葉佩青+++張輝+++朱陶元敏+++耿強(qiáng)

摘 要：本文研究了工程實(shí)踐教學(xué)中的環(huán)節(jié)設(shè)置，分析了當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中的幾種常見模式，探討了激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新與保證整體實(shí)驗(yàn)效率的平衡關(guān)系，以案例的形式與大家分享了清華大學(xué)“制造裝備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”和“數(shù)字控制技術(shù)”兩門課貫通式教學(xué)的模式，提出并踐行了一種創(chuàng)新課堂教學(xué)的有效方法。

關(guān)鍵詞：貫通式教育；創(chuàng)新教育；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

20世紀(jì)90年代以來，我國高校不斷深化教育教學(xué)改革，不斷探索和實(shí)踐創(chuàng)新教育，尤其是在工程教育領(lǐng)域。我們?cè)诙嗄甑慕虒W(xué)實(shí)踐中深深感到，統(tǒng)一化的教學(xué)很難滿足高年級(jí)學(xué)生的需求，必需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)課程，給專業(yè)興趣濃烈且學(xué)有余力的學(xué)生充分釋放才華的空間，這樣才能保證這些入學(xué)前頂尖的學(xué)生走出校門后依然能夠成為各個(gè)領(lǐng)域的頂尖人才。本文將結(jié)合“制造裝備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”和“數(shù)字控制技術(shù)”兩門課貫通式教學(xué)實(shí)例，對(duì)這一問題進(jìn)行探索和討論。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的二元論：“效率”還是“約束”？

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院系必不可少的一部分，學(xué)生在大學(xué)四年中擁有豐富的機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐，驗(yàn)證所學(xué)的理論。實(shí)驗(yàn)教學(xué)教給了學(xué)生科學(xué)工作的基本素養(yǎng)，比如處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方法。那么對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新教育來說，體系化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是很有效率地保障了大部分學(xué)生得到系統(tǒng)的科研素質(zhì)培養(yǎng)，還是束縛了學(xué)生的創(chuàng)造力呢？

1. 高效、系統(tǒng)的流水線

實(shí)驗(yàn)教學(xué)像課堂教學(xué)一樣有系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，比如搭電路、寫程序等，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過計(jì)算或者演繹推理得出需要的結(jié)果，并與理論公式所得到的預(yù)期進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行相應(yīng)的解釋和分析?？梢哉f，整個(gè)過程（如圖1所示）非常范式，是高效、系統(tǒng)的流水線。

圖1 典型的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

在這種模式下，學(xué)生可以在有限的時(shí)間內(nèi)，有效地遍歷一個(gè)系統(tǒng)的科研過程，得到很高效率的訓(xùn)練，但學(xué)生在整個(gè)過程中的自由度很少。對(duì)于許多實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室能做的事情甚至被壓縮為簡(jiǎn)要地操作一下儀器，然后讀取數(shù)據(jù)，學(xué)生的大部分精力都集中在處理數(shù)據(jù)和寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。很難想象，學(xué)生的創(chuàng)新能力可以在這種環(huán)境中能得到行之有效的培養(yǎng)。

2. 星光璀璨的烏托邦

如果說學(xué)生在模式化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難鍛煉自己的創(chuàng)新能力，那么如果我們拿掉這些約束，是否就給學(xué)生開辟了一個(gè)廣闊的天地了呢？誠然，如果完全沒有任何限制，學(xué)生將有非常廣闊的空間去自主創(chuàng)造，比如自己設(shè)計(jì)一種測(cè)試方法，搭建測(cè)量平臺(tái)，來驗(yàn)證某一物理理論，或者自己采購一套硬件設(shè)備，搭建電路，編寫軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)某一種控制方式。這對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力都是非常好的鍛煉，看起來非常值得嘗試。

