車輛課程中“逆向”教學(xué)模式與3D實(shí)驗(yàn)探索

李寶林， 唐 力

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

車輛課程中“逆向”教學(xué)模式與3D實(shí)驗(yàn)探索

李寶林， 唐 力

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

汽車構(gòu)造課程主要以多媒體方式為主并輔助模型為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一些學(xué)校以拆裝實(shí)驗(yàn)來鞏固課堂上的理論教學(xué)，多數(shù)則是在實(shí)驗(yàn)室觀看透明模型或演示板。課堂教學(xué)內(nèi)容以基礎(chǔ)知識、機(jī)械原理與制造等專業(yè)基礎(chǔ)課程之后，各類專業(yè)課蜂擁而上令學(xué)生應(yīng)接不暇難以理解。在學(xué)生初始接觸專業(yè)理論課即有針對性的講授一個(gè)完整的機(jī)械，敘述其“功能—組成—原理”之后再學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過嘗試這種“逆向”的專業(yè)課安排的方式，輔設(shè)3D實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生獨(dú)立思考并在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課過程中提出問題提高課堂效果。

汽車構(gòu)造； 發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造； “逆向”教學(xué)模式； 素質(zhì)教育； 3D打印實(shí)驗(yàn)

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車構(gòu)造是目前車輛及機(jī)械類專業(yè)的主要課程。授課內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)條件設(shè)備、授課方法及教師的個(gè)人素質(zhì)等因素在很大程度上決定了授課效果，同時(shí)作為機(jī)械專業(yè)的重要課程，是在機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝制造、液壓傳動(dòng)等專業(yè)基礎(chǔ)課程之后的一門起到承前啟后的課程，直接影響到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，正如時(shí)銘顯院士指出新時(shí)代工程師應(yīng)培養(yǎng)其多方面的素質(zhì)和能力[1]。

工科高校的機(jī)械類課程很多內(nèi)容也是以車輛內(nèi)容為主，其主體結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計(jì)方法等都是機(jī)械專業(yè)中經(jīng)典的結(jié)構(gòu)及理論知識的代表[2-3]，是基礎(chǔ)課程的延伸和理論知識應(yīng)用的實(shí)例，是從理論進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一直在向國外名校成功的教學(xué)方式學(xué)習(xí)、嘗試、探索的過程[4-6]。

1 教學(xué)內(nèi)容與模式的調(diào)整

我校通過指導(dǎo)學(xué)生機(jī)械制作和一些創(chuàng)新活動(dòng)對低年級的學(xué)生即開始系統(tǒng)的講授車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)等內(nèi)容，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主思考的能力，并在活動(dòng)中體會(huì)得到了“逆向”教學(xué)方式促進(jìn)學(xué)生專業(yè)知識學(xué)習(xí)和素質(zhì)能力的培養(yǎng)。

1.1 傳統(tǒng)的教學(xué)模式與“逆向”授課嘗試

“基礎(chǔ)課—專業(yè)基礎(chǔ)課—專業(yè)課—畢業(yè)設(shè)計(jì)”是工科院校學(xué)生從新生入學(xué)開始的“必由之路”。已經(jīng)習(xí)慣了高考前的應(yīng)試教育的模式培養(yǎng)的學(xué)生，在沒有很好的適應(yīng)過程即開始了另一種“應(yīng)試”的學(xué)習(xí)模式。大學(xué)教師按時(shí)上課，按時(shí)下課，下課即離開，很多學(xué)生在專業(yè)課開始后仍然不知所學(xué)內(nèi)容和自己未來的方向。各科內(nèi)容只有在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中才有一個(gè)“綜合訓(xùn)練”的過程，很難將所學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合、融會(huì)貫通成為真正的知識。

車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)容確實(shí)復(fù)雜，對于沒有專業(yè)知識的學(xué)生教學(xué)無從下手。如果嘗試在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課之前即灌輸學(xué)生未來要做哪些工作、需要哪些知識、掌握哪些基本技能，初步了解車輛的結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)的組成和功能，將會(huì)更好地引導(dǎo)學(xué)生有意識地學(xué)習(xí)和思考。

