基于廣義實(shí)踐環(huán)境的教學(xué)模式*
——《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)》教學(xué)模式探討

申儒林，龔艷玲

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

基于廣義實(shí)踐環(huán)境的教學(xué)模式*
——《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)》教學(xué)模式探討

申儒林，龔艷玲

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083)

實(shí)踐條件的不足是困擾學(xué)習(xí)機(jī)械學(xué)的重要因素之一，在機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)以外存在許多可以利用的實(shí)踐環(huán)節(jié)——本文稱之為廣義實(shí)踐環(huán)境，可以部分彌補(bǔ)這種缺失。廣義實(shí)踐環(huán)境相對(duì)于企業(yè)的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)而言，沒有時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可發(fā)揮的余地也大得多。通過教師的正確引導(dǎo)，可以利用廣義實(shí)踐環(huán)境培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);促進(jìn)學(xué)生各學(xué)科知識(shí)的正向遷移;建構(gòu)適合自己的知識(shí)體系。

廣義實(shí)踐環(huán)境;學(xué)習(xí)興趣;學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);正向遷移;建構(gòu)

機(jī)械學(xué)是一門高度實(shí)踐的學(xué)科，要求有良好的實(shí)踐環(huán)境，學(xué)生對(duì)機(jī)械要有足夠的體驗(yàn)。然而，高校的實(shí)踐條件卻遠(yuǎn)不能滿足這種需要。另一方面，我們的日常生活中處處都有機(jī)械的影子，盡管辦公室的計(jì)算機(jī)是通過軟件控制和運(yùn)行的，但它卻是機(jī)械產(chǎn)品，不但其本身出自機(jī)械生產(chǎn)線，而且在使用的時(shí)候其硬盤或光驅(qū)也在做高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、交通工具等都是機(jī)械產(chǎn)品，尤其是現(xiàn)在我國大興基礎(chǔ)建設(shè)，道路、橋隧、樓堂館所等的建設(shè)更是離不開大型機(jī)械。行走在大街小巷，各種工程機(jī)械隨處可見，大小汽車修理店星羅棋布，這些都可以成為接觸機(jī)械、學(xué)習(xí)機(jī)械、研究機(jī)械的廣義實(shí)踐環(huán)境。此外，互聯(lián)網(wǎng)上可以找到許多關(guān)于各種機(jī)械產(chǎn)品原理的圖片、甚至生產(chǎn)制造工藝的動(dòng)畫和視頻，等等。對(duì)這些資源的有效利用將為學(xué)生提供一種不同于到企業(yè)實(shí)習(xí)的實(shí)踐方式，本文稱之為“廣義實(shí)踐環(huán)境”，并對(duì)如何利用這種廣義實(shí)踐環(huán)境提高教學(xué)質(zhì)量展開研究探討。

一、機(jī)械學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)

機(jī)械學(xué)的目標(biāo)是服務(wù)于工程應(yīng)用，由于應(yīng)用條件、環(huán)境、工況等要求千差萬別，使得人們不斷完善和更新機(jī)械學(xué)的理論和技術(shù)，工程應(yīng)用則是檢驗(yàn)理論和技術(shù)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。因此，機(jī)械學(xué)是一門高度依賴于實(shí)踐的學(xué)科。杠桿可能是人們最早學(xué)會(huì)使用的機(jī)械工具，是什么促使人類發(fā)現(xiàn)杠桿原理并成功利用杠桿呢?恐怕無從考察，但肯定是受到某些實(shí)踐活動(dòng)的激發(fā)，也許來源于人和動(dòng)物四肢屈伸的啟發(fā)吧。輪軸的發(fā)明則將人類使用機(jī)械的水平提升了一大步。不知道輪軸這項(xiàng)偉大的發(fā)明是如何完成的，但其中肯定包含了創(chuàng)造的成分。杠桿和輪軸的不同組合，誕生了千差萬別的機(jī)械產(chǎn)品。隨著功能要求和應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，一般的工匠已不能勝任復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的適時(shí)發(fā)展，解決了一道又一道設(shè)計(jì)和制造的難題，由此形成了機(jī)械學(xué)科。因此，機(jī)械學(xué)的特點(diǎn)是來源于實(shí)踐，服務(wù)于實(shí)踐，并指理論的指導(dǎo)下升華，其學(xué)習(xí)特點(diǎn)也大抵如此，多實(shí)踐，理論聯(lián)系實(shí)踐，在掌握扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)勇于創(chuàng)新。

二、廣義實(shí)踐環(huán)境是對(duì)企業(yè)實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)的有力補(bǔ)充

