機械設計基礎實驗教學的思考

竺志超，王 勇，謝劍云

(浙江理工大學 機械基礎實驗教學中心，浙江 杭州310018)

0 引 言

較多輿論認為，與歐美等教育發(fā)達國家學生相比，國內(nèi)培養(yǎng)的工科大學生缺乏創(chuàng)新思維和技能，缺乏動手能力，工程實踐能力與創(chuàng)新能力明顯處于劣勢［1-4］。這些問題不解決，從深層次看會阻礙國家科技實力的發(fā)展提升。所以，2010 年開始我國實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，要求高等工程教育面向社會需求，造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務。

顯然，在“卓越計劃”大環(huán)境下，工科院校工程實驗和實踐教學綜合改革亟需深化創(chuàng)新，相應的教材建設亦刻不容緩。“機械設計基礎實驗”對機械大類專業(yè)的教學、工程技術人才的培養(yǎng)都具有舉足輕重的作用。我們根據(jù)“卓越計劃”的要求，結(jié)合實驗教材建設中的體會，對“機械設計基礎實驗”課程的教學提出一些改革的方向和舉措。

1 實驗教學目標的確立與改革思路

“機械設計基礎實驗”是覆蓋機械制圖、機械原理和機械設計三門主要技術基礎課的系列實驗，它對后續(xù)的機械制造基礎、專業(yè)課實踐以及畢業(yè)設計極為重要，很多學校已獨立設課。但是教學實踐中問題還不少［5-8］，如教學內(nèi)容與工程需求脫節(jié)，教學工程背景弱化等，導致實驗教學效果不佳，學生缺乏最基礎的工程能力和綜合應用知識的能力，難以學以致用，畢業(yè)設計時對實驗設計無從下手，就業(yè)時反映出學生工程實踐經(jīng)驗缺乏，脫離實際，適應性差等。究其原因，既有教學決策問題，也有教學活動中各種要素問題，需要綜合解決之。

首先，教學目標是教學活動的動力;“學以致用”是社會的需要，也是卓越計劃的培養(yǎng)要求。作為工科的重要基礎實驗課程，明確教學目標，滿足社會需求，是提高實驗課程質(zhì)量的關鍵。本實驗課程教學目標一般是培養(yǎng)學生系統(tǒng)地掌握機械設計基礎領域的實驗原理、方法手段和實驗技能。但在實際教學過程中，常常只是要求學生理解原理和學會操作，而忽略了工程中的應用和拓展，這顯然不符合高等工程教育改革回歸工程［9-10］的要求。

因此，需要以先進教學理念為指導，做好教學決策，特別是教學目標設計。學生能力培養(yǎng)比知識傳授更重要是眾所周知的人才培養(yǎng)理念，實驗教學必須實實在在地服務于人才的培養(yǎng)和學生的發(fā)展。根據(jù)卓越計劃要求，實驗教學目標必須突出社會所需要的各種能力的培養(yǎng)，除動手能力外，尤其要著眼于學生未來發(fā)展，關注知識綜合應用能力、創(chuàng)新意識和思維能力。從機械大類專業(yè)培養(yǎng)要求來看，我們認為“機械設計基礎實驗”教學目標需要重新定位，必須強調(diào)學生機械工程基礎實驗方面發(fā)現(xiàn)問題的能力培養(yǎng)，掌握實驗系統(tǒng)集成方法，將來獨立地進行相關工程實驗研究(包括實驗目的確定、方案設計、儀器設備選用和系統(tǒng)搭接，實驗過程操作，實驗數(shù)據(jù)分析處理以及實驗方面的自主創(chuàng)新)，實現(xiàn)實驗教學“學以致用”的終極目標。

其次，針對“卓越計劃”學以致用的目標要求，重視實驗教學活動中4 個要素的作用，即教師、學生、教材和平臺。教學雙方須認清實驗教學環(huán)節(jié)的不可替代性，強化教學過程“主導”和“主體”的作用，同時創(chuàng)新有利于兩者積極性發(fā)揮的實驗教學模式。必須充分利用現(xiàn)有的先進實驗資源平臺，圍繞機械大類專業(yè)培養(yǎng)目標，結(jié)合社會用人需求［11］，更新實驗教學的內(nèi)容體系，更新實驗教材，從專業(yè)人才培養(yǎng)模式的大視角來分析，在廣度和深度上拓展實驗課程教學目標，保證學生拓寬視野、接觸工程、綜合應用，促使學生工程實踐和創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的提高。