違反常規(guī)的“逆向”授課方式可先介紹機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，比如先講發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛的功能和組成，有了這些概念再引導(dǎo)學(xué)生要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容、掌握哪些技能、建立哪些理念。

目前學(xué)生的機(jī)械制作和比賽都起到了推動(dòng)學(xué)生制作和對創(chuàng)新探索的活動(dòng)，也促進(jìn)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，對學(xué)生的培養(yǎng)也突顯成效。但這些還局限在極少一部分學(xué)生中，尚不能起到廣泛的推動(dòng)作用，如果這些活動(dòng)在一定形式上進(jìn)行改變并推廣到整體教學(xué)中，成為全面改革將會(huì)對總體的教學(xué)質(zhì)量有著極大的改善。

初期這些嘗試可以由專業(yè)基礎(chǔ)教師講授，也可以由目前各類高校中的“導(dǎo)師”“班主任”來引導(dǎo)或以講座的方式循序漸進(jìn)的介入。

1.2 三維設(shè)計(jì)及3D實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改善教學(xué)效果

汽車的發(fā)展日新月異，層出不窮的汽車新技術(shù)與現(xiàn)有教材的更新速度脫節(jié)，線條式原理圖枯燥乏味，對于專業(yè)技能尚未熟練掌握的學(xué)生很難理解。

一些院校使用的教材內(nèi)容為30年前的車輛設(shè)計(jì)及加工技術(shù)，其車型、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、車輛電控等配置結(jié)構(gòu)及原理圖仍然采用早期的車輛原理和圖片，發(fā)動(dòng)機(jī)及零部件仍然以機(jī)械剖面圖結(jié)構(gòu)為主，總體圖結(jié)構(gòu)圖交叉錯(cuò)落的線條對于基礎(chǔ)知識并不熟練的學(xué)生理解有些困難。不僅分析、講解困難，同時(shí)也極易帶來視覺的疲勞感，這種被戲稱為“毀主觀”的原理圖極易導(dǎo)致學(xué)習(xí)的惰性，長時(shí)間消極被動(dòng)的學(xué)習(xí)也影響了課程的學(xué)習(xí)甚至養(yǎng)成了死記硬背的壞習(xí)慣。尤其以現(xiàn)代教學(xué)方式中豐富的資料和多媒體視覺效果的沖擊[7]，車輛學(xué)科教材的更新與形式的改進(jìn)更為重要。

在實(shí)際課堂教學(xué)中，一些機(jī)械結(jié)構(gòu)采用三維設(shè)計(jì)軟件的對比講解有著良好的課堂效果[8]。例如很多教程中發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)還是普通進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)中氣門的開啟、氣門間隙調(diào)整等內(nèi)容為主，如以三維軟件演示液壓挺柱的結(jié)構(gòu)、功能的改進(jìn)，與普通進(jìn)排氣門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比和演示，更能體現(xiàn)出現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品更新等內(nèi)容，也能進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也更好地理解結(jié)構(gòu)的用途、實(shí)現(xiàn)的功能、設(shè)計(jì)方法，以及更好地理解設(shè)計(jì)的理念和現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用技能。

1.3 實(shí)驗(yàn)增加3D打印

教材中的原理圖采用三維裝配或分解圖更具視覺上新鮮感，很好改變課堂上的氣氛與教學(xué)效果，同時(shí)更好的讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念。但原有的實(shí)驗(yàn)課多數(shù)是以透視模型、解剖模型、教學(xué)演示板為主，更由于安全考慮，一些可能出現(xiàn)砸傷、磕碰的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容取消或變成了“參觀”，實(shí)驗(yàn)課枯燥乏味[9]。尤其以目前多媒體視頻等教學(xué)方式的融入，更暴露出現(xiàn)有教材內(nèi)容和方式的脫節(jié)，也凸顯其陳舊過時(shí)更需要進(jìn)一步更新[10]。