然而，任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其所需要的軟硬件系統(tǒng)都是非常復(fù)雜的，許多底層的架構(gòu)設(shè)計(jì)需要很多時(shí)間才能調(diào)試通過，這對(duì)廣大學(xué)生來說無疑是一個(gè)巨大的時(shí)間消耗。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對(duì)某一個(gè)環(huán)節(jié)感興趣，提出了自己獨(dú)到的創(chuàng)新方式，其他環(huán)節(jié)不得不做相應(yīng)的修改以配合這一環(huán)節(jié)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可能會(huì)做很多沒有效率的工作。更重要的是，大學(xué)教育是培養(yǎng)人的教育，需要充分尊重每個(gè)學(xué)生的差異性，并不是每個(gè)學(xué)生都志在科研，愿意投入大量的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室中。實(shí)驗(yàn)課程撤消了所謂的“約束”的同時(shí)，也抽掉了原本的“支撐”，很多學(xué)生會(huì)變得無從下手，從而選擇抄襲他人的設(shè)計(jì)以完成任務(wù)。這對(duì)本來認(rèn)真完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來說是一個(gè)不小的消極信號(hào)，同時(shí)因?yàn)橥耆珱]有任何約束，大家的設(shè)計(jì)各異，底層架構(gòu)不同，上層設(shè)計(jì)更是無從談起，小組之間的相互交流和競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)被大大削減。

3. 高年級(jí)貫通式個(gè)性化人才培養(yǎng)模式探索

在上述討論中，我們似乎看到了水火不容的二元論：實(shí)驗(yàn)教學(xué)保證整體效果時(shí)很難談到創(chuàng)新，而完全放開后則會(huì)產(chǎn)生效率不足等弊端。那么，我們?nèi)绾卧诒ＷC集體效率的同時(shí)給予部分拔尖學(xué)生釋放才華的空間呢？

清華大學(xué)機(jī)械工程系數(shù)控技術(shù)研究室針對(duì)大四學(xué)生的特點(diǎn)，踐行教育不是把籃子裝滿而是把心點(diǎn)亮、個(gè)性化人才培養(yǎng)的理念，以承擔(dān)的“制造裝備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”和“數(shù)字控制技術(shù)”兩門大四本科生課程為基礎(chǔ)，探索貫通式教學(xué)改革方法，踐行個(gè)性化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理論?！爸圃煅b備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程在前，以設(shè)計(jì)并實(shí)踐一種激光雕刻機(jī)為載體，涵蓋典型制造裝備產(chǎn)品的機(jī)械、電氣、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，以及使用、設(shè)計(jì)分析軟件，旨在提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平和能力，訓(xùn)練其工程設(shè)計(jì)的基本技能，提高學(xué)生的研究、動(dòng)手、表達(dá)、組織管理等能力。“數(shù)字控制技術(shù)”課程在后，講授對(duì)位移、速度、加速度、軌跡、力、力矩等物理量進(jìn)行控制的方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造工藝參數(shù)和流程的精確控制和自動(dòng)化。通過對(duì)上游課程設(shè)計(jì)出的激光雕刻機(jī)進(jìn)行控制，加工出設(shè)計(jì)的作品，并在高效率、高精度等方面追求卓越。

在這門課開展的十余年間，老師和助教們不斷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。日益完整的軟硬件平臺(tái)給予了學(xué)生完成一個(gè)綜合型課題的基礎(chǔ)，同時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)都存在很大的改進(jìn)乃至替代空間，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力，大膽創(chuàng)新，并通過實(shí)踐將自己的想法做成實(shí)物，以達(dá)到知行合一的教學(xué)目的。教學(xué)中優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案會(huì)保留下來，供以后的學(xué)生參考和學(xué)習(xí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的流程如圖2所示。

二、案例分析：從數(shù)控課堂走向挑戰(zhàn)杯

“特獎(jiǎng)”

