基于“慧魚(yú)”模型實(shí)習(xí)課程的改革與啟迪

方 琳，張遠(yuǎn)明

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211102)

0 引言

常規(guī)以演示和驗(yàn)證為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，缺乏引導(dǎo)學(xué)生自主分析、思考和研究，無(wú)法給學(xué)生一個(gè)自由發(fā)揮創(chuàng)造的空間［1，2］。“慧魚(yú)”創(chuàng)新組合模型是技術(shù)含量較高的工程技術(shù)類智趣模型，它由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動(dòng)構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)等不同模塊組成［3，4］。通過(guò)模塊的不同拼裝、重構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)形成不同種類產(chǎn)品。圖1所示的“慧魚(yú)”模型產(chǎn)品為工業(yè)機(jī)器人。這個(gè)“慧魚(yú)”產(chǎn)品給學(xué)生提供了自主搭建模型和與電腦程序相結(jié)合的實(shí)踐平臺(tái)，已成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力的重要載體之一。它所提供的思維開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)方式充分體現(xiàn)了“以學(xué)生發(fā)展為本，以能力發(fā)展為主”的現(xiàn)代教育方式。

圖1 “慧魚(yú)”模型構(gòu)成的產(chǎn)品—工業(yè)機(jī)器人

利用該產(chǎn)品所提供的思維開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)方式是培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力的有效途徑，是高等學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才進(jìn)行創(chuàng)新素質(zhì)教育的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。該課程計(jì)劃雖只有兩天的時(shí)間，仍能在有限的條件下較好完成教學(xué)任務(wù)。

然而，我國(guó)一些高校過(guò)去引進(jìn)“慧魚(yú)”模型僅僅只是作為教具，側(cè)重于操作訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的開(kāi)放性、思維創(chuàng)新性開(kāi)拓重視不夠，達(dá)不到創(chuàng)新性素質(zhì)教育的目的。

本文結(jié)合我校的基于“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)課程教學(xué)改革，提出了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、理論和實(shí)踐結(jié)合、反思討論型教學(xué)等開(kāi)展“慧魚(yú)”創(chuàng)新實(shí)習(xí)教學(xué)的改革思路。

1 “慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)原則

要想使“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)上檔次，關(guān)鍵是要明確開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)的基本原則和改革的基本思路。

開(kāi)放性實(shí)習(xí)應(yīng)確立以項(xiàng)目啟動(dòng)方式為主，采用啟發(fā)式教學(xué)原則，重視創(chuàng)新性思維和實(shí)踐技能的訓(xùn)練，同時(shí)掌握機(jī)械工藝和電氣工藝的基本理論，將理論、工藝實(shí)踐、工藝分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論等多方面的教學(xué)融為一體。實(shí)習(xí)教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性、綜合性和整體性，使學(xué)生在“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)中獲取機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新能力，以得到科學(xué)研究創(chuàng)新性思維的初步訓(xùn)練。

2 開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容改革思路

2.1 優(yōu)化現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容

“慧魚(yú)”模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，自從其創(chuàng)始人ArturFishen博士1964年發(fā)明以來(lái)，已在歐、美國(guó)家大、中、小學(xué)作為教具得到廣泛應(yīng)用，在我國(guó)許多高校也以作為創(chuàng)新教具開(kāi)始了“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性教學(xué)。其開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容也已成為較為成熟和穩(wěn)定的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)能展示和體現(xiàn)現(xiàn)代科技發(fā)展及先進(jìn)的機(jī)械和電氣工藝水平，但我們不能把所有的先進(jìn)內(nèi)容都包含到教學(xué)內(nèi)容里，必須突出重點(diǎn)，兼顧全面。我們針對(duì)不同類專業(yè)和不同層次水平的學(xué)生，在“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性教學(xué)整體知識(shí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)不同的重點(diǎn)和個(gè)性，在實(shí)踐中不斷探索和完善。如針對(duì)基于“慧魚(yú)”模型的機(jī)器人部分，要介紹機(jī)器人技術(shù)入門實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必須更多注重于機(jī)械模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容，而自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生應(yīng)著重于自動(dòng)控制知識(shí)和編程內(nèi)容的訓(xùn)練，而土木類專業(yè)，學(xué)生可以只學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)入門實(shí)驗(yàn)部分。

