機(jī)械專業(yè)教學(xué)中計(jì)算思維能力培養(yǎng)探索

汪步云，劉三民，趙森嚴(yán)

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，蕪湖 241000）

0 引言

計(jì)算思維應(yīng)該是工科學(xué)生必備的思維之一，是工科學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)與工程邏輯思考能力重要的培養(yǎng)方向。Jeannette M.Wing對(duì)計(jì)算思維的定義是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)之廣度的一系列思維活動(dòng)，同時(shí)指出計(jì)算思維是每個(gè)人應(yīng)具備的基本技能[1]。因此，計(jì)算思維不應(yīng)該僅屬于計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的思維方式，而是每個(gè)人都應(yīng)當(dāng)具備的一種思維方式，那么培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力就不應(yīng)該只針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，而是應(yīng)該面向理工科的所有專業(yè)學(xué)生。計(jì)算思維概念的提出是對(duì)傳統(tǒng)課程教學(xué)的一個(gè)巨大沖擊，要把計(jì)算思維引入到機(jī)械專業(yè)的教學(xué)中來，培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生具有計(jì)算思維能力更是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。筆者以《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課作為實(shí)踐，探索如何培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)械專業(yè)課程的一個(gè)重要組成部分，更是培養(yǎng)大學(xué)生養(yǎng)成用計(jì)算思維方式解決專業(yè)問題，成為復(fù)合型創(chuàng)新人才的專業(yè)基礎(chǔ)性教育課程。但培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生具有一定的計(jì)算思維能力卻是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，因?yàn)闄C(jī)械專業(yè)學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)課程的機(jī)會(huì)比較少，很不利于計(jì)算思維的形成，基于傳統(tǒng)的機(jī)械教學(xué)模式已經(jīng)不能解決這些問題，這就要求授課教師要探索研究出一套新的教學(xué)形式、新的教學(xué)內(nèi)容、新的教學(xué)方法來解決這些問題，在平時(shí)的教學(xué)中有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，提升他們對(duì)問題的求解能力，同時(shí)必須深入思考如何在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，讓機(jī)械專業(yè)學(xué)生逐步具備面對(duì)問題時(shí)自覺的應(yīng)用計(jì)算思維的方法去分析問題和解決問題的能力。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

1.1 教學(xué)模式陳舊化

目前，我國(guó)高校機(jī)械專業(yè)的教學(xué)模式依然停留在原有的授課方法上，即以課堂講授為主以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的這種模式，由于機(jī)械專業(yè)課程的知識(shí)內(nèi)容往往是抽象復(fù)雜的，晦澀難懂的，這樣會(huì)造成授課教師在講授一個(gè)抽象復(fù)雜的問題時(shí)，學(xué)生聽不懂，長(zhǎng)此下去學(xué)生開始對(duì)該課程失去興趣，上課玩手機(jī)，更不可能在課下對(duì)該課程的作業(yè)認(rèn)真地完成，進(jìn)而深入思考。由于理論知識(shí)不扎實(shí)，在實(shí)驗(yàn)課中就不可能較好地完成授課教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也只是相互抄襲，對(duì)實(shí)驗(yàn)思考題部分不會(huì)深入探究，使得實(shí)驗(yàn)課程不具備培養(yǎng)學(xué)生具有探索精神的功能。實(shí)際上這些現(xiàn)象是機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中存在的普遍問題，不利于學(xué)校的教學(xué)，更不利于學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。因此，在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中必須探索新的教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，培養(yǎng)他們逐步建立計(jì)算思維的體系。

1.2 課程考核內(nèi)容形式陳舊化

由于原有的教學(xué)模式使學(xué)生的學(xué)習(xí)過于被動(dòng)，學(xué)習(xí)積極性低下，對(duì)知識(shí)的理解流于表面。這就導(dǎo)致課程考核的內(nèi)容及形式以“簡(jiǎn)答”、“名詞解釋”、“填空”、“選擇”這些記憶性的題型為主，學(xué)生的學(xué)習(xí)也是以“記憶”為主，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。但是機(jī)械專業(yè)的課程往往是注重設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，以機(jī)械設(shè)計(jì)這門課為例，該課程是一門主干課程，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性，涉及到機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)。若還是以先前的考核內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，那么培養(yǎng)的學(xué)生是“死板”的，視野狹窄的同時(shí)也無法反應(yīng)課程工程性和實(shí)踐性特點(diǎn)。因此，必須設(shè)計(jì)一套新的考核內(nèi)容，摒棄原有的“簡(jiǎn)答”、“名詞解釋”、“填空”、“選擇”題型，新的考核內(nèi)容首先應(yīng)考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握，其次借助利用機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)工具如，SolidWorks，Adams等工具實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)仿真的模擬考核，最后應(yīng)以項(xiàng)目考核的方式進(jìn)行。這樣的考核內(nèi)容既注重了理論又兼顧了實(shí)踐，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中必須對(duì)遇到的問題進(jìn)行探索研究，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維的能力要求。

1.3 教材內(nèi)容聯(lián)系不緊密

目前，機(jī)械類在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的專業(yè)基礎(chǔ)程主要包括《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《精密儀器設(shè)計(jì)》等，這些課程的相關(guān)教材內(nèi)容專注方向不一致，課程教材之間的聯(lián)系性較差。學(xué)生對(duì)教材知識(shí)的學(xué)習(xí)只是書本方面的認(rèn)識(shí)，與工程實(shí)際聯(lián)系不夠緊密，缺乏實(shí)際工程問題對(duì)空間計(jì)算與邏輯抽象思維的深層次拔高。例如，《機(jī)械原理》中對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，低副高副自由度配置，《機(jī)械設(shè)計(jì)》中四連桿、曲柄滑塊等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏連貫一致的知識(shí)梳理，而且這些知識(shí)內(nèi)容比較抽象；圖1是在機(jī)械原理或機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的典型圖示及其運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)于剛開始學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，對(duì)其理解是比較困難的，對(duì)其約束條件與運(yùn)動(dòng)的形成也是不夠清晰的。如果只是按照書本知識(shí)點(diǎn)灌輸，學(xué)生很難明白其中的知識(shí)解決工程問題的本質(zhì)，不能形成自己的思維，難以形成認(rèn)識(shí)問題到解決問題的能力。因此，必須探索編寫基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教材。