在教學(xué)過程中曾涌現(xiàn)出許許多多優(yōu)秀的案例，其中以“基于五連桿機(jī)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)特性激光雕刻系統(tǒng)”項(xiàng)目最為典型。該設(shè)計(jì)來源自“制造裝備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程，在“數(shù)字控制技術(shù)”課程中細(xì)化，由學(xué)生利用課外時(shí)間，借助課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最終完成。項(xiàng)目在“清華大學(xué)第三十三屆‘挑戰(zhàn)杯學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽”中獲得特等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目起初正是在課堂的學(xué)習(xí)過程中提出的。在要求設(shè)計(jì)一套激光雕刻系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中，學(xué)生并沒有拘泥于現(xiàn)有的X-Y軸正交串聯(lián)式的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地將平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入了其中。通過調(diào)研市場(chǎng)上現(xiàn)有的激光雕刻機(jī)，發(fā)現(xiàn)若將驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)修改，能使得雕刻機(jī)的動(dòng)態(tài)性能有非常大的提高。學(xué)生將該創(chuàng)新性方案向老師呈報(bào)，得到了老師的肯定和鼓勵(lì)。

圖2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠使激光雕刻機(jī)在工作范圍以及工作精度這兩方面達(dá)到平衡，學(xué)生通過求解逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法，得到了激光雕刻機(jī)在不同設(shè)計(jì)組合下的誤差分布，并不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終得到了最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行具體機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)的過程中使用有限元方法，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了受力分析，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，對(duì)零件進(jìn)行了大面積的開孔減重，這樣使得整體結(jié)構(gòu)的慣性盡可能的小。在選擇材料時(shí)，也將大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度鋁合金，只在關(guān)節(jié)處使用鋼件增加結(jié)構(gòu)剛度。

為了支持學(xué)生的創(chuàng)意，使得設(shè)計(jì)真正落地成為現(xiàn)實(shí)，老師幫助聯(lián)系了金屬加工車間，將學(xué)生親手設(shè)計(jì)的零件全部加工完成。在此過程中，老師還對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的零件反復(fù)提出了修改意見，使得原本只會(huì)“紙上談兵”的學(xué)生增添了“實(shí)戰(zhàn)”的經(jīng)驗(yàn)。

在緊接著的“數(shù)字控制技術(shù)”課程中，學(xué)生又對(duì)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化設(shè)計(jì)。在課程中，學(xué)生將設(shè)計(jì)精力由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向了控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)，通過自行編寫控制算法，優(yōu)化雕刻機(jī)在軌跡規(guī)劃方面的性能。由于采用了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于控制算法也需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這也使得在控制工程與機(jī)器人學(xué)等課程中學(xué)習(xí)到的知識(shí)得到了真正應(yīng)用的場(chǎng)合。

該項(xiàng)目完全以學(xué)生為主體，提出設(shè)計(jì)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了主觀能動(dòng)性，并且以教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，始終圍繞教學(xué)的核心，完整地契合了教學(xué)的目的，是一次師生配合完成的十分成功的教學(xué)嘗試。在參加競(jìng)賽的過程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、展示表達(dá)能力也得到了充分的鍛煉，這些都是在傳統(tǒng)課堂中難以得到的收獲。

三、創(chuàng)新實(shí)踐課程模式

1. 加強(qiáng)課程之間的貫通性，突破課程之間的壁壘

目前，一些知識(shí)點(diǎn)在多門課程中反復(fù)提及，冗余的內(nèi)容既浪費(fèi)了寶貴的教學(xué)時(shí)間，又會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生厭煩的負(fù)面情緒。教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的連續(xù)，能使學(xué)生在掌握所學(xué)知識(shí)時(shí)擁有更為清晰的脈絡(luò)，從而避免在一門課結(jié)束之后迅速將知識(shí)都“還給老師”。