2 實驗內(nèi)容體系設計與教材建設

“機械設計基礎實驗”一般獨立設課，課時大大增加。但很多學校獨立設課僅僅是一種形式，實驗教學內(nèi)容往往未自成體系，基本上還是零散依附于各自的理論課程，實驗安排也仍依附于理論教學進程。實踐表明若只是一個個零碎的孤立的實驗，沒有系統(tǒng)的模塊化的內(nèi)容教育，是不利于學生對實驗集成方法掌握的;沒有大的設計性、綜合性的實驗項目，綜合能力也是難以培養(yǎng)的;沒有研究性的自主的實驗項目，創(chuàng)新能力培養(yǎng)也是不現(xiàn)實的。所以，迫切需要科學地、系統(tǒng)地構建本實驗課程教學內(nèi)容體系以及內(nèi)容結(jié)構模塊，按學以致用目標要求創(chuàng)新實驗項目，編寫實驗教材。

實驗教學內(nèi)容體系是實驗教學具體目標的支撐。面向工程實際、社會需要的實驗內(nèi)容是學生學以致用的前提，也是設計“機械設計基礎實驗”教學內(nèi)容體系的根本。機械設計基礎系列理論課程主要教學目標是培養(yǎng)機械設計工程師需要掌握的領域基本理論知識、基本方法和基本技能。但如果撇開原系列理論課程的知識體系，從機械工程設計實際需求分析，內(nèi)容可以歸納為工程圖表達，機械原理方案設計，機械結(jié)構設計，運動學分析與設計和動力學分析與設計等5 個模塊。相應地作為實驗課程，以機械工程設計為主線，遵循工程設計實踐需要什么就教什么［12］的原則，可以構建包含工程圖表達實驗，原理和結(jié)構分析實驗，運動、動力學參數(shù)測定與機械性能測試實驗三大模塊實驗內(nèi)容新體系;并且為促進學科知識綜合應用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，內(nèi)容體系做適當拓展，即將3 門課程的相關實驗內(nèi)容與新技術、創(chuàng)新技法交融，構成第四個模塊——創(chuàng)新性、研究性實驗模塊。這樣的實驗內(nèi)容體系設計［13］打破了原機械設計基礎系列課程內(nèi)容體系，內(nèi)涵得到強化提升，更符合工程設計實際需要和創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)需要，有利于最大程度地實現(xiàn)本課程的學以致用實驗教學目標要求。

教材是實現(xiàn)教學目標的載體，作為實驗教學四要素之一是課程質(zhì)量的關鍵。優(yōu)秀的實驗教材除滿足教學目標需要外，能體現(xiàn)不同學生的要求，體現(xiàn)教學資源的先進性，通過實驗項目的創(chuàng)新提升實驗體系的內(nèi)涵。因此，教材編寫要強調(diào)傳統(tǒng)與現(xiàn)代、基本與拓展、繼承與創(chuàng)新、課內(nèi)與課外的結(jié)合，并貫徹以下幾個原則。

(1) 體現(xiàn)梯度性。即實驗項目層次化，內(nèi)容結(jié)構上劃分為兩大層次:大量的包括基礎性實驗模塊(驗證、認知)和設計性、綜合性實驗模塊兩類的基本型實驗，少量的包括創(chuàng)新性實驗和研究性實驗的提高型實驗。這樣，實質(zhì)上從認知和驗證性實驗，到設計性和綜合性實驗，再到創(chuàng)新性和研究性實驗，建立了眾所周知的3 個層次的實驗教學體系。

(2) 體現(xiàn)改革成果。實驗教學改革需要主動推進，從依附于理論教學轉(zhuǎn)到教學整體優(yōu)化來設計，有的教學內(nèi)容需從純理論教學轉(zhuǎn)為實驗教學，如動平衡原理及其精度等直接由實驗教學承擔，減少理論授課學時;有的理論教學內(nèi)容過分抽象，需要通過現(xiàn)場實驗教學來深化理解和鞏固，如機構運動簡圖掌握，具體結(jié)構設計等。

(3) 同類項目可選性。同類項目在實驗對象、實驗設備等教學要素上具備可選擇性。如拆裝實驗對象有減速器、發(fā)動機、變速器可選，實驗儀器設備類型也可選，符合學生需要和各校的實際。

(4) 實驗項目新穎性。教材需要廣泛吸收優(yōu)秀的實驗項目，采用先進的資源，并具有工程應用背景;同時提倡從科學研究、生產(chǎn)實踐和實驗室建設等項目中提煉出新實驗項目，也應該鼓勵學生自主選擇實驗課題進行自主開放實驗。

