“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革

司 慧 王猛猛

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革

司 慧 王猛猛

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

通過開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，修正教學(xué)理念，強(qiáng)化認(rèn)知實(shí)習(xí)教學(xué)模式。為了增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，采取了以下幾方面的措施：增加了機(jī)械基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)習(xí)、單獨(dú)開設(shè)了“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課、向?qū)W生全天開放實(shí)驗(yàn)室、與課程設(shè)計(jì)和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合開展教學(xué)活動(dòng)等。這些措施促進(jìn)了學(xué)生個(gè)性化的發(fā)展，培養(yǎng)了一批深造于國內(nèi)外知名高校和院所的創(chuàng)新型人才。

研究性學(xué)習(xí)；機(jī)械原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新型人才

自20世紀(jì)80年代以來，以在認(rèn)知主義基礎(chǔ)上發(fā)展起來的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)的研究性學(xué)習(xí)方式，已被人們普遍認(rèn)為更適合于信息時(shí)代高級(jí)知識(shí)的學(xué)習(xí)。這個(gè)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、社會(huì)性和情境性，認(rèn)為知識(shí)不僅是通過教師傳授獲得的，也是學(xué)習(xí)者在一定的情境中，利用他人的幫助和必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得。對(duì)于工科專業(yè)的學(xué)生，這個(gè)“情境”就是將學(xué)生置于接近真實(shí)的、復(fù)雜的任務(wù)或問題中，通過親身實(shí)踐完成學(xué)習(xí)任務(wù)。而實(shí)驗(yàn)室從功能到設(shè)施，恰到好處地提供了這樣的條件。因此，筆者認(rèn)為在開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)和建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，有必要對(duì)“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐教學(xué)模式做一些改革。

一、“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題

一直以來，高等林業(yè)院校工科專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)活動(dòng)相對(duì)較弱，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)工作存在很多問題，具體表現(xiàn)如下。

(一)忽視實(shí)踐環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)教學(xué)模式過分注重理論課的教學(xué)工作，課程設(shè)置大都以理論課程為主，對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的重視程度不夠。實(shí)驗(yàn)課的主要目的是為了驗(yàn)證、鞏固和加深理論知識(shí)的內(nèi)容，而不是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深入的研究與創(chuàng)新，這嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、重復(fù)

傳統(tǒng)的“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課一般是孤立的、缺乏系統(tǒng)性的，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是單一、不變的。由于傳統(tǒng)的“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程缺少讓學(xué)生設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，所以學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力得不到提高。另外，由于“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程沒有一套完整的課程體系，致使實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性和綜合性，不利于學(xué)生對(duì)綜合知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。

(三)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、數(shù)量少

由于多年來積累的經(jīng)費(fèi)短缺、對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作重視不足等問題，致使高等林業(yè)院校工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的一些設(shè)備沒有得到及時(shí)的更新，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、落后，種類和數(shù)量也都有限，不能滿足“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的要求。

(四)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)力量薄弱

隨著招生規(guī)模和實(shí)驗(yàn)室發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)課教師嚴(yán)重不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課教師忙于實(shí)驗(yàn)，沒有時(shí)間和精力開展科研工作，致使實(shí)驗(yàn)課教師隊(duì)伍力量薄弱。另外，很多高校對(duì)實(shí)驗(yàn)課教師重視程度不夠，很多高學(xué)歷的教師不愿承擔(dān)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)工作，也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課教師隊(duì)伍力量薄弱。

(五)實(shí)驗(yàn)室資源沒有得到合理的利用

實(shí)驗(yàn)室僅僅在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候開放使用，其他時(shí)間空閑，這使得本來就稀缺的實(shí)驗(yàn)室資源沒有得到充分、有效的利用。這樣的現(xiàn)狀和問題制約了學(xué)生研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

二、“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的措施

(一)加強(qiáng)機(jī)械基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)習(xí)

為了能夠早日使學(xué)生對(duì)所研究對(duì)象有感性的認(rèn)識(shí)，熱愛所學(xué)專業(yè)，開拓眼界，增長見識(shí)，了解更多的機(jī)構(gòu)和零部件，筆者讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室開展為期3天的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。學(xué)生通過開展機(jī)械基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)習(xí)活動(dòng)，增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)機(jī)械類課程的積極性。