2 計(jì)算思維能力培養(yǎng)

2.1 引導(dǎo)式教學(xué)

引導(dǎo)式教學(xué)目的在于讓學(xué)生積極參與教學(xué)過程，要求授課教師轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，確立學(xué)生在課堂的主體地位，將原先的以教師為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體。引導(dǎo)式教學(xué)還必須注重引導(dǎo)學(xué)生自覺地探索研究問題，在這一過程中教師的作用只是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，結(jié)合問題相關(guān)理論進(jìn)行講授，讓學(xué)生按照自己的思維去解決問題，使學(xué)生經(jīng)歷從認(rèn)識(shí)問題到思考問題再到解決問題的自主思維過程。在這一過程中學(xué)生的對(duì)問題的認(rèn)識(shí)度不斷提高，從而能從多方面，多角度以及從更抽象的級(jí)別認(rèn)識(shí)、分析、解決問題。引導(dǎo)式教學(xué)還要求授課教師在理論基礎(chǔ)的講授時(shí)強(qiáng)調(diào)理論的應(yīng)用性，引導(dǎo)學(xué)生知道所授理論對(duì)實(shí)際生產(chǎn)是有指導(dǎo)作用的同時(shí)在教學(xué)內(nèi)容上敢于取舍，突出重點(diǎn)，無須面面俱到。因此，引導(dǎo)式教學(xué)是著重培養(yǎng)學(xué)生思考以及探索研究問題能力，這與計(jì)算思維的核心即對(duì)學(xué)生求解能力的培養(yǎng)是相一致的。

圖1 下肢外骨骼髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)對(duì)曲柄滑塊的解釋

圖2 下肢外骨骼機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 項(xiàng)目式教學(xué)

項(xiàng)目式教學(xué)是教學(xué)模式的一個(gè)創(chuàng)新，即把授課教師所擁有的科研項(xiàng)目引入課堂教學(xué)，讓學(xué)生覺得知識(shí)的獲取并不僅僅是來自書本上，而是通過對(duì)書本知識(shí)的學(xué)習(xí)達(dá)到學(xué)以致用，讓學(xué)生感覺課本的知識(shí)是有用的不是空泛抽象的理論。

筆者在進(jìn)行教學(xué)改革時(shí)把其獲批的“下肢外骨骼助力機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析”省科技攻關(guān)項(xiàng)目中的一部分引入到《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課的課堂教學(xué)來。例如筆者在講授《機(jī)械設(shè)計(jì)》的四連桿機(jī)構(gòu)、高副低副機(jī)構(gòu)、自由度配置、驅(qū)動(dòng)配置等知識(shí)點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)做法先給出機(jī)構(gòu)的圖示或抽象出來的運(yùn)動(dòng)模型，再介紹受力公式，對(duì)公式進(jìn)行推導(dǎo)證明，很顯然學(xué)生當(dāng)看到一大堆抽象的公式時(shí)，學(xué)習(xí)是非?？菰?，對(duì)不利于培養(yǎng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

例如：相關(guān)課程的教材、設(shè)計(jì)手冊(cè)上對(duì)曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)的解釋，大多數(shù)如圖1所示，筆者運(yùn)用具體的科研項(xiàng)目即安徽省科技攻關(guān)“可穿戴型下肢外骨骼助力機(jī)器人”引入到課程教學(xué)中，結(jié)合項(xiàng)目過程中的設(shè)計(jì)實(shí)例，如圖2所示下肢外骨骼助力機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖3所示下肢外骨骼助力機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；首先通過展示實(shí)物樣機(jī)設(shè)計(jì)及匹配人體下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的具體要求，讓學(xué)生有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)的過程；通過項(xiàng)目實(shí)踐，如外骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中液壓缸與機(jī)構(gòu)配置所形成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，擬人化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的自由度分配形式要求，通過實(shí)際項(xiàng)目融入知識(shí)點(diǎn)介紹給學(xué)生，可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過實(shí)際的工程項(xiàng)目將學(xué)生與自己熟悉的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，可以極大提高對(duì)相關(guān)課程的理解，進(jìn)而培養(yǎng)他們的計(jì)算與空間抽象的思維能力。這也是與計(jì)算思維的核心即對(duì)學(xué)生求解能力的培養(yǎng)是相一致的。

3 結(jié)語

培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力首先需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生認(rèn)識(shí)與實(shí)踐的主觀能動(dòng)性，本文總結(jié)了機(jī)械專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問題，提出了引導(dǎo)式教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等多種教學(xué)方式，旨在讓授課教師在課堂教授知識(shí)的同時(shí)，著重培養(yǎng)學(xué)生遇到問題時(shí)學(xué)會(huì)用計(jì)算思維的方式去分析問題以及解決問題，為畢業(yè)后工作或進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐，將這些教學(xué)方式融合于機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中去，有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和探究問題的精神，學(xué)生的計(jì)算思維體系逐步形成，能夠自覺的把這種思維方式應(yīng)用到其他機(jī)械類專業(yè)課及非機(jī)械類課程中，教學(xué)效果較好。

圖3 下肢外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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