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机械设计制造及其自动化（中美合作）专业，于2003年与美国戴顿大学工程学院合作举办，在培养模式上吸收并采用了国外高等教育的先进理念和教学手段，利用美国在现代机械设计、制造及信息技术等方面具有的领先优势，把合作办学的目标定位在培养具备宽阔的国际视野，较强的跨文化交流能力和理解能力，能够在全球化背景下的机械设计制造及其自动化以及相关领域内从事科学研究、设计开发、运行管理和经营销售等方面工作的高素质人才。
本专业采取“3+1”的培养模式，即前三年在国内学习，最后一年可以申请去美国戴顿大学工程学院学习，成绩合格可获得双方学校的学位证书和上海师范大学的本科毕业证书。对第四年在美国完成学业的学生，若选择继续在戴顿大学攻读研究生将不需要GRE成绩。
截至目前，合作项目内第四年赴美学习的同学绝大部分都能够继续在戴顿大学深造，获得硕士甚至博士学位。