張莉彥 張有忱

北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 北京 100029

工程素質(zhì)包括工程知識(shí)、工程意識(shí)和工程能力等，這些都是工程技術(shù)人員必備的素質(zhì)，也是高校工科教育的重點(diǎn)之一。適應(yīng)新時(shí)期的要求，機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具備的工程能力包括綜合設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程在這些能力的培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。一般機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程分為4個(gè)階段：產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)施工，它是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的整體過(guò)程。其中方案設(shè)計(jì)階段包括功能原理設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型與構(gòu)型、方案分析與評(píng)價(jià)、繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖等，這些內(nèi)容主要在機(jī)械原理課程中講述；技術(shù)設(shè)計(jì)階段用到的零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要在機(jī)械設(shè)計(jì)課程中講述；在設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的創(chuàng)新技法在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中講述。這些課程的內(nèi)容瑣碎、繁雜、工程背景強(qiáng)，在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師雖然很認(rèn)真、很辛苦地講解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但學(xué)生卻對(duì)所學(xué)知識(shí)模糊不清，不知道該如何應(yīng)用。

基于問(wèn)題式學(xué)習(xí)(Problem-Based Learning，PBL)是通過(guò)提出問(wèn)題，引起學(xué)生的興趣，進(jìn)而展開(kāi)學(xué)習(xí)的一種教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)將學(xué)生置于精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題情境中，通過(guò)共同解決實(shí)際問(wèn)題學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，形成解決問(wèn)題的技能，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的自覺(jué)性以及主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，最重要的是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新能力。

1 基于問(wèn)題式學(xué)習(xí)的教學(xué)理念

在傳統(tǒng)的教學(xué)理念中，過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳授和灌輸，將學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程看作是對(duì)外部刺激的被動(dòng)反應(yīng)，忽視了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?；趩?wèn)題式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，通過(guò)精心選取實(shí)際工程問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)他們主動(dòng)思考，探究問(wèn)題背后的理論知識(shí)及解決方法。這種教學(xué)模式，將教學(xué)過(guò)程的主體由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，給學(xué)生提供更寬松、更廣闊的思維空間，由此激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。當(dāng)然，教師的指導(dǎo)作用也不容忽視，首先要分析教學(xué)目標(biāo)，提出問(wèn)題，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生樹(shù)立機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體意識(shí)和工程概念，強(qiáng)調(diào)揭示各部分之間的聯(lián)系及在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)問(wèn)題環(huán)境

2.1 樹(shù)立產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體觀念和工程意識(shí)

上好緒論課十分重要，在機(jī)械原理緒論課中，筆者以一個(gè)典型的工程機(jī)械產(chǎn)品為例，講解機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，提出問(wèn)題，布置任務(wù)。例如，以包裝機(jī)為例，通過(guò)功能分析，分解動(dòng)作，提出動(dòng)作如何實(shí)現(xiàn)？運(yùn)動(dòng)如何實(shí)現(xiàn)？可以在課堂上提問(wèn)，讓學(xué)生大膽想象；然后將這些問(wèn)題作為課后作業(yè)，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，寫(xiě)出認(rèn)識(shí)機(jī)械的讀書(shū)筆記。同時(shí)，教師將此實(shí)例貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，通過(guò)裝料機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)引出連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由熱封機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)引出凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還包括機(jī)械設(shè)計(jì)課程的中齒輪、軸系部件、帶傳動(dòng)、螺栓連接等。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)各部分內(nèi)容時(shí)，就會(huì)有整體概念，知道這部分內(nèi)容在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)觀念，另外，也消除了學(xué)生由于缺乏工程背景而對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)生陌生感和恐懼感，從而盡快熟悉一般機(jī)械設(shè)計(jì)的方法、步驟，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性。

2.2 根據(jù)專業(yè)方向設(shè)置問(wèn)題環(huán)境

在教學(xué)過(guò)程中，教師提出的問(wèn)題應(yīng)結(jié)合學(xué)生的專業(yè)方向，這樣不僅能激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的興趣，有利于以后的學(xué)習(xí)，而且能更早、更快地走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，接觸專業(yè)教師，培養(yǎng)工程意識(shí)。例如，結(jié)合注塑機(jī)中的合模機(jī)構(gòu)，提出如下問(wèn)題：注塑機(jī)對(duì)合模機(jī)構(gòu)有哪些要求？常用的合模機(jī)構(gòu)有哪些？能否提出其他實(shí)現(xiàn)方法？學(xué)生通過(guò)查閱資料，到專業(yè)實(shí)驗(yàn)室觀察，互相討論，在認(rèn)識(shí)了專業(yè)機(jī)械的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多疑問(wèn)，他們帶著這些疑問(wèn)回到課堂中，教師因勢(shì)利導(dǎo)，引出連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性、死點(diǎn)、增力機(jī)構(gòu)等。

