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1932年夏，清華大學工學院成立，內設機械工程學係、電機工程學係和土木工程學係。機械工程學係由莊前鼎先生籌建並擔任係主任，以“造就各項機械工程專門人才，適應國內社會需要”為宗旨，建係之初設立3個學科組：原動力工程組、機械製造工程組、飛機及汽車工程組。

1933年，機械工程館（位於現二校門東側，現熱能工程係係館）動工。

1934年，飛機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並入原動力工程組。

1935年春，機械工程館落成，其一層為熱工實驗室。在一院（清華學堂）東邊建有金、木、鍛、鑄等機械製造工場。當時的實驗室設備大多從歐美購置，“比之歐美各大學機械實驗設備，實不相上下，堪稱國內*完備之機械實驗室”。

1935年秋，國內機械工程界擬籌設“中國機械工程學會”。在7位發起人中，有清華機械工程學係4位教授：劉仙洲、莊前鼎、李輯祥、王士倬，籌備處設在清華大學。1936年5月該學會正式成立，莊前鼎先生曾連任前幾屆副會長，直至1945年後由劉仙洲先生擔任該學會的副會長。

1937年抗戰爆發，清華大學、北京大學、南開大學南遷，組成長沙臨時大學。1938年2月，長沙臨大又西遷昆明成為西南聯大。在西南聯大期間，機械工程學係是工學院中規模*大、學生人數*多的係。長沙臨大和西南聯大期間的係主任是李輯祥先生。

1945年抗戰勝利後，組成西南聯大的三校分別北返，次年10月清華大學複學。複學後的機械工程學係有學生340人，為全校*大之係。此後兩年內，機械工程學係除恢複了原有的熱工實驗室及金工廠外，還新設了金屬學實驗室。1950年李輯祥先生病休，莊前鼎先生再任係主任。

1949年北平解放時，機械工程學係大部分教師和工作人員都留在學校，參與了建國初期清華大學的建設。新清華機械工程學係的**屆係主任是莊前鼎先生。至1952年夏，每屆機械工程學係學生為100人左右，不分專業，不分小班，前三年級一起上課，第四年級才按原動力組、製造組分組選課。1951-

1952年原動力組分為動力組和汽車組。

1952年國內高校院係調整，北京大學和燕京大學兩校的機械係轉入清華大學，與清華的機械工程學係合並組成了機械製造係和動力機械係。新成立的機械製造係係主任是來自北大的李酉山先生，係內設4個專業：機械製造工程、金屬切削機床及其工具、鑄造機械及鑄造工程、金屬壓力加工及加工機械，同時設置兩個專修科：金工工具，鑄造工程。動力機械係係主任是莊前鼎先生，係內設有2個專業：熱力動力裝置專業（後改名為熱力發電設備專業）和汽車專業（後改為汽車拖拉機專業），兩係除專業教學外，分別承擔全校的一些技術基礎課，如機械製圖、機械原理與設計、金工實習、熱工學等。

1954年，留美知名學者、清華校友吳仲華教授回到動力機械係工作，於1956年建立了燃氣輪機專業。同年，又由王補宣教授負責新建工業熱工專業，1957年底改名為工程熱物理專業，1960年，該專業轉到工程力學係。

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，機械製造工程專業與金屬切削機床及其工具專業合並為機械製造工藝、金屬切削機床及工具專業。同年“汽車樓”和汽車試驗室、發動機試驗室落成。

1958年，機械製造係增設精密儀器製造專業。

1960年，機械製造係分為“精密儀器及機械製造係”和“冶金係”，分別負責冷熱加工兩類專業的教學工作，但兩係仍建同一黨總支，精儀係係主任為鄒致圻先生，冶金係係主任為李酉山先生，部分行政工作統一管理。1960年10月，在動力機械係原有汽車拖拉機專業的基礎上，建立了農業機械係，係主任是李輯祥先生，但與動力機械係合署辦公，同一黨總支、同一行政領導班子，莊先生和李先生輪流主持每周係務會議。1962年7月莊先生去世後，李先生兼動力、農機兩係係主任。1963年，兩係改名為動力與農機係。

