李 峥，索双富，阎绍泽，卢文秀，王天杨，秦朝烨，褚福磊

（清华大学机械工程系，北京 100084）

0 引言

2016 年国家提出了“新工科”建设，2017 年2 月的“复旦共识”［1］、4 月的“天大行动”［2］、6 月的“北京指南”［3］，其建设的3 个阶段为下一步高校组织开展新工科建设指明了目标与方向。为此，各高校积极开展了新工科建设，如上海交通大学面向新工科实践教育体系的建立［4］；西安交通大学针对两个国家级实验教学中心开展建设与实践［5］；中国矿业大学采用分层次培养的教学理念开展新工科建设［6］；北京航空航天大学展开系统性的新工科建设与改革措施［7］；华中科技大学通过实施“五个一”工程建设新工科［8］。总之，各高校在国家政策的引导下并结合自身学科特点开展了卓有成效的新工科建设，为人才培养、学科建设奠定了基础［9-11］。

我校转子动力学课题组以新工科建设为背景，以学校人才培养体系为基本理念，结合机械系培养机械工程拔尖创新型人才为思路［12］，以实验教学为基础的实验课程越来越受到了重视，其所占分数的比例已达到总成绩的40%，为了以工程为导向的实验教学改革，结合我校本科生特点，通过和教学负责人的多次探讨与研究，以国家级一流课程机械原理的知识点为基础，进行了实验的规划和设计，开设了转子系列平衡实验教学，从基础理论验证到工程实验拓展，实验体系的建设，丰富了实验教学内容，为新工科的教学实验改革迈出了新的步伐。以科技创新为支撑的人才培养模式，不仅为大机械类基础实验教学提供了有效的保障，更为培养创新型人才提供了支撑。

1 转子平衡平台建设思路

实验课程改革从“以教为主”向“项目贯穿式实践”转变，力求体现课程内容的丰富性、先进性和授课方式的创新性、新颖性，通过改革打通了课堂教学无法解决的问题，结合热点技术和相关项目的支撑，贯穿式的教学改革增强了对本科生能力的培养，同时更加促进理论知识与热点相结合，引导学生自主创新的能力，提高学生发现问题、解决问题的能力。课程的改革，不仅要培养出创新型人才，也为更好参与创新发展这一战略任务，为创建一流大学贡献力量。在保证理论知识教授的同时，借鉴国内外同行的改革成果，结合我校研究生自身发展需要，对课程进行一系列改革，改革的初衷是以人为本培养出创新型人才。如何调动研究生的积极性，培养科技创新能力，相关老师做了大量的研究与探讨。根据课程特点，主要在以下几方面进行改革创新：①进行教学模式创新，教学模式的创新在课程建设的主要思路是积极配合学校创建双一流大学的主旨思想，一改以往以讲授为主的授课方式，为培养具有科技创新能力的人才，以课程改革为契机重新编写课程详细的课程大纲，做好课程体系建设的基本工作，学生能总体把握课程进度，有的放矢。改变以往单纯的知识传授的教学方式，减少理论公式推导，引入新方法新手段，以最新最生动的形象讲解理论知识及相应工程实际案例，拓展理论知识的应用面。②引入相关工程实践及大报告方式，根据学生不同专业的特点，利用已有知识解决相应工程问题，利用课题汇报（自主命题、自我测试、自行评价）充分调动学生科研的兴趣，学以致用，让理论知识与工程实际问题相结合，课程增加的实践课程平台主要分为3 种：理论知识验证实践、实际工程实践和项目贯穿式实践，利用以上几点步步深入，引导学生从理论知识的理解到实际应用的锻炼过程，真正做到课堂教学与实践教学的打通，实践平台的建设也把科研与教学打通。③考核模式的创新，以开卷方式考查生对于知识的应用能力，不用死记硬背的方式，增加大作业分数比例。

2 转子平衡实验教学模式创新

为创建双一流大学，培养创新型人才，本科生的教育教学就要适应新形势下的授课方式，改革势在必行。在课程教学模式创新方面，其主要创新点是从以教师为主学生为辅进行互换，通过课前预习查阅资料等，充分调动学生积极性，激发学生创新性。为达到学以致用，开拓创新的目标，需要重新编写一套符合我校学生机械原理课程改革教育教学大纲，大纲主要包括课程介绍、课程知识结构、教学方式、课程及工程实践等时间安排、最终考核方式比例等。同时大纲还要精确地列出每周课程内容、重点、查阅的相关资料、作业等信息。更加全面丰富的信息，目的就是让学生总体把握课程内容及安排，明确任务和要求，大纲的撰写同时也是教师对课程内容的总体把控。课程过去大多是公式推导，相对来说较为枯燥，由于课时有限，为了能让学生有更多的时间参与项目式的工程实践，培养研究生创新能力，根据本校学生基础知识及学习能力较强的特点，取消相关公式推导，配合讲解实践项目工程实际应用的案例，及时将学科前沿、工程研究中遇到的典型问题及解决方案展示给学生，让其对理论知识与应用的工程背景有一定了解，提高课程的直观性和生动性。

