1、第八講 學生的能力結構與 機械工程教育知識體系吳昌林18.1 科學、技術、工程與能力培養科學、技術與工程 科學、技術、工程是三種不同的社會活動。 內容和性質不同：科學活動是以發現為核心的活動；技術是以發明為核心的活動；工程則是以建造為核心的活 動。 成果有不同的性質和類型：科學活動成果的主要形式是科學理論， 它是全人類的共同財富，是“公有的知識”；技術活動成果的主要形式是發明、專利、技 術訣竅（當然也可能是技術文獻和論文），它往往在一定時間內是“私有的知識”，是有 “產權”的知識；工程活動成果的主要形式是物質產品、物質設施，一般來說，它是直接 的物質財富本身。 主體或主角不同：科學活動的主角是

2、科學家；技術活動的主角是發明家；工程活動的主角是工程師、企業家和工人。28.1 科學、技術、工程與能力培養科學、技術與工程 科學、技術、工程是三種不同的社會活動。 不同的任務、對象和思維方式。科學活動的任務是研究和發現帶有普遍意義的“一般規律”， 技術活動的任務是發明帶有普遍性和可重復性的“特殊方法”，任何科學規律和技術方法都必須具有“可重復性”，而不能是一次性的；工程活動就不是這樣，任何工程項 目（請注意，這里說的是“工程項目”，而不是“工程科學”或“工程技術”）都是一次性 的、個體性的。 這三種活動在制度安排和評價標準、社會生活中的地位和作用等方面也存在明顯區別。 強調科學、技術、工程有本

3、質區別，絕不意味著否定它們之間存在密切聯系，相反，這是認識和把握三者轉化關系的邏輯前提。 科學與技術不是一回事。把科學與技術混為一談是不明智的，甚 至在某種程度上會造成巨大的損失。38.1 科學、技術、工程與能力培養科學、技術與工程 一個只有知識體系沒有技術經驗的人能設計出可靠的產品嗎？如神舟飛船，科學早在 20 世紀60年代就已證明它的可行性了，為什么時隔多年才飛上天？就 是因為技術沒跟上。 從對社會的觀察中可以注意到，人們已經開始注意科學與技術的區別。如在人 才招聘會上你會看到，很多公司打出了高薪聘請高級技術工人的牌子，提供的報酬甚 至超過博士的一般薪資水平。 在工程實踐中，不區分科學與技

4、術是十分有害的。以軟件行業為例，不少人知道 印度的軟件業發展得很好，軟件出口量遠遠超過中國。在印度，高中學歷者是軟件開發的主力軍， 或稱之為“軟件藍領”；若接觸到他們的程序代碼，可以看到其具有驚人的一致性。軟件開發是有章可循的，屬于技術的范疇。48.1 科學、技術、工程與能力培養工程教育的核心是能力的培養 質量標準覆蓋教育的投入、過程、產出三個方面。近年來 質量標準越來越注重學習產出，基于產出（ outcome based ）的評價已被國際教育評估 界普遍接受為保證質量的標準。之所以如此，是因為其體現了工程界對人才需求的 價值取向。 世界范圍內知名度最高的國際本科工程教育認證協議華盛頓協議的

5、簽約成員的專業教育認證標準中均采用“能力導向”（ capability oriented ）的基本原則，即將接受教育人員的素質和潛在技能表現作為衡量教學成果的評價依據，并以促 進其持續改進作為認證的最終目標。 其認證的工程專業教育的畢 業生應具有的能力，作了如下的描述：在對系統、工藝和機器進行設計、操作和改進過程中，能夠應用數學、科學和工程技術的知識，發現并解決復雜的工程問題，了解并解 決環境、經濟和社會中與工程相關的問題；具有進行有效向通的能力；能夠接受終身學習并促進職業發展；遵守工程職業道德準則；能在當今社會發揮作用。58.2 學生能力結構應具備的認識（1）社會責任感和對職業道德的認識 機

6、械專業為機械工業培養和輸送高素質專門人才的專業，所培養的學生必須具有強烈的社會責任感和歷史使命感，要有為推進國家機械科學技術進步獻身的精神和研發國家經濟建設所需機電裝備而不懈追求的決心。高尚的職業 道德是機械工程技術從業人員必備的。（2）對現代社會問題的認識，進而對機械工程之于世界和社會的影晌的認識 20世紀機械工程的成就改變了人類的生產和生活方式：各種載運工具（特別是 飛機、汽車、航天飛機、宇宙飛船等）的成功使地球上點與點之間的運動時空大幅縮短；電影機、電視機、 DVD 等的出現使人類的日常生活變得豐富多彩；于機、掌上計算 機的出現和普及使人們的通信、聯系更加迅捷；78.2 學生能力結構應具