2.2 創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力同時(shí)提高

“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)重視創(chuàng)新思維訓(xùn)練，重視實(shí)踐，反映出模型具有的科學(xué)性和實(shí)踐性。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程側(cè)重創(chuàng)意、理論、實(shí)踐和分析綜合，啟發(fā)學(xué)生思路，注重自由創(chuàng)新，提高解決問(wèn)題的能力。

“慧魚(yú)”模型擁有很多不同的模塊，不同的組合會(huì)形成不同的產(chǎn)品，要啟發(fā)學(xué)生要有開(kāi)放性思維，對(duì)生活中所見(jiàn)的任何平臺(tái)，都可以通過(guò)對(duì)不同模塊的重新組合設(shè)計(jì)而得到。如對(duì)“慧魚(yú)”智能機(jī)器人的制作，學(xué)生在開(kāi)始的模仿學(xué)習(xí)階段，通過(guò)對(duì)提供的資料、圖片、教具進(jìn)行觀察、研究和琢磨，加強(qiáng)對(duì)傳感器、機(jī)器人技術(shù)和Robo Pro編程等原理的理解，進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)模仿性實(shí)驗(yàn)，獲取感性認(rèn)識(shí)。我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的提示制作慧魚(yú)機(jī)器人，學(xué)習(xí)各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式，結(jié)合電腦語(yǔ)言編程，對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行編程和控制;學(xué)生應(yīng)在此基礎(chǔ)上對(duì)已制作好的機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，使之實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)作;最后學(xué)生應(yīng)當(dāng)擺脫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的束縛，創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器。

2.3 建立較為完整的教學(xué)內(nèi)容體系

我們安排“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)在實(shí)習(xí)教學(xué)中既要考慮到少量的比較完整的機(jī)械工藝?yán)碚摵碗姎庵R(shí)，又要防止片面強(qiáng)調(diào)課程的系統(tǒng)性和全面性。

開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動(dòng)、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件(機(jī)械元件/電氣元件/氣動(dòng)元件)，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件配合，運(yùn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程和大型設(shè)備的模擬和還原。作為一個(gè)教學(xué)內(nèi)容體系，我們應(yīng)針對(duì)不同專業(yè)和不同層次的學(xué)生，對(duì)內(nèi)容有所側(cè)重，適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。如在一、二年級(jí)可以結(jié)合機(jī)械類課程或金工實(shí)習(xí)，安排機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型搭建，而在三年級(jí)可以安排各種機(jī)電智能模型制作。同時(shí)我們應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自由創(chuàng)新，讓其掌握基本知識(shí)后，以項(xiàng)目形式，自由申請(qǐng)或安排小作品制作。

3 教學(xué)方式的改革

3.1 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

教師在講解過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行?！盎埕~(yú)”的模塊化給計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)帶來(lái)了很多便利。課程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型的搭建、機(jī)電智能小車、工業(yè)機(jī)器人、步行機(jī)器人以及多足機(jī)器人等，都可以用三維動(dòng)畫的方式進(jìn)行講解。Flash動(dòng)畫也是輔助教學(xué)的一個(gè)重要方式，藉此可以使學(xué)生加深思考。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，可以擴(kuò)大實(shí)踐知識(shí)的視野，介紹一些新的技術(shù)及其應(yīng)用，同時(shí)也可彌補(bǔ)實(shí)踐條件不足的機(jī)械或電氣工藝。對(duì)不同類專業(yè)的學(xué)生，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，選擇計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)更為方便。

3.2 開(kāi)展專題探討

教師和學(xué)生從示范操作和獨(dú)立實(shí)踐過(guò)程中可組織專題研討。我們結(jié)合新的設(shè)計(jì)工藝和技術(shù)評(píng)議以及結(jié)合實(shí)踐技能的研究進(jìn)行討論評(píng)議，加以總結(jié)，通過(guò)學(xué)生的思維、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言以及動(dòng)手操作等得出切身體會(huì)的結(jié)論。以此培養(yǎng)學(xué)生策劃項(xiàng)目、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力及團(tuán)隊(duì)精神。