总之，教学模式的创新是以培养综合创新型的优秀人才为目标，课程大纲的应用使学生总体把控课程的进度安排，课程引入相关热点工程项目等，活跃了课程气氛，更重要的是将理论知识生动地展现给学生。

3 转子平衡实践课程的教学模式创新

3.1 实践课程教学平台简介

要充分发挥机械原理课程与工程实际相结合的特点，培养具有工程背景的创新型人才，根据多年的教学及科研经验精心建设了实践课程教学平台。平台主要分为理论验证实践、工程实践和项目贯穿式实践3 个部分。

（1）理论验证实践。主要是展示通过Matlab 等仿真软件，编写如单自由度、多自由度、连续体等模拟展示实验，通过生动的仿真，把难以理解的理论知识形象地展示出来，既减少了理论公式的推导时间，又能让学生快速理解知识。

（2）工程实践。主要是依托机械动力学及机械故障诊断实验室的科研实验设备，如振动采集分析设备、故障仿真器等。学生根据编写的实验指导书，分成若干小组，共同查阅相关资料撰写实验开题报告。采集工程实验中的各种信号，独自完成数据分析处理及撰写实验分析报告。前期的准备工作以小组为单位，主要是锻炼研究生团队协作的能力，后期的数据处理及分析主要是培养学生独立研究、独立思考培养创新思维的能力，同时锻炼对于工程软件的应用以及如何利用理论知识处理实际工程的能力。

（3）项目贯穿式实践。主要是针对学生科研方向，利用已有相关知识参与到相关课题中解决工程上的问题，撰写报告并进行汇报，依托课题组科研项目的支撑，研究生通过参与工程科研，开拓思路、展示创意、发挥科技创新精神。让所学的知识应用到实际中，能尽早融入后续的科研工作中。

课程实践的设计是相辅相成的，既有理论知识基础验证的实验，又有突出工程背景的实验以及根据方向能力参与的贯穿式实践。理论验证实践将课堂枯燥的知识利用仿真软件生动展示出来；工程实践是将所学的理论知识与解决工程实际问题相结合，培养学生科技创新思维；项目贯穿式是为了学习进一步深入，让本科生尽快步入科研的殿堂。

3.2 实验目的

根据课程内容，设计了一系列的课程实验，从简单的静平衡，到转子动平衡，最后到工程实践，步步深入式的实验教学，通过实验让学生将理论弄熟吃透，手脑并用，充分调动学生的积极性，将课本枯燥的理论知识，通过系列课程实验完成，从而更能加深学生对于理论知识的理解。创新的实验课程教学再结合国家重点研发方向，引入关于燃气轮机、航空发动机转子等高速平衡的案例与应用，进一步加深学生对于工程领域的深入了解与理解，最新科研知识丰富了教学内容，开拓了学生的视野，为今后的学习科研培养了兴趣。

3.3 实验装置

根据平衡原理，机械创新实验室设计了一系列符合本校本科生特色的教学设备，主要有静平衡、转子动平衡以及工程实践等试验台。3 个试验台相辅相成，从理论知识体系的建设，到实验的验证分析，最后到工程实践的应用，由理论到工程，由简单到复杂的一个培养过程，建立了学生平衡理论知识体系在转子平衡中的应用体系。其中静平衡为自行加工的双导轨式和圆盘式设备，配合各种模拟平衡转子实验配件，不同平衡种类有利于每个学生亲自动手完成实验，培养理论计算与动手能力。动平衡试验台未采用市场上成熟的动平衡机，主要考虑过于自动化的设备不利于学生的基础知识学习，因此机械创新实验室利用转子系统，传感器系统、转速系统（提供转速与相位）、信号采集系统、各种模拟偏心试验件组成的一个动平衡测试平台［13-14］。学生通过自行采集数据并进行分析处理，从而得到平衡的补偿等。工程实践设备为汽车轮胎平衡仪，利用汽车轮胎平衡的实验验证，从而拓展了理论知识体系，在解决实际工程问题的时候，再结合讲解相关领域最热的科研知识成果，使学生对于工程实践有更深刻的体会。

（1）静平衡实验。根据定义，当D/b≥5 时，对转子进行静平衡实验。这里设计为导轨式和圆盘式的两种静平衡实验设备，主要是考核学生对于平衡的计算等，通过学生实验对比分析，比较两者设备的优缺点，以及改进措施等。图1 所示为部分设计的叶轮平衡试验件。

图1 叶轮平衡试验件

（2）刚性动平衡实验。根据定义，当D/b＜5 时的转子，采用动平衡。目前，一些高等院校以转子动平衡机为基础设计了转子动平衡实验，但是其过于自动化，学生只是简单重复，并没有领会理解其理论知识。因此根据目前国内状况，结合我校学生能力特点，机械创新实验室自行设计了一套动平衡设备，加工设计了多种不同形式的转子：如偏心轮、偏心转轴、偏心叶片等，通过不同类型的转子组合模拟各种设备的平衡过程。通过采集系统采集到的振动、相位等信息，学生通过计算得到相应不平衡量进行补偿等，从而达到实验最终效果。图2 所示为转子动平衡试验台。