以螺桿擠出機(jī)的發(fā)展為例，筆者設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程為：通過(guò)讓學(xué)生了解螺桿擠出機(jī)的發(fā)展歷史，以案例的形式分析在其發(fā)展中使用的創(chuàng)新思維及技法。學(xué)生通過(guò)查閱資料及專業(yè)書(shū)籍，向?qū)I(yè)教師請(qǐng)教，發(fā)現(xiàn)了從單螺桿到雙螺桿、從定螺距到變螺距等發(fā)展過(guò)程，總結(jié)了其中的創(chuàng)新技法。

2.3 將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包括很多驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，課堂上，教師先講解基本原理，然后到實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣不大，收獲也不大。在機(jī)械原理中，齒輪根切是學(xué)生較難理解的部分，我們將范成實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)，先讓學(xué)生自學(xué)齒輪加工一節(jié)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)加工不同齒數(shù)的齒輪，自己發(fā)現(xiàn)根切的問(wèn)題，找出其原因。學(xué)生自己先做實(shí)驗(yàn)，對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了直觀認(rèn)識(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，再回到課堂上學(xué)習(xí)，就會(huì)對(duì)新知識(shí)深刻理解而且容易掌握。

2.4 結(jié)合課程設(shè)計(jì)提出問(wèn)題

將實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生事半功倍的效果。課程設(shè)計(jì)是學(xué)生綜合應(yīng)用學(xué)過(guò)的機(jī)械基礎(chǔ)系列課程知識(shí)，解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，它最貼近工程實(shí)際，是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體意識(shí)，我們已經(jīng)將機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)合二為一，學(xué)生需要完成從產(chǎn)品的功能分析、原理實(shí)現(xiàn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型構(gòu)型，到傳動(dòng)方案的制訂、傳動(dòng)零部件的強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程，再到編制計(jì)算說(shuō)明書(shū)，繪制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案簡(jiǎn)圖、傳動(dòng)部件裝配圖、典型零件工作圖等全過(guò)程的學(xué)習(xí)。這樣帶來(lái)的問(wèn)題是間隔時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生在前面學(xué)習(xí)的知識(shí)有的忘記了，再加上沒(méi)有現(xiàn)成的步驟可以參考，等靠現(xiàn)象嚴(yán)重、前松后緊，質(zhì)量難以保證。針對(duì)這種情況，我們將課程設(shè)計(jì)題目作為問(wèn)題提前布置給學(xué)生，前面提到的包裝機(jī)就是我們課程設(shè)計(jì)的題目之一。在課程開(kāi)始時(shí)，學(xué)生就明確了課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，要解決的問(wèn)題，授課的過(guò)程變成了解決問(wèn)題的過(guò)程。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性被調(diào)動(dòng)起來(lái)，提問(wèn)的多了，提出的想法也多了，達(dá)到了預(yù)期的目的。

2.5 結(jié)合學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)提出問(wèn)題

問(wèn)題的提出還可以結(jié)合學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，特別是兩年一次的大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽。盡早將主題發(fā)布給學(xué)生，并展開(kāi)討論，在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課上作為大作業(yè)，完成方案設(shè)計(jì)，評(píng)比后優(yōu)秀的方案可以作為課程設(shè)計(jì)的自選題目，在課程設(shè)計(jì)期間繼續(xù)完善并準(zhǔn)備參加大賽。通過(guò)這樣長(zhǎng)時(shí)間的醞釀準(zhǔn)備、教師引導(dǎo)、規(guī)范訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，而且這些意識(shí)不再是模糊一片，學(xué)生知道如何捕捉這些創(chuàng)意，如何記錄、表達(dá)、實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)意。因此，學(xué)生的創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)新穎，并且緊密結(jié)合所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)方法完整規(guī)范，在創(chuàng)新大賽中取得了好成績(jī)，如在第一屆全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，第二屆獲二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，第三屆獲一等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

3 對(duì)教師的要求

采用PBL教學(xué)模式要求教師必須具有很豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，厚積薄發(fā)，才能設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生全面深入地理解知識(shí)，靈活應(yīng)用，解決問(wèn)題。因此教師必須積極參加相關(guān)的科研活動(dòng)，深入工程實(shí)踐，提高自身的工程素質(zhì)，積累工程案例，并與基本教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，這樣才能講得更深、更透，學(xué)生也更有學(xué)習(xí)興趣。如果教師沒(méi)有合適的科研項(xiàng)目，可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，深入研究，積極改進(jìn)，也能從中積累工程經(jīng)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝、調(diào)試、檢修都是很好的實(shí)踐活動(dòng)。只要教師具有了工程意識(shí)，處處留心，就會(huì)積累很多實(shí)踐工程案例。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于問(wèn)題式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式已經(jīng)過(guò)幾年實(shí)踐，打破了原來(lái)灌輸式、被動(dòng)學(xué)習(xí)的模式，受到學(xué)生的普遍歡迎，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自覺(jué)性，培養(yǎng)和挖掘了他們潛在的創(chuàng)新能力。另外，學(xué)生更加熱愛(ài)機(jī)械專業(yè)，樹(shù)立了機(jī)械設(shè)計(jì)的總體意識(shí)，增強(qiáng)了工程素質(zhì)，完成了從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過(guò)渡。這種模式對(duì)學(xué)生提出了更高的要求，要投入更多的時(shí)間、精力，查閱資料，主動(dòng)思考。

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