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1932年夏，清華大學(xué)工學(xué)院成立，內(nèi)設(shè)機(jī)械工程學(xué)系、電機(jī)工程學(xué)系和土木工程學(xué)系。機(jī)械工程學(xué)系由莊前鼎先生籌建并擔(dān)任系主任，以“造就各項機(jī)械工程專門人才，適應(yīng)國內(nèi)社會需要”為宗旨，建系之初設(shè)立3個學(xué)科組：原動力工程組、機(jī)械制造工程組、飛機(jī)及汽車工程組。

1933年，機(jī)械工程館（位于現(xiàn)二校門東側(cè)，現(xiàn)熱能工程系系館）動工。

1934年，飛機(jī)及汽車工程組更名為航空工程組，而其中的汽車工程部分則并入原動力工程組。

1935年春，機(jī)械工程館落成，其一層為熱工實驗室。在一院（清華學(xué)堂）東邊建有金、木、鍛、鑄等機(jī)械制造工場。當(dāng)時的實驗室設(shè)備大多從歐美購置，“比之歐美各大學(xué)機(jī)械實驗設(shè)備，實不相上下，堪稱國內(nèi)*完備之機(jī)械實驗室”。

1935年秋，國內(nèi)機(jī)械工程界擬籌設(shè)“中國機(jī)械工程學(xué)會”。在7位發(fā)起人中，有清華機(jī)械工程學(xué)系4位教授：劉仙洲、莊前鼎、李輯祥、王士倬，籌備處設(shè)在清華大學(xué)。1936年5月該學(xué)會正式成立，莊前鼎先生曾連任前幾屆副會長，直至1945年后由劉仙洲先生擔(dān)任該學(xué)會的副會長。

1937年抗戰(zhàn)爆發(fā)，清華大學(xué)、北京大學(xué)、南開大學(xué)南遷，組成長沙臨時大學(xué)。1938年2月，長沙臨大又西遷昆明成為西南聯(lián)大。在西南聯(lián)大期間，機(jī)械工程學(xué)系是工學(xué)院中規(guī)模*大、學(xué)生人數(shù)*多的系。長沙臨大和西南聯(lián)大期間的系主任是李輯祥先生。

1945年抗戰(zhàn)勝利后，組成西南聯(lián)大的三校分別北返，次年10月清華大學(xué)復(fù)學(xué)。復(fù)學(xué)后的機(jī)械工程學(xué)系有學(xué)生340人，為全校*大之系。此后兩年內(nèi)，機(jī)械工程學(xué)系除恢復(fù)了原有的熱工實驗室及金工廠外，還新設(shè)了金屬學(xué)實驗室。1950年李輯祥先生病休，莊前鼎先生再任系主任。

1949年北平解放時，機(jī)械工程學(xué)系大部分教師和工作人員都留在學(xué)校，參與了建國初期清華大學(xué)的建設(shè)。新清華機(jī)械工程學(xué)系的**屆系主任是莊前鼎先生。至1952年夏，每屆機(jī)械工程學(xué)系學(xué)生為100人左右，不分專業(yè)，不分小班，前三年級一起上課，第四年級才按原動力組、制造組分組選課。1951-

1952年原動力組分為動力組和汽車組。

1952年國內(nèi)高校院系調(diào)整，北京大學(xué)和燕京大學(xué)兩校的機(jī)械系轉(zhuǎn)入清華大學(xué)，與清華的機(jī)械工程學(xué)系合并組成了機(jī)械制造系和動力機(jī)械系。新成立的機(jī)械制造系系主任是來自北大的李酉山先生，系內(nèi)設(shè)4個專業(yè)：機(jī)械制造工程、金屬切削機(jī)床及其工具、鑄造機(jī)械及鑄造工程、金屬壓力加工及加工機(jī)械，同時設(shè)置兩個專修科：金工工具，鑄造工程。動力機(jī)械系系主任是莊前鼎先生，系內(nèi)設(shè)有2個專業(yè)：熱力動力裝置專業(yè)（后改名為熱力發(fā)電設(shè)備專業(yè)）和汽車專業(yè)（后改為汽車拖拉機(jī)專業(yè)），兩系除專業(yè)教學(xué)外，分別承擔(dān)全校的一些技術(shù)基礎(chǔ)課，如機(jī)械制圖、機(jī)械原理與設(shè)計、金工實習(xí)、熱工學(xué)等。