另外，必須指出教材編寫需要注意同步配合實驗教學模式的改革。實驗教材與實驗活動的組織緊密相關，一個實驗的目的、內(nèi)容、過程方法等統(tǒng)一在教材體系中，實驗項目的編寫結(jié)構要體現(xiàn)實驗教學目的明確，學生主體地位突出，保持學生有濃厚的興趣、自始至終參與實驗全過程，或者適合學生自主實驗和開放管理;傳統(tǒng)實驗項目要“改造一新”，強調(diào)實驗過程及實驗報告撰寫中融入學生的自學、自問、探索、應用、動手、編程、改變實驗條件、查找資料等要素，有利于提高學生的學習興趣和能力的培養(yǎng)，避免以往“電鈕一按，數(shù)據(jù)一抄，報告一交”了事的弊端;實驗項目具有獨立性和可選性，便于因材施教、因校施教和開放選修管理，滿足學生個性化培養(yǎng)需要;重視理論指導實踐，對一些實驗前必須理解的或?qū)嶒炛行杞Y(jié)合的知識點專門提出要求，以求好的實驗效果;配套制作PPT 課件，制作或采購相關影視資料，建設立體化教材體系。

3 實驗大環(huán)境的工程化建設

目前機械設計基礎實驗突出的問題是工程背景弱化，表現(xiàn)在實驗對象、內(nèi)容與工程實際結(jié)合不夠，應用性不強，使學生主體作用不強，也成了學以致用的障礙。高等工程教育是為工程服務的，培養(yǎng)的學生必須有良好的工程素質(zhì)，對工程實際有較強的適應力，所以實驗教學過程必須建立起良好的工程氛圍。這是激勵學生實驗興趣，實現(xiàn)“卓越計劃”的學以致用要求的有效途徑之一。

首先是實驗大環(huán)境的工程氛圍，客觀上強化工程背景，采用企業(yè)級測試儀器，利用行業(yè)典型設備，減少模型實驗，加強實驗內(nèi)容工程化。因為面對工程實際對象開展教學活動，可以真正理論聯(lián)系實際，提高教學質(zhì)量。一是通過實物直觀觀察，印象深刻，記憶強烈;二是應用背景明確，實驗結(jié)合實際需求，利于知識的應用及拓展;三是吸引學生的注意力，因他們往往關注事物新穎性，對企業(yè)、工程實際項目會感興趣，提高學習積極性。以我們實驗中心為例，一直堅持實驗項目內(nèi)容工程化，強調(diào)對象追求真實，有直接的工程應用背景，強調(diào)儀器設備工程化及工程應用，吸引了眾多學生的參與。如動平衡實驗，實驗對象工程化，平衡零部件來自于生產(chǎn)企業(yè);實驗內(nèi)容工程化，動平衡要求按企業(yè)圖紙進行;實驗手段工程化，平衡設備用企業(yè)級的。又如對于基礎性實驗，盡量結(jié)合工程問題，如齒輪參數(shù)測量在實驗過程中結(jié)合齒輪的加工技術。又如汽車發(fā)動機、變速器拆裝，絲織機、灌裝機等典型機械認知，機械手運動規(guī)劃，三坐標機測量都按工程化的要求進行。

其次，在實驗過程中，主觀上加強學生工程意識，包括創(chuàng)新意識、實踐意識等，制造精神氛圍?，F(xiàn)代青年學生工程認知和體驗相對缺失，有關對科學技術與工程的關系認識不清，對高等工程教育回歸工程實際的改革趨勢不理解，所以需要通過宣傳教育引導他們對工程的認識，使他們喜愛工程類專業(yè)，不僅喜歡思考，而且喜歡動手。在學生認識提高后，實驗過程做到盡量按工程實際提出要求，激勵學生自主實驗，讓學生親自搭接實驗系統(tǒng)，自己尋找問題，自己處理問題，以便獲得實際技能，取得工程經(jīng)驗和體會，掌握進行機械工程實驗的系統(tǒng)方法。此外，從大工程觀來說，與工程相關的人文、情感意志方面的培養(yǎng)也需在實驗過程中充分體現(xiàn)，如實驗室環(huán)境布置，實驗小組協(xié)作分工等，使學生在這一過程中感受、理解知識產(chǎn)生、發(fā)展、關聯(lián)、綜合、應用的過程，養(yǎng)成嚴謹?shù)目蒲凶黠L，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，形成良好習慣。