7、備的認識（2）對現代社會問題的認識，進而對機械工程之于世界和社會的影晌的認識 數控機床、加工中心的出現和發展把人類的機械制造技術提升到一個 新的水平；原子、量子理論把機械工程的研究引進微觀世界，促使微、納米技術和微機電系統（MEMS ）的研究成為機械工程領域的熱點。應具備的能力 （1）對數學、自然科學和機械工程科學知識的應用能力1）力學系列知識：理論力學、材料力學、流體力學、熱力學等。2 ）設計系列知識：工程圖學、工程材料、機械原理、機械設計 3）機械制造知識：制造技術基礎、先進制造技術等。4）機電傳動與測控系列知識：電工學、電子學、控制理論、機電測控、計算機及其應用。88.2 學生能力結構應

8、具備的能力（3）設計機械系統、部件和過程的能力 或者能夠設計一個完整的機械部件，要求能正確設計部件的每一個零件（包括材料的選擇、結構設計、強度校核、剛度驗算和相關的工藝內容設計），合理選擇標準件。 學生還應具有機械制造過程的設計能力，例如編制機械系統或部件的制造工藝、裝配工藝、維修工藝、加工或管理軟件等。（4）對機械工程問題進行系統表達、建立模型、分析求解和論證的能力 首先應能用機械工程的語言 機械工程圖準確表達自己的設計理念； 其次是能應用力學、機械 學和工程材料相關知識表達機械設計方案中的結構強度、運動學和動力學等問題； 再次，應能應用電工、電子、計算機、信息和控制等方面知識表達機電傳動、

9、測控的相關問題。108.2 學生能力結構應具備的能力（4）對機械工程問題進行系統表達、建立模型、分析求解和論證的能力 總之，應能將實際的機械工程原型抽象為對應的物理模型和數學模型，通過計算機仿真求解，論證機械設計方案的合理性、結構強度的可靠性等。（5）在機械工程實踐中初步掌握并使用各種技術、技能和現代化工程工具的能力 能初步掌握機械制造過程中的各種主要加工設備，如數 控機床、加工中心等； 能應用機械設計制造相關的計算機軟、硬件能力，例如能熟練應 用 CAD 、CAM 、CAPP 、CAE 等常用的計算機軟件； 能正確使用機械零部件加工精度與制造質量的監測與檢測儀器設備等。118.2 學生能力結

10、構應具備的能力（6）在多學科團隊中發揮作用的能力和較強的人際交流能力 機械系統或機電產品往往是多學科、多技術交叉融合的產物。一個現代機械系統的設計與制造，必須由多學科專業的技術人才齊心協力、共同合作才能完成。機械工程專業畢業的技術人才要想在 團隊中發揮自己的技術特長，必須善于同合作共事的人員溝通思想、交流體會，雙方 相互取長補短、幫助和促進，才能確保任務的順利完成。 人際交流能力是人應具有的一種重要能力，是一個人的核心競爭力之一。能夠清晰地表達自己 的意愿、準確地理解對方的思想和情感、及時地采取恰如其分的應對措施，是社會活 動成功的關鍵。 溝通有兩種方式：一是情感溝通，修煉意識；二是藝術溝通，

11、培養技巧。溝通能力 與親和力和表達力緊密相關。 對于情感向通，誠信是前提和基礎，寬容和理解是橋梁；128.2 學生能力結構應具備的能力（7）終身教育意識和繼續學習的能力 終身學習的能力有藏于寬厚的理論知識基礎和很強的自學能力。在校學習期間，應刻苦鉆研基礎理論，牢固掌握基礎知識，為今后的發展構筑寬厚的基礎平臺；通 過創新意識和創新能力的培養，不斷激勵自己的求知欲望和學習興趣，培養自學能 力，以便畢業后利用各種有利條件，根據所從事的工作不斷汲取知識、提高能力，更好 地達到完善自我和適應社會的目的。 終身學習已成為個人適應當代社會生活的必要條件。終身學習無論對個人、組 織或社會，均是必要的。終身學習

12、不能理解為每天不間斷學習，而是：具備終身學 習的思想意識；延續到每個人一生的整個過程；不斷汲取新知識、掌握新技術的 思想追求，具備與時俱進的學習能力；增加主動學習的興趣，增強渴求知識的欲望；要學會學習，掌握正確自學方法。148.3 機械工程教育知識體系知識體系的結構 機械工程學科的本科生教育知識體系，簡稱 MEEK （mechanical engineering education knowledge ）。 機械工程教育知識體系劃分成四個層次：知識領域（ knowledge area ）、子知識領 域（ sub knowledge area ）、知識單元（ unit ）和知識點（ topic