良好實(shí)習(xí)條件的重要性對(duì)機(jī)械學(xué)科學(xué)生的作用是不言而喻的，但是實(shí)際上企業(yè)能提供的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。造成這種局面的原因可能有兩個(gè):一是迫于市場化的壓力，大部分企業(yè)把追求生產(chǎn)效率作為自己的第一要?jiǎng)?wù)，出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面的考慮，對(duì)本企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝嚴(yán)格保密，因此不愿意為學(xué)生提供太多的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì);同時(shí)高校大幅度擴(kuò)招使得本來就稀缺的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)更顯得供不應(yīng)求。高校本身能提供的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐機(jī)會(huì)也是有限的。鑒于此，有必要拓展企業(yè)和高校以外的實(shí)踐條件。事實(shí)上，通過教師的正確引導(dǎo)，可以創(chuàng)造更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。例如，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)普及率很高，幾乎每個(gè)學(xué)生都有接觸的機(jī)會(huì)，未必每個(gè)人都意識(shí)到計(jì)算機(jī)本身也是一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品，尤其是計(jì)算機(jī)硬盤和光驅(qū)，每一次讀寫運(yùn)動(dòng)都伴隨著兩個(gè)高精度表面的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)廢棄硬盤的拆裝和研究就是一次低成本的無空間和時(shí)間限制的實(shí)踐活動(dòng)。從這一實(shí)踐活動(dòng)中可以引出一系列問題:硬盤是如何工作的?對(duì)硬盤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有什要求?對(duì)硬盤的工作表面有什么要求?怎樣加工可以獲得這種高精度表面?硬盤的存儲(chǔ)密度可以無限提高嗎?能不能設(shè)計(jì)一種比硬盤存儲(chǔ)密度更高，讀寫速度更快的存儲(chǔ)器?有沒有個(gè)人或機(jī)構(gòu)已經(jīng)在開展類似的研究?你認(rèn)為這種研究的前景如何?等等。其他如工程機(jī)械的挖掘機(jī)、旋挖鉆、潛孔鉆等，都可以有工地現(xiàn)場可以仔細(xì)觀察了解。圍繞一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品展開討論和研究，會(huì)促使學(xué)生自動(dòng)自發(fā)地從身邊獲取實(shí)踐的機(jī)會(huì)，增進(jìn)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)自身知識(shí)體系的構(gòu)建。

三、利用廣義實(shí)踐環(huán)境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

根據(jù)動(dòng)機(jī)起源的角度，可以將其分為生理性動(dòng)機(jī)和社會(huì)性動(dòng)機(jī)。生理性動(dòng)機(jī)是以生物需要為基礎(chǔ)的動(dòng)機(jī)，如饑餓、渴、性、睡眠等。與學(xué)習(xí)有關(guān)的動(dòng)機(jī)主要是社會(huì)性動(dòng)機(jī)，社會(huì)性動(dòng)機(jī)又稱為繼發(fā)性動(dòng)機(jī)、習(xí)得性動(dòng)機(jī)或心理性動(dòng)機(jī)。社會(huì)性動(dòng)機(jī)內(nèi)容十分廣泛，興趣、成就動(dòng)機(jī)、權(quán)力動(dòng)機(jī)和交往動(dòng)機(jī)等都屬于社會(huì)性動(dòng)機(jī)。偉大的科學(xué)家愛因斯坦說過:“興趣是最好的老師。”一旦學(xué)生對(duì)某學(xué)科有了濃厚的興趣，就會(huì)主動(dòng)去求知、去探索、去實(shí)踐，并在求知、探索、實(shí)踐中產(chǎn)生愉快的情緒和體驗(yàn)。多數(shù)人通常對(duì)身邊常見事物的原理不甚了解，盡管他們有潛在的強(qiáng)烈的洞悉其機(jī)理的欲望，一旦他們成功地揭示其中某些奧秘，就可能會(huì)再度嘗試各種發(fā)現(xiàn)。房屋建筑工地上，塔吊是如何隨著樓層的增高而增加高度的;汽車變速的原理以及在運(yùn)行中如何實(shí)現(xiàn)換檔;計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取;火星探測器如何著陸、展開以及工作;摩擦攪拌焊接、超聲波焊接等工作原理，坦克厚裝甲板采用傳統(tǒng)焊接工藝和摩擦攪拌焊接工藝其焊接質(zhì)量各有什么特點(diǎn);水輪機(jī)、汽輪機(jī)葉片如何加工;風(fēng)力發(fā)電原理及其技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)等?？此坪唵蔚膯栴}，卻未必知道正確答案，其實(shí)很多問題都可以找到觀察的對(duì)象，有些問題還可以通過互聯(lián)網(wǎng)找到詳細(xì)的圖解或動(dòng)畫、視頻。有一次，我在上第一節(jié)《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)》課時(shí)提出一個(gè)問題:房屋建筑工地上，塔吊是如何隨著樓層的增高而增加自身的高度?當(dāng)時(shí)沒有一個(gè)同學(xué)能回答，我把這個(gè)問題作為課后作業(yè)留給同學(xué)們，下次討論。討論課上，大部分同學(xué)們都找到了答案，有些同學(xué)跑到建筑工地去實(shí)地觀察，有些同學(xué)通過互聯(lián)網(wǎng)找到了解釋塔吊增高原理的動(dòng)畫，同學(xué)們興致很高，在討論交往中，一些同學(xué)覺得自己的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)可，被重視，也很有成就感，同時(shí)促進(jìn)了全班同學(xué)們討論交流的熱潮。也初步在同學(xué)心目中建立了本門課程的教學(xué)模式，為課程的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

