,实验课程与理论课程的比例达到了各门课程教学大纲要求比例。

图1 实验教学体系结构图

  实验教学平台由基础性、提高性、创新性实验组成,其结构如图2所示。

图2机械工程实验教学结构图

其中:
1) 基础性实验:主要由校级公共基础实验和机械工程专业基础课程实验构成,包括认知、演示及验证类实验。
2) 提高性实验:主要由机械工程各专业综合实验构成,包括设计及综合类实验。
3) 创新性实验:依托本研一体化学生科技创新平台开展,包括:冯如杯和挑战杯科技创新活动、SRTP大学生科研训练计划、机械设计创新和机器人大赛平台等。

  在实验教学中,充分利用北航的科研优势,以学科为依托,科研与教学互动,及时地将科研成果引进实验教学,更新、丰富实验教学内容。在讲授基础知识的同时,向学生传授科学研究的方法,并且将与本科生课程相关的最新的科研成果及时介绍给学生,开阔学生的视野,激励学生的学习热情,激发学生的创新思维。如:将机器人技术的最新科研成果“机器蛇”、“模块化机器人”引入机电控制工程的项目实践教学,使得机电控制工程的实验教学内容得到了提升。同时,也有部分学生的创新型科技实践成果演变成国家级重点科研项目,如机器鱼发展成为国防基础重点项目,形成了科学研究与教学实验体系建设之间的良性互动。
  为提高学生的学习自主性,在基础教学中,将实验内容分为基础性实验项目和自主性实验项目。基础实验是根据课程的教学大纲设置的,学生必须按照教师要求完成。而自主性实验项目,是教师给出项目应该包含的知识点,由学生自己设计完成。
  中心以全国大学生挑战杯大赛、大学生SRTP科技活动训练、北航“冯如杯”学生科技创新项目、各级机械设计创新大赛、机器人大赛等为依托,机械工程实验中心目前已建立了本研一体化学生科技创新平台,鼓励学生开展科技创新活动。目前,每年有近3000多名本科学生和研究生在该平台开展科技创新实践活动。近五年来学生完成的作品200余项,选题紧密结合科研、工程和社会应用,获奖作品近80项。
  科研与教学相辅相承是北航机械工程实验教学的一大特色。在机电控制工程课程实践教学中,把科研项目成果“仿生机器蛇”作为学生项目研发的对象,从机构的构型设计、运动原理分析、控制系统设计都要求学生亲自动手实践,最后通过机器人爬行比赛决定各组的成绩,由于项目对象的趣味性,激发了学生主动学习的兴趣,深受学生好评。在学生科技实践活动中,许多指导教师都直接进行了指导,学生科技实践题目大约半数以上来源于科研项目,其余项目主要由学生自主提出。有些学生自主提出的项目最终成长为正式的科研项目,例如机器鱼、车底检查机器人、模块化机器人等。

4、 中心队伍建设、管理和培训
  机械工程实验中心队伍结构组分为教师队伍和实验技术人员队伍,其中:
1) 教师队伍:每年在职实验教师21人,同时聘用博士后担任辅导实验理论教学工作和辅导实验课堂教学。相关实验项目规划设计教师36人,其中:教授24人,副高职12人。
2) 实验技术人员队伍:在职实验技术人员10人,平均年龄44岁,负责实验设备、软件运行的维护和主讲实验课程。
中心的组织管理采用由1人中心主任和各分中心、专业实验室主任共9人共同管理模式。中心主任及各分中心、专业实验室主任均有多年的教学和管理经验,且学术水平高。

  中心注重师资队伍的培训,2011年6月一名博士后作为实验教师留校,有4名实验技术人员在职攻读硕士学位,有5名教师在职攻读博士学位。近3年有3人出国进修,有10多人到国内兄弟院校进行交流、培训,还有多人参加全国性教学研讨会、外语培训等。
中心核心队伍(中心领导、各实验室主任、实验管理人员)相对稳定,实验教学人员和理论教学人员每学期召开一次教学研讨会,交流经验,共同提高。大多数理论教学人员还直接负责或参与机械工程教学实验中心的建设与教学。