1965年，精密儀器及機械製造係係館（9003大樓）落成。精密儀器及機械製造係和冶金係完全分開。

1970年初，動力農機係和冶金係撤消。汽車拖拉機專業改為汽車專業，與冶金係各原有專業、精儀係的機械製造專業和學校機械廠合並，成立清華大學汽車廠，“以廠帶學”。原動力機械係的熱點專業改稱鍋爐專業，並與燃氣輪機專業並入當時的電機係（改稱為電力工程係）；熱工量測及自動控製專業並入自動控製係；熱工教研組轉到化學工程係。

1971年，校汽車廠停止生產汽車，恢複校機械廠，而計劃入廠的冶金係各專業（鑄、鍛、焊、金屬材料）連同汽車專業、機械製造專業合成為機械製造係。同年，精密儀器及機械製造係改稱精密儀器係。

1972年，精密儀器專業改為陀螺導航與自動控製專業。

1977年，汽車專業連同1970年被歸屬於電力工程係的熱能電力裝置、燃氣輪機兩專業回歸動力機械係建製，機械製造專業也回歸精密儀器係。於是，機械製造係隻留下了原冶金係的4個專業：鑄造、鍛壓、焊接和金屬與熱處理，係名改為現在的機械工程係。

1978年，動力機械係更名為熱能工程係，熱電專業改名為熱能工程專業，並增設內燃機專業。

1979年，供熱與通風專業從土木工程係轉入熱能工程係，更名為空氣調節工程專業。同年，實驗電廠歸屬熱能工程係，鍋爐教研組改名為熱能工程教研組。

1980年7月，由熱能係的汽車專業和內燃機專業組建汽車工程係，但仍與熱能工程係合署辦公，共有一個係黨委和一套行政班子。

1984年，精密儀器係更名為現今的精密儀器與機械學係。

1989年，精密儀器專業和光學儀器專業合並為精密儀器儀表專業（1995年改稱測控技術與儀器專業）。1997年精密儀器與機械學係增設工業工程專業。

1990年，熱能工程係和汽車工程係的黨政機構正式分開。熱能工程係設有熱能工程、熱力渦輪機（現為動力機械工程）、空調3個專業。汽車工程係設有汽車和內燃機2個專業。

1993年，熱能工程係的熱力渦輪機專業改稱動力機械及工程專業，汽車工程係的汽車、內燃機2專業合並成汽車工程專業。1997年汽車工程專業改名為車輛工程專業，仍包含發動機方向。

1996年1月，為了適應科學技術與教育發展的需要，進一步提高機械工程學科的教學、科研水平，學校決定由機械工程係、精密儀器與機械學係和汽車工程係組成機械工程學院。金國藩院士擔任學院**任院長，副院長由各係係主任選任；設立院學術委員會，由各係有名教授組成；設立機械工程學院辦公室，協調處理學院公共事務。原由各係負責的教學、科研、行政、人事等工作仍由各係分別進行。

1998年10月，為了加強學科建設，促進多學科交叉、融合，學校又決定將熱能工程係和工程力學係並入機械工程學院。熱能工程係各專業、工程力學係的工程熱物理專業以及汽車工程係“動力機械及工程”學科的研究生均屬於“動力工程與工程熱物理”**學科。汽車工程係“車輛工程”學科的研究生則同機械工程係、精密儀器與機械學係各專業的研究生同屬於“機械工程”**學科。1999年1月，過增元院士擔任學院**任院長。

2001年8月，為了在建立現代企業製度、加強企業內部科學管理、落實國家可持續發展戰略、技術**等重大舉措中發揮作用，學校決定成立工業工程係，隸屬於機械工程學院。

2004年5月，清華大學航天航空學院成立，工程力學係從機械工程學院劃轉入航天航空學院。

2008年7月，由機械工程係和精密儀器與機械學係相關教師成立航空宇航製造工程二級學科，掛靠機械工程係。

2008年1月，精密儀器與機械學係係主任尤政擔任學院第三任院長。同年11月，學校調整清華大學基礎工業訓練中心的隸屬關係，將該中心由清華產業係統劃轉至機械工程學院。至此，清華大學機械工程學院形成了目前以機械工程學科為主，包括機械工程係、精密儀器與機械學係、熱能工程係、汽車工程係、工業工程係以及基礎工業訓練中心的局麵，開始了新的發展時期。

2012年12月，為更好的推動儀器與光學學科的發展，學校決定成立清華大學精密儀器係，由原精密儀器與機械學係儀器與光學學科組成。並由原機械工程係和原精密儀器與機械學係中機械工程學科教職工組建新的機械工程係，同時撤銷精密儀器與機械學建製。