13、）。一個知識領域可以分解 為若干個子知識領域，一個子知識領域又可以分為若干個知識單元，一個知識單元又 包含若干個知識點。 知識體系的最高層是知識領域，它代表了特定的學科子域，通常被認為是本科生 應該了解的機械工程知識體系的一個重要部分。知識領域是用于組織、分類和描述 軟件工程知識體系的高級結構元素。 知識體系的第二層是子知識領域，表示知識領 域中獨立的主題模塊。知識體系的第三層是知識單元，表示子知識領域中獨立的主題模塊。知識體系的最底層是知識點。158.3 機械工程教育知識體系知識體系的結構 （2）知識單元的時間單位2 ）除了傳統的面授形式外，還存在其他行之有效的授課形式。在有些授課形式中，學

14、時的概念可能難以使用。盡管如此，本教 程采用的時間規格至少可以看做是一個可比較的度量標準。例如，一個5 學時的知 識單元所花費的教學時間大致是 1學時知識單元的 5 倍，這與授課形式元關。3）為每個知識單元分配的學時數僅指講課的時間，不包括教師的備課時間或 學生課外所花的時間。4）一個知識單元所列的學時數表示使一個學生達到該知識單元學習目標所需的最少講課學時。在實施時，一個知識單元可以花費更多的講課學時。（3）課程的學時數 我國的高等教育基本上都采用學期制，一門課程在一個學期內以每周相同的學時數進行講解。178.3 機械工程教育知識體系專業教育組成 教學計劃對各組成部分都應給予相應的 重視和保

15、證充分的時間，符合專業的教育目標。 教學計劃必須使學生能為工程實踐 作好準備，其畢業設計及論文應能綜合運用所學到的知識和技能，結合使用工程標準、考慮各種實際制約因素。（1）專業教育知識體系1）數學類和自然科學類 二者總計最少為 450 學時，其中每類不少于 200 學時。 數學類包括線性代數、微積分、微分方程、概率和數理統計、計算方法等不同課程。 自然科學類的科目包括物理和化學，也可包括生命科學基礎等。2）工程科學類、工程設計與實踐類 三者總計最少 1 000 學時，其中每類應不少于 350 學時。188.3 機械工程教育知識體系專業教育組成2）工程科學類、工程設計與實踐類 工程科學類的科目以

16、數學和基礎科學為基礎，但是它本身則更多地傳授創造性應用方面的知識。一般應包括數學或數值技術、模擬、仿真和試驗方法的應用，側重于發現并解決實際的工程問題。 這些科目包括理論力學、材料力學、流體力學、傳熱 學、熱力學、電工電子學、控制理論和材料科學基礎及其他相關學科的科目。 工程設計與實踐類綜合了數學、基礎科學、工程科學、零部件與系統，以及滿足特殊需要的加工工藝等方面的專業課程，主要包括機械設計基礎、機械制造基礎、機電 控制、工程測試及信息處理等相關科目與實踐性教學環節。 工程設計與實踐是一種具有創造性、重復性并通常無止境的過程，它要受到標準或法律的約束，并不同程度 取決于規范。 198.3 機械

17、工程教育知識體系專業教育組成3）人文和社會科學類 人文和社會科學類不少于 400 學時，可用于學習哲學、政治經濟學、法律、社會學、環境、歷史、文學藝術、人類學、外語、管理學、工程經濟學和情報交流等方面的知 識。（2）學科類別專業教育組成舉例1）數學類和自然科學類 數學類（296 學時）： 微積分 (176 學時）；線性代數（ 40 學時）；復變與積分（ 40 學時）；概率與數理統計(40 學時） 自然科學類(180 學時）： 大學物理（ 56 學時）；物理實驗 1（32 學時）；物理實驗 2 （24 學時）；工程化學（40 學時）。 208.3 機械工程教育知識體系專業教育組成2）工程科學類、

18、工程設計與實踐類工程科學類（ 404 學時）： 材料力學（ 56 學時）；理論力學（ 60 學時）；力學實驗 （16 學時）；流體力學（ 32 學時）；傳熱學（ 32 學時）；熱力學（ 32 學時）；電路理論（ 40 學時）；模擬電子技術（ 40 學時）；數字電子技術（ 32 學時）；工程控制基礎（ 40 學時）；工程材料學（ 32 學時）工程設計與實踐類（ 640 學時）： 工程制圖 (104 學時）；機械設計（ 56 學時hCAD 技術（ 40 學時）；三維機械構形設計（ 32 學時）；計算機圖形學（ 32學時）；機械原理（ 56 學時）；互換性測量技術基礎（40 學時）；機械制造技術基礎