四、利用廣義實(shí)踐環(huán)境促進(jìn)知識(shí)的正向遷移

在講授功能原理設(shè)計(jì)時(shí)，講到汽車變速技術(shù)的發(fā)展:最初的汽車減速時(shí)需要踩兩腳離合器;后來隨著減速技術(shù)的發(fā)展，可以踩一腳離合器，但是要撥檔;現(xiàn)在很多汽車不需要撥檔，只要加油即可。提出:同學(xué)們是否知道汽車變速技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)時(shí)也沒有同學(xué)知道答案，我布置任務(wù)，一周后討論。討論的場面非常熱烈，看得出大部分同學(xué)們都作了大量工作。有一部分同學(xué)專門跑到汽車維修店去尋找答案，盡管修理店不是很容易看到打開的減速箱，但同學(xué)們還是感覺頗有收獲，有同學(xué)還請(qǐng)教修理店的師傅。還是有點(diǎn)不太明白，就上網(wǎng)搜索，找到了很多相關(guān)的資料，文字的、圖片的、動(dòng)畫的、視頻的。有同學(xué)還特意作了PPT，以備討論講解用。討論后清晰的知道:汽車減速箱有手動(dòng)和自動(dòng)之分，手動(dòng)變速箱采用雙聯(lián)滑移齒輪，在齒輪滑動(dòng)時(shí)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的齒輪需要同步，以免碰齒，最初的減速箱沒有采用同步技術(shù)，所以要踩兩腳離合器。還有同學(xué)在參加機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新比賽時(shí)，參考了汽車變速箱的同步技術(shù)。自動(dòng)變速箱又有不同類型，如液力自動(dòng)變速器(AT)、機(jī)械無級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)、電控機(jī)械自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合自動(dòng)變速器(DSG)等，其中AT應(yīng)用范圍最廣。為了搞懂液力變矩器的原理，同學(xué)們把液壓傳動(dòng)書翻出來。為理解泵輪、渦輪、導(dǎo)輪的作用原理，還用兩個(gè)電風(fēng)扇作了流體渦輪傳動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。也有同學(xué)重溫了行星輪系傳動(dòng)比的計(jì)算;CVT是屬于摩擦傳動(dòng)類型，不用齒輪組合變速傳動(dòng)，而采用兩組帶輪傳動(dòng)，通過改變驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪傳動(dòng)帶的接觸半徑進(jìn)行變速。摩擦傳動(dòng)變速更加平順，沒有換擋的突跳感。同學(xué)們又對(duì)摩擦傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)等進(jìn)一步作了探討，還查了其它相關(guān)資料。AMT則是在普通手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上，增加了電腦控制的電動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選檔、換檔。DSG變速箱則是巧妙地采用兩組離合器對(duì)應(yīng)兩組嚙合齒輪，把手動(dòng)變速器的靈活性和傳統(tǒng)自動(dòng)變速器的方便性結(jié)合在一起。在這里，摩擦片離合器是已有技術(shù)，兩組相嚙合的滑移齒輪也是手動(dòng)檔的成熟技術(shù)，把它們以一種特有的方式結(jié)合起來就可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地自動(dòng)變速。體現(xiàn)出知識(shí)的靈活運(yùn)用，也反映出創(chuàng)新大部分源于已有的技術(shù)，沒有空中樓閣，惟有平時(shí)多積累。最后，我提出一個(gè)問題:汽車是不是一定要用變速器?同學(xué)們對(duì)這個(gè)問題感到很突然。接著我分析:采用變速箱是因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速太高，調(diào)速范圍有限，因此是因?yàn)樵瓌?dòng)機(jī)存在的固有缺陷所造成的局面，如果這種局面改變了，變速器就不需要了。提示同學(xué)們發(fā)散思維，考慮沒有這種固有缺陷的原動(dòng)機(jī)。討論后有同學(xué)提出看法:如果采用分布式的電動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速又可以很大的調(diào)速范圍，則問題可以得到解決。于是，課后又有同學(xué)根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的大學(xué)物理知識(shí)去研究電動(dòng)機(jī)。整個(gè)過程多門課程的知識(shí)交叉、匯集，相互促進(jìn)和提高，實(shí)現(xiàn)了正向遷移。