(二)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)比重，單獨(dú)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課

自2007年以來，北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院陸續(xù)增加了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)比重，將機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)合并為“機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程，并單獨(dú)作為一門課程開設(shè)。而機(jī)械、車輛、自動(dòng)化、木材科學(xué)、包裝工程等專業(yè)的16個(gè)班的學(xué)生都要參與“機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程的學(xué)習(xí)。

(三)分層開設(shè)實(shí)驗(yàn)

結(jié)合北京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，筆者將“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程按實(shí)驗(yàn)類型和實(shí)驗(yàn)方式分層開設(shè)，其實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)架見圖1。

圖1 “機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)體系框架

認(rèn)知和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解。學(xué)生通過認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)課堂所學(xué)的理論知識(shí)，主要包括對(duì)機(jī)構(gòu)類型、簡單機(jī)器各個(gè)組成部分、主要結(jié)構(gòu)的認(rèn)知；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)、齒輪參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)、齒輪范成加工實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)等。認(rèn)知和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)層面實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生的必修實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生進(jìn)一步掌握機(jī)械系統(tǒng)的工作原理、承載特性等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)采集能力、分析與解決問題的綜合能力。其主要包括典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測試實(shí)驗(yàn)、平面連桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的自主創(chuàng)新搭接實(shí)驗(yàn)。這部分實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)機(jī)械類專業(yè)開設(shè)，可以作為學(xué)生的選修實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，將其設(shè)為開放性實(shí)驗(yàn)，主要是以創(chuàng)新為目的的各類科技活動(dòng)制作實(shí)驗(yàn)，是為學(xué)有余力的學(xué)生提供的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)，目的是使學(xué)生得到更好的鍛煉和個(gè)性化的發(fā)展。

(四)實(shí)驗(yàn)室全天開放

實(shí)驗(yàn)室全天開放，不僅能保證學(xué)生隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室開展動(dòng)手實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，而且有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力。雖然實(shí)驗(yàn)教師人數(shù)相對(duì)較少，但可通過吸引研究生，甚至優(yōu)秀的本科生參與實(shí)驗(yàn)室的管理工作和實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)工作，確保實(shí)驗(yàn)室晚上及全天向?qū)W生開放。

為了保證實(shí)驗(yàn)室全天開放工作的順利進(jìn)行，學(xué)校制定了開放實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)施辦法。①明確宣布實(shí)驗(yàn)室開放的時(shí)間，規(guī)定好學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)的最少實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)；②制定了學(xué)生應(yīng)遵守的規(guī)章制度；③分階段公布實(shí)驗(yàn)室開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；④限定學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的日期。實(shí)驗(yàn)室全天開放，使學(xué)生能根據(jù)自己的情況，隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室預(yù)約實(shí)驗(yàn)；也吸引了有興趣參加相關(guān)競賽、需要?jiǎng)邮衷O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生根據(jù)需要到實(shí)驗(yàn)室工作。

實(shí)驗(yàn)室全天開放還能促使指導(dǎo)教師改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，做到少講、精講，并將重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作上及對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的巡視上。另外，實(shí)驗(yàn)室全天開放解決了儀器設(shè)備利用率不高的狀況，不僅充分發(fā)揮了設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，也促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室管理和建設(shè)工作的開展。因此，實(shí)驗(yàn)室的全天開放不僅是時(shí)間的開放、人員的開放，更是功能的開放。

(五)盡可能提供真實(shí)的學(xué)習(xí)情境

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)豐富的學(xué)習(xí)情境，并以此作為載體開展教學(xué)活動(dòng)。學(xué)習(xí)情境可以由教師通過精心的構(gòu)建來獲得，也可以由學(xué)生在實(shí)際的環(huán)境或模擬的環(huán)境中去實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)。而實(shí)驗(yàn)室恰當(dāng)?shù)貭I造了這一真實(shí)的學(xué)習(xí)情境。教師可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理論知識(shí)進(jìn)行講授，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室隨處可見的機(jī)構(gòu)、機(jī)器和模型等物體開展生動(dòng)、具體的提問活動(dòng)，讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、有的放矢地討論和學(xué)習(xí)。