19、（ 40 學時）；機械制造技術基礎 2(40 學時）；機電傳動控制（ 64 學時）；工程測試技術（ 40 學時）；數控技術（ 48 學時）；液壓與氣壓傳動（ 48 學 時） 218.3 機械工程教育知識體系專業教育組成3）人文和社會科學人文與社會科學（ 505 學時）： 毛澤東思想概論（ 36 學時）；鄧小平理論（ 70 學時）；馬列主義政治經濟學原理（36 學時）；馬列主義哲學原理（ 54 學時）；思想道德修養（ 51 學時）；法律基礎（ 34 學時）；英語（224 學時）。 機械工程教育知識領域 機械工程教育知識體系包含： 機械設計原理與方法（ principle and method o

20、f mechanical design);機械制造工程原理與技術（ mechanical manufacturing engineering principle and technology) ;計算機輔助技術（ computer application technology);機械系統中的傳動和控制（ transmission and control in mechanical engineering) ;熱流體（ heat and fluid ） 228.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域基本要求：3）掌握用計算機、儀器和徒手繪圖的方法，具有閱讀工程圖樣、進行形體設計和表達工程設

21、計思想的能力。4）掌握機械設計與分析的基本理論、基本知識和基本技能，具有初步擬訂機構 及其系統運動方案、分析和設計機構的能力。5）掌握機械零部件設計的基本理論、基本知識、基本技能，具有初步設計機械 傳動裝置和簡單機械的能力。6 ）掌握工程材料的基本特性和應用范圍，能合理選用材料。7 ）掌握互換性基本理論，能進行零部件的精度設計。8）掌握力學基本理論與方法，并能用其處理機械工程實際問題。9 ）初步掌握基本的機械實驗技術，具有制訂實驗方案、進行實驗、分析和解釋 數據的能力。10）了解機電系統總體設計的全過程及各部分設計協作的重要性及其方法。248.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域知識單

22、元： 機械設計原理與方法知識領域的子知識領域： 機械制圖重點培養學 生對機械零部件結構構思和表達能力； 理論力學、材料力學為設計模型、設計準則 的建立和分析、求解提供基本理論與方法； 工程材料學幫助學生掌握常用工程材料的 性能及選用原則、改性工藝及成形工藝； 互換性原理與測量技術幫助學生從工作要 求、工藝性、經濟性等角度進行常用零件配合、形狀與位置公差及表面粗糙度的選用 和標注，并了解有關檢驗與測量方法； 機械原理和機械設計有助于學生了解機械系統 方案、機構與機械傳動、機械零部件與結構等設計的基本理論與方法，培養創新意識 與創新設計能力等。258.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域（

23、2）機械制造工程原理與技術知識領域 它擔負著為國民經濟和國防建設提供各類技術裝備的重任，具有產業 關聯度高、帶動能力強和技術含量高等特點，是一個國家和地區工業化水平與經濟科 技總體實力的標志，是國際競爭力的重要表現，是新技術革命條件下實現技術創新的 主要舞臺和科學技術的基本載體。機械主要包括三種： 一是重大先進的基礎機械，即制造裝備的裝備工業“母 機”，包括數控機床、柔性制造系統、計算機集成制造系統、工業機器人、大規模集成電 路及電子制造設備等的通用設備和專用設備； 二是重要的機械、電子基礎件，主要是 先進的液壓、氣功、軸承、密封、模具、刀具、微電子和電力電子器件、儀器儀表及自動 化控制系統等

24、；278.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域（2）機械制造工程原理與技術知識領域 三是國民經濟各部門的科學技術、軍工生產所需的重大成套技術裝 備，如礦山開采設備，大型火電、水電、核電站的成套設備，石油、化工的成套設備，金 屬冶煉軋制成套設備，航空、鐵路、公路及航海等部門所需的先進交通運輸設備，污 水、垃圾及大型煙道氣凈化處理等所需的大型環保設備，江河治理、隧道挖掘、輸水輸 氣等大型工程所需的成套設備，工程機械成套設備等。 機械制造是利用現代機械設備、工具與技術，將原材料或半成品經加工、處理和 裝配后形成最終產品的過程，包括毛坯制作、零件加工、檢驗、裝配、包裝、運輸等環節。 機械制造專

