《机械工程导论》-第4章

４.１国内高校机械工程课程体系设置４.１.１机械设计原理与方法机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是:在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有:最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。下一页返回４.１国内高校机械工程课程体系设置随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累，以及计算机的推广应用，优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。机械设计原理与方法知识领域及对应主要课程见表４－１。４.１.２机械制造工程原理与技术制造是把原材料加工成适用的产品制作，或将原材料加工成器物。机械制造业指从事各种动力机械、起重运输机械、农业机械、冶金矿山机械、化工机械、纺织机械、机床、工具、仪器、仪表及其他机械设备等生产的行业。机械制造业为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一，是国家重要的支柱产业。上一页下一页返回４.１国内高校机械工程课程体系设置机械制造工程原理与技术知识领域围绕机械制造工程系统各环节设置相关课程和实践教学环节，保证学生能有效地掌握各子知识领域所涉及的基本理论、基础知识和基本技能，具备机械制造工程师所需要的基本专业素质。机械制造工程原理与技术知识领域及对应主要课程有工程材料与应用、材料成形技术基础、机械制造技术基础、制造装备和过程自动化技术、数控技术与数控加工编程、特种加工等，见表４－２。４.１.３机械系统中的传动与控制自动化是指机器设备、系统或过程(生产、管理过程)在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。上一页下一页返回４.１国内高校机械工程课程体系设置自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。机械系统中的传动与控制知识领域及对应课程见表４－３。４.１.４计算机应用技术计算机应用技术是指可以利用任何一种计算机软件的任何功能，为可能用到它的人提供一定的服务。或对各种软件的各种功能/设置属性有足够的了解和应用能力，可以在各种情况下驾驭计算机高效率地为不同人群提供他们所需要的各种服务。上一页下一页返回４.１国内高校机械工程课程体系设置总之，凡是利用计算机软件为需要或者可能需要它的人提供服务的技术就是计算机应用技术。计算机应用技术知识领域及对应课程见表４－４。４.１.５热流体热现象与流动几乎是每一个工程领域中都会碰到的物理现象，如各种耗能设备的散热、动力机械设备中的热工转换效率、液压机械中的流体静压传动等。热流体知识领域及对应课程见表４－５。上一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置４.２.１美国机械工程课程体系设置(以加州理工学院为例)１.机械工程专业的本科课程体系概况该专业设置的目标是为院校、企业以及政府部门中关系到流体、固体、热力以及机械系统的高级职位培养合格的毕业生，尤其为希望进一步深造的学生做好铺垫，同时也为进入快速发展的跨学科领域的学生提供专业实习训练。为了实现以上目标，学院核心课程将个人在某一个选定的机械工程专业的经验与能力和基础科学与工程科学的强大背景结合起来。该课程设置有利于维持课堂讲座，实验室与设计经验的平衡，并将重点放在问题构想与快速发展的生物与计算机科学上。重要的是，该领域同时特别注意问题提出、设计、最优化、制造以及新系统、新设备的控制过程。下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置最近几十年的技术发展，已经表明跨学科工程与科学的重要性，因此，机械工程出现了新兴技术学科，而这些新兴领域则是基于对物理系统的基本行为的理解之上的；但其研究重点却是在传统学科的交叉处。新兴的学科有微米级或纳米级机械系统，模仿与合成，集成复杂分布式系统和生物工程。许多领域均涉及机械工程，这些领域包括汽车、航空航天、材料处理与研究、产生功率、消费性产品、机器人与自动化、半导体处理、测试仪器等。机械工程同时也是生物工程、环境与航空工程、金融、商务管理等职业的起点。第一学年末，学院为了选择机械工程专业的学生尽可能与其所选专业相关的导师，同时导师与学生共同制订以下三个学年的课程计划。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置除了学院规定的物理学、数学、人文学科外，这些课程计划还必须包括一年的应用与计算机数学和额外的课程，具体要求如下:学生虽对机械工程感兴趣，但却想上一些知识面更广的课程，而这些超出了规定所允许的，那么这些学生可以选择工程与应用科学选项。２.机械工程专业课程内容加州理工学院机械工程专业的学生在学年末积分必须高于１.９的后两年才能进入专业领域的学习。其中:主修课程有应用数学、静力学与动力学、热力学、流体力学、材料力学、工程材料学、机械工程、工程设计入门、材料科学、微分方程、概率论与数理统计、光学、量子力学和统计物理。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置选修单元数必须达到４８６个，其中必须包括以上课程，并获得通过分数。选择跨学科课题的或对某专业领域感兴趣的学生，在第三第四学年选修时，应该咨询学生的顾问。这些专业领域包括微米级或纳米级机械系统、模拟与合成、集成复杂分布式计算机系统、运动学、动力学、流体力学、固体力学、机械系统、控制系统、工程设计、热系统、能源系统、燃烧或生物工程。机械工程专业典型课程表见表４－６３.