貫通性既可以體現(xiàn)在教學(xué)知識(shí)點(diǎn)上的貫通，亦可以是教學(xué)平臺(tái)上的貫通。教學(xué)平臺(tái)的貫通能大大縮短學(xué)生用于學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用方法的時(shí)間。通過提高課程間的連續(xù)性與相關(guān)性，使得知識(shí)點(diǎn)突破課程之間的壁壘，貫穿整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)的始終，以便學(xué)生獲得最大的學(xué)習(xí)效率?！爸圃煅b備設(shè)計(jì)與實(shí)踐”與“數(shù)字控制技術(shù)”兩門課程的壁壘突破和有機(jī)銜接為人才培養(yǎng)創(chuàng)造了良好的實(shí)踐條件。

2. 營造課外實(shí)踐環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)不僅作為傳授知識(shí)的平臺(tái)，更應(yīng)成為激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)熱情的載體。教學(xué)平臺(tái)資源可以在保證實(shí)驗(yàn)室安全的前提下對(duì)學(xué)生開放，使學(xué)生的想法得以充分的展現(xiàn)。依托教學(xué)平臺(tái)的各種資源，學(xué)生可以在感興趣的前提下，利用課外時(shí)間繼續(xù)探索某一課題或是實(shí)現(xiàn)某一種受課內(nèi)時(shí)間制約無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)思路。這正是清華大學(xué)機(jī)械工程系推行本科生導(dǎo)師制的初衷。

對(duì)于想法新穎且切實(shí)可行的課外研究課題，如遇到實(shí)驗(yàn)室器材無法滿足需求的情況，老師可以給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹С?。同時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生以課外研究項(xiàng)目為基礎(chǔ)，參加校內(nèi)外的課外創(chuàng)新競(jìng)賽。通過參與競(jìng)賽的形式，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力與展示表達(dá)能力，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，使學(xué)生從被動(dòng)的接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探索知識(shí)。

3. 拓寬個(gè)性化人才培養(yǎng)方式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不必局限于老師指導(dǎo)學(xué)生的傳統(tǒng)模式，可以以實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)作為基礎(chǔ)，以課外創(chuàng)新項(xiàng)目為載體，通過高年級(jí)學(xué)生帶低年級(jí)學(xué)生的模式，充分發(fā)揮“傳幫帶”的作用。課堂作為教學(xué)計(jì)劃的一部分，很難在高年級(jí)與低年級(jí)學(xué)生之間產(chǎn)生交集，從而使得課堂中的項(xiàng)目總是重復(fù)幾個(gè)“規(guī)定動(dòng)作”，具有較好創(chuàng)新的項(xiàng)目也往往總是曇花一現(xiàn)。若以實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)作為媒介，將先前同學(xué)的優(yōu)秀作品向新同學(xué)作展示，能夠極大地拓展學(xué)生的思路。同時(shí)，若能夠組織課外創(chuàng)新項(xiàng)目組成一個(gè)新老結(jié)合的團(tuán)隊(duì)，則可以更好地促進(jìn)學(xué)生之間的交流，使得優(yōu)秀項(xiàng)目能夠一直延續(xù)下去。

自主創(chuàng)新能力是國家未來競(jìng)爭(zhēng)力的核心，而高校是為國家輸送創(chuàng)新人才的重要平臺(tái)。創(chuàng)新能力并不是與生俱來的，需要給予學(xué)生合適的空間和平臺(tái)去激發(fā)和鍛煉。大學(xué)中的課堂遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是單向傳遞知識(shí)的教室，更是迸發(fā)思想火花，讓學(xué)生互相交流學(xué)習(xí)、突破自我的一塊天地。正如教育家斯金納對(duì)教育本質(zhì)的詮釋：“如果我們將學(xué)過的東西忘得一干二凈時(shí)，最后剩下來的東西就是教育的本質(zhì)了”。大學(xué)工程教育更是如此，在教授知識(shí)的過程中，建立合適的教學(xué)平臺(tái)，注重學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐能力的培養(yǎng)，才是教育的真正本質(zhì)。

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[責(zé)任編輯：夏魯惠]