25、業以制造工程理論、技術和工程實踐教育為核心，圍繞機械制造工程 系統各環節系統設置相關課程，保證學生具有扎實的基礎知識和系統的專業知識；288.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域 根據機械制造系統涉及的工程領域和發展，設置選修課程、實踐教學環節，以拓寬學生 視野和思路，加強學生實踐和創新能力、理論與實踐解決問題的能力培養，使知識與 能力和素質培養有機結合。同時，各高校根據所涉及的地區和行業產業特點設置特 色的選修課程，為學生的個性化培養提供條件。基本要求：1）掌握金屬的液態成形、金屬的塑性成形、材料的焊接成形、粉末冶金成形等 工藝理論和方法。2）掌握橡膠、陶瓷等非金屬材料及復合材料成形

26、的原理和方法。 3）掌握金屬材料的性能與熱處理原理與方法等。4）掌握金屬切削的基本原理，有能力選擇刀具及切削參數。5）了解機械制造裝備的用途、工藝范圍，有能力進行通用機床傳動鏈分析與調 整。298.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域基本要求：6）掌握機械加工精度的理論和分析研究機械加工精度和加工質量的原理與方法，有能力進行加工精度和加工質量的分析和控制、工程實際過程中加工誤差的產生 原因以及消除和控制措施的分析和研究。7）掌握機械制圖的基本技能和畫法幾何原理、互換性原理和公差配合及形位 公差標準體系，具有較強的空間結構設計能力和空間結構想象力。8）掌握機械制造工藝的基本理論，有能力制

27、訂機械加工工藝規程和裝配工藝 規程；具有研究、分析加工誤差的原因，解決加工精度問題的能力。9 ）掌握機械工藝裝備的工作原理和設計方法，具有簡單機床、夾具、量具、工 具、刀具等的設計能力。308.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域知識單元： 機械制造工程與技術知識體系由機械制造知識領域中的專業技術基礎知識、專業技術知識和特色制造專業技術知識三個層次的知識領域構成。 包括畫法幾何與機 械制圖、互換性原理與技術測量、材料性能與熱處理技術、材料的熱成形制造技術、液 壓傳動與氣壓傳動原理與技術、機械制造技術基礎、機械制造裝備和過程自動化技 術、先進制造技術、數控技術與數控加工編程、特色制造技術

28、與模式 10 個子知識領域 以及相應的知識單元。（3）計算機輔助技術知識領域 計算機輔助技術（ computer aided technologies ）是以計算機作為工具，將計算機相關于段用于產品的設計、制造和測試等過程，輔助人們在特定應 用領域內完成任務的理論、方法和技術，包括計算機輔助設計、計算機輔助制造等。318.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域（3）計算機輔助技術知識領域 1997年國家教委印發的加強工科非計算機專業計算機基礎教學工作的幾點意見的通知中要求工科 非計算機基礎教學應該達到如下基本目標：使學生掌握計算機軟、硬件技術的基本知識，培養學生在本專業及相關領域中的計算

29、機應用開發能力，培養學生利用計算機分 析問題、解決問題的意識，提高學生的計算機文化素質。基本要求 1）掌握計算機應用的基本知識和基本原理。2）掌握數據庫的原理和應用。3）掌握微處理器的原理及匯編語言的應用。4）掌握并具有一種高級程序語言設計的能力。5）掌握計算機輔助設計基礎理論知識，有能力運用一種計算機輔助設計工具 進行三維建模和二維工程圖設計。328.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域基本要求 6）掌握計算機輔助制造的基本理論與方法，計算機輔助工藝過程設計的基本 理論與方法，了解計算機輔助設計與制造（ CAD/CAM ）集成技術。7）掌握計算機輔助工程的基本理論和方法，有能力使用一

30、種計算機輔助工程 工具進行工程分析。知識單元： 計算機輔助技術知識領域由計算機基礎和計算機輔助技術兩個層次的知識板塊構成，包括計算機應用基礎、微機原理、數據庫原理與應用、高級語言程序設計、計算 機繪圖、計算機輔助設計與制造技術、計算機輔助工程 （CAE）7 個子知識領域和 43 個知識單元。338.3 機械工程教育知識體系機械工程教育知識領域（4）機械系統中的傳動與控制知識領域 自動化技術不僅可以減輕人的體力勞動、提高設備的工效，而且可以獲得手工元法實現的效率和精度。 用于電子元件貼裝的高速貼片機的貼片速度可達到 2 000 片min ，某型號五軸聯動鏡削加工中心不僅主軸轉速可達 45 000 r/min ，而且重復定位精度可達1 .m 。 自動化已經由自動控制、自動調節、自動補償和自動辨識等逐漸發展到自學習、自組織、自維護和自修復等更高的水平。 隨著自動化技術在機械工程 領域的普遍應用，機械系統已經發展成為機、電、液、光一體化系統。 在機械系統中， 控制單元是系