图2 转子动平衡试验台

（3）工程实践实验。其理论平衡方式与动平衡基本相同，唯一不同的是具有了工程实践的意义，其程度相比于理论实验更为复杂一些。工程实践类实验采用的是汽车轮胎动平衡机，提前准备了不同程度位置的偏心轮胎用于实践类的课程教学。同理借助各种振动采集设备，通过理论计算及实验达到设备的平衡，实验主要是让理论与实际工程相结合，加深学生对于理论知识的理解，通过工程背景的实验，拓展了学生的知识面，为今后相关学习工作打下良好的基础，为从事相关设备的研发与性能提升，奠定坚实的物理概念与理论基础。图3 所示为工程实践实验平台。

图3 汽车轮胎平衡试验台

3.4 实验实施

（1）实验前准备。主要是分为课前的预习和实验前理论知识的讲授两个部分。由于平衡实验中采用3套实验设备平衡不同转子，因此除了通过课堂上教师讲授的知识外，还要课前根据实验指导书的安排查阅相关最新的研究方向和科研成果等知识，针对不同转子如何计算平衡等，尤其是旋转设备平衡要注意的相关事项及操作规范，对设备操作步骤要有一定的了解，否则很难在短时间内完成系统的平衡实验。

（2）实验内容。转子平衡实验有一定的安全风险，因此要控制实验人数为3～5 人，根据实验指导书的安排每个人解决不同转子的平衡问题，组内人员要对其他人的实验进行对比分析，实验教师主要职责是在保证学生安全的前提下，解答遇到实验中各种问题，教师通过引导式的讲解，让其自行解决相关问题，这样不仅培养了学生独立思考，同时也促进了课程的活跃度。实验教师的共同参与可以有效地把控各实验进度情况，尤其是减少安全事故发生，学生可以从实验老师严谨的实验作风中学到相关的实验操作规范，为今后的相关实验科研打下基础。其中实验内容分为两大类，3 个实验。一类是理论验证型，如静平衡、转子动平衡实验，另一类是工程实践型实验，即把理论知识如何真正应用到实际工程中，对比与模拟实验的复杂度等。其中理论验证实验约占60%，工程实践占40%，总实验时间为4 学时。

对于实验中平衡的问题，指导书只规定出实验的最终目的。学生要通过查阅相关文献资料，自行设计平衡方案，通过亲自动手熟悉相关设备的操作，由于没有标准答案，每组根据实验件不同，需自行设计实验方案解决相关问题。例如：导轨式的静平衡实验，每个学生要设计平衡不同的设备，通过课前给学生的相关材料等信息，要求学生根据已知信息，做好实验相关准备，通过实验验证其理论知识。

工程实践实验由于其相对复杂，且有一定危险性，因此需要团队协作，通过课前阅读资料，熟悉设备操作手则与安全注意事项等，了解实验目的及如何利用理论知识完成工程实验，其基本原理与之相同，只是工程实践实验过程较为复杂。

3.5 考核方式的创新

课程考试的改革主要着眼于考核方式创新，要注重利用理论知识解决实际工程能力，减少学生对课本的死记硬背，倡导活学活用理论知识解决工程及热点问题的能力。考核过程中，实验老师要全程参与其中，尤其是在安全的前提下把握实验相关进度等，对各个环节的评估是实验老师的主要工作。根据学生对不同环节的掌握熟练程度来评价学生的实验成绩，其实验成绩分为以下4 部分：①实验前对于相关知识准备情况，通过查看每位学生的实验预习报告等，给出每位学生的相应成绩，此部分占20%。②根据每位学生动手及操作规范等以及参考预习报告及进度，此部分占40%。③通过实验中的发现的问题，以及学生对于知识点的把控成熟度，此部分占20%。④根据最终收上来的实验大报告进行评分，此部分占20%。该考核方式更注重过程，同时打通了课堂教学与课堂实践的环节，既培养团队协作的精神，又锻炼独立分析问题解决问题的能力，为今后开展相关研究拓展知识面，打好理论知识体系和工程实践基础。

4 结语

随着国家对于重大工程的投入，大型旋转设备平衡是一个绕不开的课题，在新工科的建设背景下，通过对国家级一流课程机械原理［15］的实验教学改革而开设的转子平衡实验教学课程以及系列平衡设备的建设与引进，打通了课程教学与实验教学，把课本知识点搬到了实验教学中。通过讲授最新的相关研究成果，丰富了学生的知识面，解决了理论教学与实践教学的难点。通过对机械工程实验班实验教学改革也发现一些问题，如何把特色实验在本科基础实验中进行推广，惠及更多的学生，是摆在实验老师及课程负责人面前的一个难题，同时也是对实验教师综合能力提出了更高的要求［16］。但相信通过机械创新实验室所有老师的不断探索与改进，各种问题必将迎刃而解。