1954年，留美知名學(xué)者、清華校友吳仲華教授回到動力機(jī)械系工作，于1956年建立了燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)。同年，又由王補(bǔ)宣教授負(fù)責(zé)新建工業(yè)熱工專業(yè)，1957年底改名為工程熱物理專業(yè)，1960年，該專業(yè)轉(zhuǎn)到工程力學(xué)系。

1955年，建成鑄造、鍛壓、焊接及金屬熱處理實驗樓（即焊接館）及鑄造和鍛壓試驗基地。

1956年，機(jī)械制造工程專業(yè)與金屬切削機(jī)床及其工具專業(yè)合并為機(jī)械制造工藝、金屬切削機(jī)床及工具專業(yè)。同年“汽車樓”和汽車試驗室、發(fā)動機(jī)試驗室落成。

1958年，機(jī)械制造系增設(shè)精密儀器制造專業(yè)。

1960年，機(jī)械制造系分為“精密儀器及機(jī)械制造系”和“冶金系”，分別負(fù)責(zé)冷熱加工兩類專業(yè)的教學(xué)工作，但兩系仍建同一黨總支，精儀系系主任為鄒致圻先生，冶金系系主任為李酉山先生，部分行政工作統(tǒng)一管理。1960年10月，在動力機(jī)械系原有汽車拖拉機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)上，建立了農(nóng)業(yè)機(jī)械系，系主任是李輯祥先生，但與動力機(jī)械系合署辦公，同一黨總支、同一行政領(lǐng)導(dǎo)班子，莊先生和李先生輪流主持每周系務(wù)會議。1962年7月莊先生去世后，李先生兼動力、農(nóng)機(jī)兩系系主任。1963年，兩系改名為動力與農(nóng)機(jī)系。

1965年，精密儀器及機(jī)械制造系系館（9003大樓）落成。精密儀器及機(jī)械制造系和冶金系完全分開。

1970年初，動力農(nóng)機(jī)系和冶金系撤消。汽車拖拉機(jī)專業(yè)改為汽車專業(yè)，與冶金系各原有專業(yè)、精儀系的機(jī)械制造專業(yè)和學(xué)校機(jī)械廠合并，成立清華大學(xué)汽車廠，“以廠帶學(xué)”。原動力機(jī)械系的熱點(diǎn)專業(yè)改稱鍋爐專業(yè)，并與燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)并入當(dāng)時的電機(jī)系（改稱為電力工程系）；熱工量測及自動控制專業(yè)并入自動控制系；熱工教研組轉(zhuǎn)到化學(xué)工程系。

1971年，校汽車廠停止生產(chǎn)汽車，恢復(fù)校機(jī)械廠，而計劃入廠的冶金系各專業(yè)（鑄、鍛、焊、金屬材料）連同汽車專業(yè)、機(jī)械制造專業(yè)合成為機(jī)械制造系。同年，精密儀器及機(jī)械制造系改稱精密儀器系。

1972年，精密儀器專業(yè)改為陀螺導(dǎo)航與自動控制專業(yè)。

1977年，汽車專業(yè)連同1970年被歸屬于電力工程系的熱能電力裝置、燃?xì)廨啓C(jī)兩專業(yè)回歸動力機(jī)械系建制，機(jī)械制造專業(yè)也回歸精密儀器系。于是，機(jī)械制造系只留下了原冶金系的4個專業(yè)：鑄造、鍛壓、焊接和金屬與熱處理，系名改為現(xiàn)在的機(jī)械工程系。

1978年，動力機(jī)械系更名為熱能工程系，熱電專業(yè)改名為熱能工程專業(yè)，并增設(shè)內(nèi)燃機(jī)專業(yè)。

1979年，供熱與通風(fēng)專業(yè)從土木工程系轉(zhuǎn)入熱能工程系，更名為空氣調(diào)節(jié)工程專業(yè)。同年，實驗電廠歸屬熱能工程系，鍋爐教研組改名為熱能工程教研組。