實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容可擴(kuò)展一些學(xué)生感興趣的內(nèi)容，比如學(xué)生在課題學(xué)習(xí)零部件的功能、三維設(shè)計(jì)后，實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)并進(jìn)行的3D打印實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)的內(nèi)容更接近實(shí)際的應(yīng)用，也有利于今后的學(xué)習(xí)和研究工作[11-12]，實(shí)驗(yàn)課也更安全。

1.4 層次化課堂教學(xué)側(cè)重點(diǎn)不同

不同類型的學(xué)校、不同方向的培養(yǎng)應(yīng)選擇不同的教材。

經(jīng)典教材中很好地講述了各種機(jī)構(gòu)的原理，例如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的化油器、柴油機(jī)的直列單體泵、搖臂式進(jìn)、排氣門等，這些對于設(shè)計(jì)方向掌握其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法是一個(gè)很好的教學(xué)內(nèi)容，但對于應(yīng)用型學(xué)生的培養(yǎng)因?qū)W時(shí)的限制，該類的內(nèi)容沒有必要講述。

對于應(yīng)用型學(xué)生的培養(yǎng)，就業(yè)為汽車營銷、服務(wù)等，側(cè)重點(diǎn)以現(xiàn)代車輛結(jié)構(gòu)為主；而對于培養(yǎng)設(shè)計(jì)方向的人才，應(yīng)側(cè)重原理和設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容。

1.5 理論與實(shí)踐結(jié)合靈活多樣

高校車輛學(xué)科不同專業(yè)不同方向培養(yǎng)學(xué)生的出發(fā)點(diǎn)和培養(yǎng)的目的不同，大體可以分為設(shè)計(jì)類人才，應(yīng)用技術(shù)人才兩類。對于未來可能從事設(shè)計(jì)工作的人才，在教學(xué)上應(yīng)注重車輛的原理、結(jié)構(gòu)和功能等，為未來從事車輛設(shè)計(jì)、研發(fā)開發(fā)進(jìn)行創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，并對設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度校核、失效形式分析的模式重點(diǎn)講解或進(jìn)行啟發(fā)式的討論；對應(yīng)用技術(shù)人才或以結(jié)構(gòu)原理及功能等方面為授課重點(diǎn)進(jìn)行講解，實(shí)踐環(huán)節(jié)如發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、底盤功能部件拆解等實(shí)驗(yàn)方式代替課堂授課效果更佳。

在實(shí)踐方面學(xué)生更應(yīng)注重“實(shí)操”的培訓(xùn)，輔助以少量的理論內(nèi)容教學(xué)更加有效。我國目前實(shí)際應(yīng)用技術(shù)人才的缺口較大，同時(shí)面臨著車輛、機(jī)械工業(yè)人才需求的快速發(fā)展，都凸顯使用人才的重要。

1.6 授課重點(diǎn)的選擇

車輛課程涉獵知識寬泛，受教學(xué)課時(shí)所限所有內(nèi)容逐一講解，不分專業(yè)側(cè)重只能敘及淺表，師生按照大綱奔命于內(nèi)容、應(yīng)對于考試，類同于掃盲、培訓(xùn)，根本無法學(xué)到專業(yè)知識，也無法達(dá)到培養(yǎng)實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的目的。