另外，實驗教學需要加強工程化方面制度建設，教學過程中體現(xiàn)工程化的規(guī)范，引導制約實驗教學活動高質(zhì)量地開展。例如，實驗評價需要關注過程中學生行為規(guī)范，學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程問題的實踐能力，包括動手能力;實驗報告中關注學生的工程思維，分析實際問題能力。又如在指導教師隊伍工程化建設方面，積極選派青年教師下企業(yè)鍛煉，熟悉工程，懂得工程問題的解決思路和處理方法，豐富工程領域?qū)嵺`經(jīng)驗，或者開展崗位培訓，使他們具有工程教育的先進理念，如大工程觀教學理念等，熱愛工程教育，同時自身工程素質(zhì)高，有強烈的工程意識，掌握工程化的教學方法，基于工程化視角去理解施展實驗教學。

4 實驗教學方法和實驗教學模式

工程實踐能力是工科學生創(chuàng)新能力的重要組成部分［14］。實驗教學模式是實驗教學目標實現(xiàn)的關鍵，先進的實驗教學模式必須將學生工程實踐能力作為高校工科人才培養(yǎng)的關鍵之一，在教學各相關環(huán)節(jié)進一步強化實踐，同時保證學生在理論知識廣度和深度上的獲得與工程創(chuàng)新能力的提高在工程實踐中達到協(xié)調(diào)發(fā)展。但是，目前機械設計基礎實驗教學一個大的問題是片面強調(diào)設備先進性及計算機應用，造成學生動手少，動腦少，實驗時開關一按數(shù)據(jù)結(jié)果全部完成，嚴重阻礙了學生對實驗原理的掌握，實驗系統(tǒng)搭接技能鍛煉，學生的創(chuàng)新思維訓練。為此，需要針對性地開展實驗教學模式的改革，尤其是教學方法和手段的改革更應重視，要明確實驗教學目標和具體目的，根據(jù)實驗項目結(jié)合學生特點探索有效的實施途徑［13，15］。

(1) 堅持“實驗中創(chuàng)新，實踐中完善”。在實驗過程中重視創(chuàng)新教育，不同類型的實驗甚至基礎性實驗對學生而言都可以有創(chuàng)新;在實踐過程中完善能力培養(yǎng)，彌補理論教學的不足。只有總體上把握好問題關鍵，才能引領實驗教學模式的改革方向。

(2) 不同類型實驗不同方法實施。針對不同的實驗項目，不同的學生，采用不同教學模式，不同的方法和手段。例如，實施分層次指導，因材施教，滿足學生的個性化的需求，充分發(fā)揮學生的學習自主性;鼓勵自主選修，對于鉆勁足的學生，積極引導參與開放性的提高型實驗;合理采用“項目驅(qū)動”方法，將實驗項目設為一個課題，學生主持研究，提出實驗的新想法，評價可行性，同時過程中提倡自主學習、研究性學習方法;提倡“比較思維”方法，教師在引導學生關注共性測試技術的同時要強調(diào)具體實驗對象和方法、手段的特殊性，進行比較和評價，加深印象，拓展學生能力。

(3) 實驗中以學生為主體。對于機械類大學生來說，關鍵是必須提高對本實驗課程的認識，理解工程實驗的內(nèi)涵及其重要性，發(fā)揮自己的主動性、鉆研精神。這是提高實驗教學效果、學生學以致用的關鍵。因此，在實驗過程中的每一個環(huán)節(jié)都需要引導好。

(4) 實驗中以教師為主導。充分理解實驗課程是以理論為基礎的實踐性環(huán)節(jié)程，注意兩者的教學協(xié)調(diào)和結(jié)合，重視理論指導，對于拓展性的內(nèi)容，教師要首先做好理論知識鋪墊，以免學生因理論基礎不足失去實驗興趣。另外，教師要積極鼓勵學生創(chuàng)新，在實驗中培養(yǎng)創(chuàng)新意識，加強創(chuàng)新技法的應用，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。在教師主導上要體現(xiàn)“‘五用’并行教學法”，使實驗主體學生在教學過程中“用耳、用腦、用眼、用手、用嘴”，充分發(fā)揮學生的能動性，引導學生深入把握實驗原理，強化動手環(huán)節(jié)和強化數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)，培養(yǎng)表達能力，包括口頭表達和書面表達。

5 結(jié) 語

“機械設計基礎實驗”是機械大類專業(yè)的重要教學環(huán)節(jié)，要提升教學質(zhì)量，首先必須明確實驗教學目標，其次必須理清實驗做什么，怎么做。以上對實驗教學目標、內(nèi)容體系及實驗教學模式上的一些思考在我校進行了實踐，教學效果明顯。這里，僅是作為拋磚引玉，希冀與廣大同行一起，通過教育創(chuàng)新，使獨立設課的初衷能夠逐步實現(xiàn)，為推進卓越計劃作出貢獻。

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