王順 賈艷輝 柴博森

摘? ?要：目前工科大學“機械設計”課程基本上仍使用灌輸式教學，存在課堂氣氛沉悶、枯燥乏味、學習積極性低、教學效果差等一系列問題。文章探討了在系列課程體系下以問題為基礎的模塊化教學在“機械設計”課程中的應用問題。以機械工程本科生培養(yǎng)目標為出發(fā)點，把“機械設計”放在整個培養(yǎng)體系中改革教學模式。通過對新、舊知識的劃分，將課程內(nèi)容模塊化。設計反映各模塊教學核心的問題，引導學生以探究問題答案方式，運用先修課程知識學習新知識，激發(fā)學習主動性，減少課堂講授。

關鍵詞：機械設計;以問題為基礎;模塊化;系列課程

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）01-0016-03

一、引言

“機械設計”課程的目標是培養(yǎng)工科本科生掌握通用機械零部件設計知識、方法和一般規(guī)律，并具備設計簡單機械的能力。在整個培養(yǎng)體系中，“機械設計”是機械工程專業(yè)本科生入門課程之一，是起到承前啟后作用的十分重要的專業(yè)技術(shù)基礎課。多年以來，人們不斷嘗試將各種教學方法應用到課程教學中[1-2]，使本課程教學不斷進步，跟上時代發(fā)展的步伐。

以問題為基礎的教學方法首先在醫(yī)學教育中廣泛應用[3-4]，后被推廣到健康教育、商業(yè)和法律教育等領域。國內(nèi)在工程教育領域雖有應用[5-6]，但仍然存在問題設置、學生學習習慣、師資條件和教學管理等方面的一些問題[7]。主要原因在于，該方法產(chǎn)生于西方文化背景下的教育實踐，文化差異使得該方法顯得有些 “水土不服”，應用效果并不理想。以問題為基礎的學習方法，通過讓學生合作解決問題來學習隱含于問題背后的科學知識， 達到知識傳授、學習的目的。而且，能夠培養(yǎng)學生解決問題的技能，并形成自主學習的習慣，是一種主動的學習方式。該教學方法對教師和學生的要求都比傳統(tǒng)教學模式高。例如，學生要有較強的多渠道獲取信息的能力;要有較強的交流、合作和一定的綜合分析能力;教師要有廣博的知識，以及對課程有更高層次、更透徹的理解。

模塊化教學法產(chǎn)生于20世紀70年代，在歐美已經(jīng)突破職業(yè)教育領域得到廣泛應用[8-9]。模塊化教學是將所講授內(nèi)容分成若干個模塊，通過一個主線將各個模塊有機組合在一起的方法。每個模塊可以是一個或幾個知識點，或者是一門課程，也可以是多門課程。模塊化教學方法的鮮明特點是化繁為簡，即將一個龐雜的系統(tǒng)按照一定的方法或邏輯關系人為分割成若干個相對獨立的單元模塊。每個模塊的內(nèi)容簡單、明晰，易于學生理解掌握?！皺C械設計”課程是典型多學科交叉應用型課程，模塊化教學模式有利于學生充分理解不同學科之間的區(qū)別與聯(lián)系，學會如何解決多學科融合交叉問題。

目前，我國以問題為基礎教學法的應用還處于探索階段[10]，模塊化的“機械設計”課程教學鮮有報道[11]。筆者認為，任何課程的教學模式改革都必須首先了解并明確課程的特點、性質(zhì)，以及其在整個培養(yǎng)體系中的地位和作用，才會有正確的方向?！皺C械設計”課程的教學模式改革還要考慮我國目前機械行業(yè)乃至整個工業(yè)的生產(chǎn)方式、水平和方向等一些事關時代發(fā)展的大問題。

本文首先分析了”機械設計”課程教學中存在的一些現(xiàn)象，闡明解決這些問題的思路方法。提出以問題為基礎的“機械設計”課程模塊化教學模式，以及改革步驟和內(nèi)容。重點強調(diào)了課程改革應該放在整個機械工程本科生培養(yǎng)體系下進行，適當引入相關學科最新發(fā)展成果，才會產(chǎn)生良好的效果。