授課內(nèi)容選擇、講解重點(diǎn)突出，而對于易于理解內(nèi)容如車輛構(gòu)造、工作過程等的內(nèi)容留給學(xué)生自主學(xué)習(xí)。如一些教材中化油器的內(nèi)容，對于機(jī)械或車輛設(shè)計(jì)、研發(fā)專業(yè)的學(xué)生，化油器是很好的教學(xué)內(nèi)容，不僅化油器的結(jié)構(gòu)種類多，同時(shí)怠速、加濃、加速等不同的工況有不同的油路和控制方式，這類知識對于提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、應(yīng)對今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的改進(jìn)開闊了思路，而其他知識則自學(xué)或討論。對于車輛應(yīng)用方向?qū)W生，則只是介紹普通化油器的功能而不必要講述其原理，即授課的對象應(yīng)不同講述的內(nèi)容和重點(diǎn)也不盡相同，掌握這一點(diǎn)即可很好靈活地講好這門課程。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇與實(shí)驗(yàn)方法的更新

車輛專業(yè)課程的特點(diǎn)是實(shí)物教學(xué)直觀、易于理解，但有些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的通孔、功能性部件等內(nèi)容的講授單純看課本或PPT難以理解。

許多即便內(nèi)容在課堂上對照圖片、原理圖反復(fù)講解學(xué)生還是難以真正理解其構(gòu)造、工作原理，特殊零件的名稱和工作過程由于太多難以理解亂成一團(tuán)。然而面對實(shí)物解剖圖講解時(shí)，只需進(jìn)行提示學(xué)生即豁然開朗。車輛零部件很多其結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系又難以理解，針對模型、實(shí)物只需進(jìn)行比對即可一目了然，因此車輛構(gòu)造的內(nèi)容更須授課與實(shí)驗(yàn)相互交替進(jìn)行才能取得最佳效果，尤以發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓挺柱、柴油柱塞泵、活塞連桿機(jī)構(gòu)等更為有效的教學(xué)方法是以拆裝實(shí)驗(yàn)為主，多種結(jié)構(gòu)反復(fù)比較慢慢理解才能取得良好的教學(xué)效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新

車輛構(gòu)造、發(fā)動(dòng)機(jī)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加拆裝、三維測繪、3D打印等改善教學(xué)效果。

高考的強(qiáng)化應(yīng)試方式在學(xué)生的腦海中已形成思維的慣性：教師反復(fù)講解重點(diǎn)、學(xué)生整理重點(diǎn)、考試前死記硬背，再去揣摩分析題意怎樣獲取高分或順利通過考試。實(shí)驗(yàn)報(bào)告也成為了一種模式，千篇一律的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式甚至成為了標(biāo)準(zhǔn)的模板[13-15]，結(jié)果是學(xué)生似乎是進(jìn)行了一個(gè)更為專業(yè)的職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，卻沒有得到預(yù)期的專業(yè)技能的培養(yǎng)。

全部124例患者中有34例患者出現(xiàn)了高鈉血癥,這些患者接受治療和護(hù)理后,有22例被治愈,有12例死亡,有16例患者的休克期不穩(wěn)定,35例膿毒癥,7例急性腎衰,12例死亡。我們將大面積燒傷患者分成了高鈉血癥死亡組,高鈉血癥存活組及非高鈉血癥組,對比三組的血鈉水平、燒傷面積,和病因發(fā)病例數(shù),結(jié)果存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性。

2.2 實(shí)驗(yàn)手段和方法更新

以觀察實(shí)物、測繪、教學(xué)板等講解增加以常規(guī)測量、三維測繪和三維建模，輔助以公差設(shè)計(jì)或以拆裝和3D打印實(shí)物替代部分零件等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

通常車輛實(shí)驗(yàn)課是在模型室完成，面對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型、實(shí)物、展示板等講解后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種方式已經(jīng)成為固定的模式，對于學(xué)生來講缺乏新意。如果在實(shí)驗(yàn)課中添加完成三維圖，并用3D進(jìn)行打印出來，結(jié)合零部件的公差、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)課程內(nèi)容，以實(shí)際加工要求為目標(biāo)，多學(xué)科交叉，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更容易讓學(xué)生掌握機(jī)械方面的知識。

2.3 “逆向”授課方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

以發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛實(shí)車實(shí)驗(yàn)為切入，了解發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的功能、用途、作用等為先導(dǎo)，接續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理、汽車?yán)碚摰日n程的跟進(jìn)并詳細(xì)剖析，讓學(xué)生有一個(gè)好奇和興奮的開始，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