机械工程专业课程设置模块通过对美国加州理工学院机械工程专业四年的课程总表分析，我们可以发现该专业的课程主要是有下述几部分组成:上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置１)核心课程选择机械工程专业的学生第一年也是一头扎进核心课程。核心课程分别是:５个学期的数学、５个学期的物理、２个学期的化学、１个学期的生物、１个学期新生自由选修课程、２个学期的实验室入门课程、２个学期的科学写作、１２学期的人文课程、３学期体育课程。加州理工学院的课程设置十分强调为各专业的学生提供渊博的知识面，其目的是使学生能适应更加广泛的工作需要。２)主修课程第一学年的大学生和第二学年的大学生学习基本相同的基础和综合系列课程。学生完成每学年的课程要求方可进入下一个学年的学习。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置主修的课程有:工程学(６ｕｎｉｔｓ)、应用数学法(３６ｕｎｉｔｓ)、计算数学和应用、计算机科学、电气工程、物理学课程(９ｕｎｉｔｓ)、指定的机械工程课程、控制动力系统课程(９０ｕｎｉｔｓ)、机械工程实验室(１８.２７ｕｎｉｔｓ)、序列具体工程(２７ｕｎｉｔｓ)、设计项目(９.１８ｕｎｉｔｓ)。主修课程总量为１８６.１９５ｕｎｉｔｓ。３)辅修课程机械工程专业作为工程类的一种，其辅修专业可选的是:航天工程学(５４ｕｎｉｔｓ)、结构力学(５４ｕｎｉｔｓ)、控制动力系统(５７ｕｎｉｔｓ)。硕士学位论文通过对加州理工学院机械工程专业的课程统计，具体课程数目见表４－７。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置从加州理工学院的应用物理学专业和机械工程专业的课程设置来看，可以从课程类型和课程安排时间两个不同的角度来分析。从课程类型的角度来说:核心课程集中分布在第一、第二学年；专业必修课程和专业选修课程分布在第二、第三、第四学年；限选课程和自由选修课程分布在第二、第三、第四学年。从时间安排的角度来分说:第一学年该校所有的专业都是安排的核心课程；第二学年安排的课程是核心课程和部分专业课程；第三学年安排的是主修课程和辅修课程；第四年安排的是主修课程和辅修课程。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置４.２.２德国机械工程课程体系设置实践性和应用人才培养是德国应用技术大学人才培养的突出特色，也是其核心的比较优势，这体现在专业设置、课程设置、实习安排、师资配备和考核等多个方面。１.应用性导向的专业设置德国应用技术大学的专业设置集中在农林/食品营养、工程学、经济/经济法、社会服务、行政管理与司法服务、计算机技术、卫生护理、设计、通信传媒等领域，具有显著的应用性特色和职业导向。这样的专业设置与应用技术大学明确的人才培养目标相一致，并与综合性大学注重基础性和学术性的专业设置形成良好的互补。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置希望学习基础性知识或从事学术研究的学生通常选择进入综合性大学学习，而那些希望从事某类具体专业性工作的学生则可以选择专业对口的应用技术大学。这样一种专业设置也在很大程度上保障了毕业生的就业竞争力。对于德国人而言，应用技术大学和综合性大学只有学校定位和专业设置的不同，并不存在地位高下或生源质量的显著差别。２.课程设置和授课方式强调实践性应用技术大学开设大量的实践性课程，即使是理论性课程的学习也注重联系实践，特别强调学生应用理论知识解决实际问题的能力。例如，应用技术大学很多实践性课程采用项目化教学方式。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置这类课程要求学生在学习期间完成至少一个项目作业，所需的时间一般为一学期，由５~８名学生组成项目小组共同完成。项目选题可以由教师指导完成，也可由学生自选，还有很多时候是由学校的合作企业提出的。企业往往通过这种方式来解决生产实践中的一些具体问题，并会安排专业人员与教师一起指导学生完成此类项目课题。３.实习是必修环节应用技术大学在培养方案中安排有一至两个学期的“实习学期”，期间学生需要进入企业或其他工作单位学习，积累实践经验。这种实习不是走马观花地简单体验，而是真正深入与所学专业密切相关的生产和经营实践，参与实际工作，并且多数学生会在实习过程中明确未来毕业设计的主题。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置为了让企业的实践教学和大学的理论教学有机结合起来，学校会与企业负责培训的人员进行专门的沟通和协调。很多学校都设有专门办公室，帮助学生联系实习岗位。近年来，部分应用技术大学还开设了“双元制”专业，在这些专业中，申请者首先要经过企业的筛选，获得企业提供的培训合同和资助，方有可能被大学录取。双元制专业的理论教学部分在大学完成，实践教学部分则在企业完成，分别为期３个月，轮流进行。４.师资配备注重实际工作经验德国应用技术大学对于教师的实践性工作经验有特殊要求。除了拥有博士学位，担任应用技术大学教授还必须拥有相关领域不少于五年的实践工作经历，并且其中至少有三年是学术性机构之外的工作。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置除了常任的全职教授外，德国应用技术大学还大量聘任来自企业界或其他社会单位的具有丰富实践经验的特聘教师来校兼职授课，在很多学校，兼职特聘教师的数量甚至远远多于全职教授的数量。５.毕业设计与实践应用密接结合德国应用技术大学有６０％~７０％的学生选择在实习企业中完成自己的毕业设计或毕业论文，选题通常就是该企业中的一项具体工作或一个具体问题的解决方案，具有非常强的实践性。在完成毕业设计的过程中，除了得到大学方面相关教授的指导之外，学生还会得到企业相关领域专家、技术人员的辅导。而在毕业设计或毕业论文的评价过程中，是否有助于解决实际问题也成为一项重要的评定标准。上一页下一页返回４.２国外高校机械工程课程体系设置斯图加特大学的机械工程专业有５个大的专业方向，即机械工程、微机