(六)增加學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)

除了實(shí)驗(yàn)外，教師可以在每個(gè)章節(jié)都設(shè)置相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容，比如在平面連桿機(jī)構(gòu)這一章節(jié)，教師可以讓學(xué)生以小組為單位動(dòng)手制作連桿機(jī)構(gòu)。連桿的長度可以任意選擇，但要記錄每個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)情況，并說明連桿機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)，以及取不同長度連桿為機(jī)架時(shí)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況。這樣會(huì)使學(xué)生自然感受到桿的長度和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的存在關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)出平面連桿機(jī)構(gòu)的其他特性，如死點(diǎn)位置等特性。

另外，教師還可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，讓學(xué)生以研究小組的形式對(duì)簡單機(jī)械的零部件進(jìn)行解剖，如學(xué)生拆裝實(shí)驗(yàn)室的縫紉機(jī)、自行車、金相鑲嵌機(jī)及一些常用的機(jī)械產(chǎn)品等。學(xué)生通過拆裝產(chǎn)品，了解機(jī)器的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理及構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，并提交一份完整的實(shí)習(xí)報(bào)告。

(七)與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽相結(jié)合

“機(jī)械原理”課程實(shí)驗(yàn)室可以作為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽參賽學(xué)生研討問題、手工操作、修配的工作地點(diǎn)，學(xué)生利用這個(gè)工作地點(diǎn)邊設(shè)計(jì)、邊討論、邊動(dòng)手、邊修改。學(xué)生在寬松的氛圍、身臨其境的實(shí)際工作環(huán)境中培養(yǎng)靈感和創(chuàng)新精神。同時(shí)，之前的參賽獲獎(jiǎng)作品也陳列在此，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)賽事的了解，開闊了眼界，并為學(xué)生提供了積極向上的力量。另外，這里的有些作品學(xué)生還可以繼續(xù)完善和深入研究，并作為其課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等的課題。

通過以上措施，構(gòu)建了“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)新體系，使得實(shí)驗(yàn)不再是輔助環(huán)節(jié)，而是教學(xué)必須具備的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。另外，讓學(xué)生身處這樣的環(huán)境之中，可以讓學(xué)生模擬、創(chuàng)設(shè)問題的情境，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，這對(duì)于開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于探索、討論問題等至關(guān)重要。

三、“機(jī)械原理”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的效果

第一，在實(shí)驗(yàn)室開展的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)課教師提出了更高的要求，也擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的范圍，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

第二，構(gòu)建了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，為學(xué)生提供了開放式的教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)了學(xué)生個(gè)性化的發(fā)展。

第三，擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面。在實(shí)驗(yàn)室中開展的各類實(shí)踐活動(dòng)通常要求學(xué)生設(shè)計(jì)、搭建、制作實(shí)物裝置，包括原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)、控制器等部分的設(shè)計(jì)，而這些設(shè)計(jì)涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、CAD繪圖、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及控制原理等方面的知識(shí)。

第四，取得了好的培養(yǎng)成績。學(xué)生在參加教學(xué)研究項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等活動(dòng)時(shí)，取得了一些成果。比如在2010、2012年的大學(xué)生“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中獲得國家級(jí)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，北京市一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)7項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。另外，學(xué)生在參加這些活動(dòng)中，培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng)，2009級(jí)有4名學(xué)生進(jìn)入了美國哥倫比亞大學(xué)、匹茲堡大學(xué)和德國的高校讀研，同時(shí)還有多名學(xué)生保送到國內(nèi)知名高校和院所讀研。

[1] 司慧，于文華，田野，等.開展研究性學(xué)習(xí) 促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(增刊)：104-106.

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(責(zé)任編輯 孫艷玲)

北京林業(yè)大學(xué)2013年教學(xué)研究項(xiàng)目“面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)”，項(xiàng)目編號(hào)BJFU2013JG034。