5、管理模式及设备环境
  教学实验示范中心包括两个校级公共基础教学实验中心、五个院级课程实验平台、七个专业实验室、一个本研一体化创新平台。
  中心管理采用主任负责制,中心主任1人和各分中心、专业实验室主任共9人的管理实验模式,这9人既管理各分中心和实验室的负责人,同时也是实验项目的设计者。统筹调配和使用实验教学资源。在人力资源、实验资源、课程资源等方面实现了优质资源开放共享的目标。实验教学中心的管理模式如图3所示。

图3 组织机构图

  实验教学指导委员会对中心工作进行指导、规划、监督、评估。课程责任教授负责组织实验教学大纲制订、实验项目规划。
  实验中心主任、副主任管理负责制订实验室建设规划,新建实验项目的建设和实施,中心人员管理及考核,实验教学管理与质量监控,实验教学研究与改革。
  实验室实验教师、课程主讲教师负责主讲和指导实验教学。实验技术人员进行设备的维护和实验前的准备工作。
  中心制订了仪器设备管理制度,由实验中心主任具体负责中心资源的统筹调配、共享等。设备完好率和使用率均达到国内高校的先进水平(98%)。
  机械工程实验教学中心的资源除了满足正常实验教学大纲要求外,同时中心资源实现共享,发挥较好的社会效应。例如利用实验室资源CAD中心与国家制造业信息化3D办公室合作,每年举办2期高研班;与北京市数码大方科技有限公司联合办CAXA大学,承担软件培训;与北京精雕科技有限公司联合办学,培养学生CAD和 CAM动手能力。
  国防先进制造研究应用中心利用机械制造及自动化实验室资源,面向国防系统包括兵器、电子、电传、企业等,举办多期高效数控加工应用技术研讨班,同时与北京市企业促进会、工业联合会合作举办面向职业技术学院的教师、企业的技术人员等的技术培训班,取得了较好的社会效应。
  2010年秋季,北航沙河校区投入教学,其中沙河校区机械原理和机械设计实验室,实验室面积1000平米,设备投资190万,CAD教学实验室(作为信息平台实验中心一部分),面积400平米,设备(计算机硬件、网络和软件)200万。极大的改善了教学环境,提高了教学质量。
  中心教师参加实验课程的管理软件和各类课件的开发,已用于教学,丰富了教学内容,提高了教学管理水平。在保证教学质量的基础上,采用归类集中,有效地提高了实验场地和机位的使用率。

6、示范及辐射作用
  中心自主研制的设备和仪器不仅用于本校的实验课程,也为其它工科院校研制或指导实验室建设,例如《连杆机构创新实验》,《机械系统动态检测实验平台》,流体与液压实验平台等。流体与液压实验平台目前处于国内领先地位的实验设备,为国内知名学校指导研制了多台。
  中心的两门实验课程在2010年被选为学院路共同体校际选修课,为本校和其它院校提高高水平的教学。
  自2009年以来,中心的教师参加了多个国际和国内教学研讨会,发表教改论文,将中心的改革理念、课程设置、教学成果等进行宣传,与同行进行交流。

7、中心特色

  总结本中心多年来的实践教学经验和改革理念,有以下几方面的特色:
1) 以科学主导工程,以工程选择科学
通过“科学主导工程”,建立机械工程设计、检测、制造、信息等四个方面系列化实验课程,培养学生基础知识学习和系统认识能力;通过“工程选择科学”,形成支撑基础课程的核心实验、专业的案例实验和选修课程的综合项目实验等突出特色,培养学生的创新性和综合实践能力。
2) 科研提高教学,教学促进科研
中心自主研制的科研设备,不仅用于科研,在本科专业课程实验、专业综合实验和毕业设计等的实践教学中发挥了重要作用。本科生毕业设计以专业设备的实验内容作为毕设题目,进行相关的实验,分析实验数据,测试设备的稳定性。
3)本研一体化创新实验
以本科实验教学为主、本科-研究生相结合、突出航空航天特色的实验中心建设目标,中心建立了部分本研一体实验室,具有现进的硬件环境和专用软件,开展了本研一体实验教学研究,开设了相关的实验课程,扩展了专业综合实验的内容,提高了实验教学水平。