1980年7月，由熱能系的汽車專業(yè)和內(nèi)燃機(jī)專業(yè)組建汽車工程系，但仍與熱能工程系合署辦公，共有一個系黨委和一套行政班子。

1984年，精密儀器系更名為現(xiàn)今的精密儀器與機(jī)械學(xué)系。

1989年，精密儀器專業(yè)和光學(xué)儀器專業(yè)合并為精密儀器儀表專業(yè)（1995年改稱測控技術(shù)與儀器專業(yè)）。1997年精密儀器與機(jī)械學(xué)系增設(shè)工業(yè)工程專業(yè)。

1990年，熱能工程系和汽車工程系的黨政機(jī)構(gòu)正式分開。熱能工程系設(shè)有熱能工程、熱力渦輪機(jī)（現(xiàn)為動力機(jī)械工程）、空調(diào)3個專業(yè)。汽車工程系設(shè)有汽車和內(nèi)燃機(jī)2個專業(yè)。

1993年，熱能工程系的熱力渦輪機(jī)專業(yè)改稱動力機(jī)械及工程專業(yè)，汽車工程系的汽車、內(nèi)燃機(jī)2專業(yè)合并成汽車工程專業(yè)。1997年汽車工程專業(yè)改名為車輛工程專業(yè)，仍包含發(fā)動機(jī)方向。

1996年1月，為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)與教育發(fā)展的需要，進(jìn)一步提高機(jī)械工程學(xué)科的教學(xué)、科研水平，學(xué)校決定由機(jī)械工程系、精密儀器與機(jī)械學(xué)系和汽車工程系組成機(jī)械工程學(xué)院。金國藩院士擔(dān)任學(xué)院**任院長，副院長由各系系主任選任；設(shè)立院學(xué)術(shù)委員會，由各系有名教授組成；設(shè)立機(jī)械工程學(xué)院辦公室，協(xié)調(diào)處理學(xué)院公共事務(wù)。原由各系負(fù)責(zé)的教學(xué)、科研、行政、人事等工作仍由各系分別進(jìn)行。

1998年10月，為了加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)，促進(jìn)多學(xué)科交叉、融合，學(xué)校又決定將熱能工程系和工程力學(xué)系并入機(jī)械工程學(xué)院。熱能工程系各專業(yè)、工程力學(xué)系的工程熱物理專業(yè)以及汽車工程系“動力機(jī)械及工程”學(xué)科的研究生均屬于“動力工程與工程熱物理”**學(xué)科。汽車工程系“車輛工程”學(xué)科的研究生則同機(jī)械工程系、精密儀器與機(jī)械學(xué)系各專業(yè)的研究生同屬于“機(jī)械工程”**學(xué)科。1999年1月，過增元院士擔(dān)任學(xué)院**任院長。

2001年8月，為了在建立現(xiàn)代企業(yè)制度、加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部科學(xué)管理、落實國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)**等重大舉措中發(fā)揮作用，學(xué)校決定成立工業(yè)工程系，隸屬于機(jī)械工程學(xué)院。

2004年5月，清華大學(xué)航天航空學(xué)院成立，工程力學(xué)系從機(jī)械工程學(xué)院劃轉(zhuǎn)入航天航空學(xué)院。

2008年7月，由機(jī)械工程系和精密儀器與機(jī)械學(xué)系相關(guān)教師成立航空宇航制造工程二級學(xué)科，掛靠機(jī)械工程系。

2008年1月，精密儀器與機(jī)械學(xué)系系主任尤政擔(dān)任學(xué)院第三任院長。同年11月，學(xué)校調(diào)整清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心的隸屬關(guān)系，將該中心由清華產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)劃轉(zhuǎn)至機(jī)械工程學(xué)院。至此，清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院形成了目前以機(jī)械工程學(xué)科為主，包括機(jī)械工程系、精密儀器與機(jī)械學(xué)系、熱能工程系、汽車工程系、工業(yè)工程系以及基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心的局面，開始了新的發(fā)展時期。

2012年12月，為更好的推動儀器與光學(xué)學(xué)科的發(fā)展，學(xué)校決定成立清華大學(xué)精密儀器系，由原精密儀器與機(jī)械學(xué)系儀器與光學(xué)學(xué)科組成。并由原機(jī)械工程系和原精密儀器與機(jī)械學(xué)系中機(jī)械工程學(xué)科教職工組建新的機(jī)械工程系，同時撤銷精密儀器與機(jī)械學(xué)建制。