3.3 開(kāi)展反思型教學(xué)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，北美教育界掀起了開(kāi)展反思型教學(xué)的教育運(yùn)動(dòng)。在“慧魚(yú)模型”開(kāi)放性實(shí)習(xí)教學(xué)中，由于實(shí)踐性強(qiáng)，師生通過(guò)語(yǔ)言對(duì)話、操作行為對(duì)話、與自己對(duì)話、與備課內(nèi)容對(duì)話以及學(xué)生間對(duì)話等方式進(jìn)行反思，既可提高教師本身的專業(yè)水平，從應(yīng)試教育教師向創(chuàng)新素質(zhì)教育教師轉(zhuǎn)變，同時(shí)也使學(xué)生受到良好的素質(zhì)教育。

反思教學(xué)的重點(diǎn)是:教師在知識(shí)介紹、講解及示范操作過(guò)程中，不是單純把信息傳遞給學(xué)生，而是讓學(xué)生自己學(xué)會(huì)建構(gòu)知識(shí);在講解過(guò)程和實(shí)踐操作時(shí)，教師擔(dān)當(dāng)?shù)氖菃l(fā)、引導(dǎo)和輔助的角色，主動(dòng)與學(xué)生對(duì)話，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中能夠張楊個(gè)性，勇于創(chuàng)新。

如動(dòng)手操作示范時(shí)，對(duì)于一般機(jī)械專業(yè)的學(xué)生可講解并實(shí)踐智能小車的設(shè)計(jì)。方案解析、硬件搭建和軟件編程時(shí)均在教師啟發(fā)下進(jìn)行，鼓勵(lì)學(xué)生多提疑問(wèn)。學(xué)生如已實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一控制，那么一點(diǎn)對(duì)多個(gè)小車的控制可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要有解決辦法。教師在講解時(shí)，應(yīng)更多地讓學(xué)生自己到實(shí)踐中體會(huì)和思考。示范操作當(dāng)中，不僅要講解自己體會(huì)，應(yīng)更多讓學(xué)生自己到實(shí)踐中體會(huì)和思考，去分析失敗與成功的原因。學(xué)生在作品制作階段自己選擇課題，完成制作過(guò)程和制作工藝，獨(dú)立完成創(chuàng)新作品。這樣一來(lái)，學(xué)生整個(gè)的學(xué)習(xí)過(guò)程將會(huì)成為一個(gè)在實(shí)習(xí)教師啟發(fā)下的自我學(xué)習(xí)和修正自我的過(guò)程，學(xué)生的素質(zhì)會(huì)大為提高。

3.4 成績(jī)的評(píng)定

實(shí)習(xí)教學(xué)成績(jī)通?？紤]學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、操作能力和作品質(zhì)量來(lái)綜合評(píng)定。為了更為全面地考核學(xué)生，在綜合考慮上面三個(gè)因素外，還可以考慮口試方式，詢問(wèn)在設(shè)計(jì)和完成作品中遇到的問(wèn)題和解決辦法，如遇見(jiàn)問(wèn)題如何處理等。并且，我們還要根據(jù)作品的創(chuàng)新程度、自我學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果、安全教育和德育品質(zhì)等方面綜合評(píng)定。

4 結(jié)語(yǔ)

“慧魚(yú)”模型在高校實(shí)驗(yàn)室的引進(jìn)使用，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)良好的動(dòng)手環(huán)境，使之可以進(jìn)行開(kāi)放式的創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以在四年的時(shí)間里，銜接對(duì)應(yīng)所學(xué)課程開(kāi)展具有針對(duì)性的多層次應(yīng)用。學(xué)生可將已學(xué)習(xí)過(guò)的各類知識(shí)加以串聯(lián)運(yùn)用，進(jìn)行創(chuàng)新。為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的目標(biāo)，需要對(duì)“慧魚(yú)”模型開(kāi)放性實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選定以及創(chuàng)新性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè)方面進(jìn)行改革。

［1］肖曉萍，廖青.“慧魚(yú)”教具在大學(xué)生創(chuàng)新教育中的探索研究［J］.綿陽(yáng):西南科技大學(xué)高教研究，2006，22(2):36-37.

［2］田亞平.基于“慧魚(yú)”模型的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新模式探索［J］.北京:中國(guó)電力教育，2011，27(19):128-129.

［3］朱志松，徐海黎，等.機(jī)電專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):8-10.

［4］張鐵異，曹曉中，黃炳瓊.慧魚(yú)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)［J］.南寧:廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，32(S):12-14