在實(shí)際體驗(yàn)過程中，有同學(xué)因?yàn)橛行﹥?nèi)容沒有完全理解而再次去實(shí)驗(yàn)室聽課或自己去進(jìn)行拆裝實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識。

通過“逆向”教學(xué)的模式不僅提高了學(xué)習(xí)的效果同時(shí)也很好地鞏固了基礎(chǔ)知識的掌握和更深層次的理解，如機(jī)械原理中的齒輪傳動(dòng)、自由度的分析、機(jī)械設(shè)計(jì)中的要求等更讓學(xué)生掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造的內(nèi)涵。

車輛課程教學(xué)過程中，先讓學(xué)生了解功能、用途，并進(jìn)行拆卸、組裝。尤其看到發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛起動(dòng)的時(shí)刻，會(huì)激起學(xué)生極強(qiáng)的興奮點(diǎn)，也促使學(xué)生有一個(gè)學(xué)習(xí)的激情。對比傳統(tǒng)的模式，上課開始就進(jìn)行原理、結(jié)構(gòu)的授課方法，就極易導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)惰性甚至是麻木的學(xué)習(xí)態(tài)度。在工科的一些課程中也可以參照這個(gè)方法進(jìn)行嘗試，比如在“幾何量公差與檢測”課程中就可以先引用一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品加工的實(shí)例進(jìn)行剖析，講解零部件之間的配合與特性，讓學(xué)生在課程的初始就完全理解了該課程的作用和應(yīng)該掌握的專業(yè)知識。

3 結(jié) 語

發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛構(gòu)造課程是機(jī)械及制造專業(yè)中具有典型代表的課程，變換教學(xué)模式，針對將來學(xué)生的工作和就業(yè)方向有意識地培養(yǎng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、零件制造、設(shè)備維護(hù)等不同技能知識的人才,為將來從事各自喜歡的工作，教材的選擇、內(nèi)容的選擇、方式增加等應(yīng)符合時(shí)代的發(fā)展并及時(shí)更新，不應(yīng)以“經(jīng)典內(nèi)容”為理由而固步自封,不思開拓。

車輛“逆向”教學(xué)方法的嘗試也感悟到機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)的專業(yè)課,如果采用先講授完整機(jī)械設(shè)備的功能及用途，再另行拆解部件及機(jī)構(gòu),講授傳動(dòng)原理，或許更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生對專業(yè)的興趣并提高教學(xué)效果。

不論采用什么教學(xué)方式和增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師的專業(yè)知識和精力的投入是保證授課效果的首要條件。

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“Reverse” Methods in Vehicle Teaching and Experiments with 3D Print Exploring

LIBao-lin,TANGLi

(China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China)

Automobile structure courses were mainly composed of multimedia and model for experimental content. Some schools were supplemented by disassembling experiments to consolidate the classroom theoretical teaching and most were watching the transparent model in the laboratory or demo board. Classroom teaching content starts with basic theory, mechanical theory and manufacturing and other professional foundation course. All kinds of professional courses rushing makes students understand difficultly. If students understand work process of an engine then these will target them study. After introducing “function-component-principle” the students then learn other mechanical professional basic courses. By trying to this way of the “reverse” course arrangement and adding 3D experiment content, the students’ interest is increased, and independently think about principle of device is also increased, they could ask questions in the process of learning professional basic course.

automobile structure; engine structure; “reverse” teaching methods; quality education; 3D printing experiment

2016-03-01

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目

李寶林(1962-)，男，吉林人，博士，研究員，主要從事車輛及公差等課程教學(xué)與特種車輛、礦山機(jī)械、風(fēng)電設(shè)備等方面的研究工作。Tel: 0516-83995210；E-mail: li-baolin@163.com

G 642.0

A

1006-7167(2017)01-0212-03