五、利用廣義實(shí)踐環(huán)境促進(jìn)知識(shí)體系的建構(gòu)

在談到微機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，我提出一個(gè)問題:計(jì)算機(jī)硬盤如何實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與讀寫，要求課后準(zhǔn)備，然后討論。同學(xué)們課后拆卸了硬盤，發(fā)現(xiàn)不同年代、不同廠家的硬盤結(jié)構(gòu)上有所差別，體現(xiàn)了技術(shù)的進(jìn)步和技術(shù)專利的保護(hù)策略，但是基本原理是一致的。上網(wǎng)查資料，發(fā)現(xiàn)有介紹硬盤工作原理的圖片、動(dòng)畫和視頻，也有介紹其發(fā)展趨勢的文章。經(jīng)過認(rèn)真的準(zhǔn)備和討論，獲得了豐富的認(rèn)識(shí):硬盤讀寫原理是利用電磁效應(yīng);磁疇要足夠小才能獲得大的存儲(chǔ)面密度;磁疇足夠小則要求磁頭和磁盤的間距足夠小;足夠小的間距則要求表面粗度足夠小，表面形貌足夠平整;由于磁頭有極限尺寸、磁頭/硬盤表面有極限距離，其存儲(chǔ)密度存在極限值;硬盤盤片的轉(zhuǎn)速越高，磁頭的反應(yīng)越靈敏，則讀寫速度越快;硬盤盤片必須平穩(wěn)運(yùn)行，不發(fā)生上下跳動(dòng)，否則磁頭與盤片會(huì)發(fā)生碰撞。基于這些認(rèn)識(shí)，同學(xué)們各抒己見，有同學(xué)就磁疇的排列方式提出自己的看法;有同學(xué)就磁疇的極限尺寸提出觀點(diǎn);有同學(xué)就磁頭和硬盤表面的加工方式和加工精度發(fā)表意見;也有同學(xué)認(rèn)為磁記錄技術(shù)終歸有其極限密度，不能滿足信息爆炸的需要，探索磁記錄以外的存儲(chǔ)方式，有同學(xué)查到IBM公司的千足蟲芯片技術(shù)，其原理是利用一種微陣列杠桿機(jī)構(gòu)在一種具有熱變形特性的介質(zhì)上標(biāo)記凹坑的方式記錄信息，消除凹坑來刪除信息;還有同學(xué)研究磁頭和硬盤盤片的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，有同學(xué)將拆下的音圈電機(jī)制作其它小工藝品。討論結(jié)束后，不少同學(xué)根據(jù)自己有知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及自己的興趣特點(diǎn)，豐富了自己的知識(shí)體系，達(dá)到知識(shí)建構(gòu)的目的。

六、總結(jié)

利用廣義實(shí)踐環(huán)境的一般模式是，首先提出問題，布置學(xué)生去尋找答案，可以解剖身邊能找到的實(shí)物對(duì)象，也可以上互聯(lián)網(wǎng)搜索;然后就問題展開一次多向討論，邀請(qǐng)有代表性的學(xué)生上講臺(tái)介紹其研究結(jié)果;最后教師就問題作總結(jié)。這時(shí)，其實(shí)問題的答案已不是最重要的，最重要的是學(xué)生通過這一過程，興趣被激發(fā)，獲得成就感，在討論交往的被認(rèn)可中得到心靈的滿足;通過這一過程，學(xué)過的知識(shí)將被從大腦中再一次“調(diào)出來”，同時(shí)增加新的相關(guān)知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)的正向前移;廣義實(shí)踐環(huán)境的利用，也幫助學(xué)生逐步建立和完善自己的知識(shí)體系，達(dá)到知識(shí)建構(gòu)的目的。

［1］湖南省教育廳組編.高等教育心理學(xué)［M］.長沙:湖南大學(xué)出版社，2007.

［2］馮忠良，等.教育心理學(xué)［M］.北京:人民教育出版社，2000.

［3］申儒林.摩擦學(xué)教學(xué)中學(xué)習(xí)遷移理論運(yùn)用的探討［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，(1):90 －91.

2012－04－16

中南大學(xué)校級(jí)教改課題(713010003)

申儒林(1968－)，湖南邵東人，副教授，博士。