二、教學模式改革的提出

以設計適合于工程使用的安全可靠的通用機械零部件為目的的“機械設計”課程，是涉及數(shù)學、力學、材料、電子、摩擦學、工程制圖等眾多學科知識交叉的專業(yè)應用技術(shù)基礎課程。由于先修課程知識的遺忘、零部件工程應用背景缺乏、灌輸式教學等，學生大都對課程感到繁雜、難、枯燥乏味等，許多學生學習主動性差，課堂沉悶，甚至逃課現(xiàn)象時有發(fā)生。切實改革教學模式，研究符合教學內(nèi)容、適合現(xiàn)代學生特點、能夠吸引學生主動學習的教學模式，是“機械設計”教學改革的首要任務，也是提高教育教學質(zhì)量，培養(yǎng)適應社會發(fā)展與國際化背景下，具備交流、合作、綜合分析能力的 “新工科”人才的必由之路。

近些年隨著信息網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化、網(wǎng)絡化、人工智能和大數(shù)據(jù)逐漸走進社會生產(chǎn)和人們生活的各個領域，其影響范圍越來越廣。目前，我國工業(yè)生產(chǎn)方式和人們生活正處于向自動化、網(wǎng)絡化和智能化轉(zhuǎn)型的過渡階段，課程教學內(nèi)容和方法應充分利用相關技術(shù)發(fā)展成果以適應社會和工業(yè)發(fā)展，這是課程改革需要面對的首要問題。另外，學生對知識的獲取變得愈發(fā)容易，渠道也呈現(xiàn)多樣化趨勢，知識的學習不再僅限于課堂上教師的傳授，學生們更希望擁有越來越形象化的個性化的多元化的學習方式。這些變化給傳統(tǒng)灌輸式教學提出了挑戰(zhàn)，也為課程模式改革提供了良好的外部條件和動力。開展能夠切合課程特點、緊跟時代、符合我國實際的 “機械設計”教學模式已顯得越來越迫切。

三、教學模式改革的主要步驟與內(nèi)容

實現(xiàn)以問題為基礎的模塊化“機械設計”教學模式，首先將課程內(nèi)容按照先修課程知識、同時修課程知識和本課程新知識進行劃分，再將本課程知識根據(jù)內(nèi)容類別進一步劃分模塊。將每一模塊根據(jù)教學重點和改革思路，設定一個或多個問題。用模塊化的核心問題將教學內(nèi)容貫穿，通過對問題求解，引導學生主動學習。主要包括如下6個步驟：確定課程內(nèi)容主線;重新梳理與分類課程內(nèi)容;調(diào)研先修課程和同時修課程;教學內(nèi)容的模塊化構(gòu)建;模塊問題的設計和擬定;實踐互動，完善教學模式。

確定課程內(nèi)容主線。依托培養(yǎng)體系和目標，明確“機械設計”課程的地位和性質(zhì)，確定教學內(nèi)容的中心主題，且應貫穿整個教學始終，并在教學實踐中不斷強化?！皺C械設計”屬于專業(yè)技術(shù)基礎課，課程教學旨在培養(yǎng)學生如何利用先修課程知識解決通用零部件的設計問題。同時，向?qū)W生傳授機械設計行業(yè)的一些基本概念和方法。因此，教學內(nèi)容應在一定工程背景下展開，教學模式的基本思路是從工程應用中提煉科學或技術(shù)問題，用理論知識解決工程設計問題。重新梳理與分類課程內(nèi)容。根據(jù)“機械設計”課程的主線、教學內(nèi)容及其要求，對課程中的先修課程內(nèi)容、同時修課程和本課程新內(nèi)容三大類進行劃分，然后對每一類內(nèi)容具體涉及的學科知識再進行總結(jié)歸類。這些工作是為后面的模塊化及問題擬定設計奠定基礎。調(diào)研先修課程和同時修課程。調(diào)研與本課程相關的先修和同時修課程內(nèi)容與教學要求，為本課程內(nèi)容的分類梳理提供基礎和依據(jù)。主要調(diào)研課程包括高等數(shù)學、線性代數(shù)、工程圖學、理論力學、材料力學、機械原理和工程材料等。教學內(nèi)容的模塊化構(gòu)建。圍繞課程中心主題，將每一個通用零部件的教學內(nèi)容按照結(jié)構(gòu)介紹、失效形式、材料選用、設計計算、工程應用的順序劃分為若干模塊。各模塊的知識既相對獨立，每個模塊體現(xiàn)了不同學科課程知識，學生復習時可以根據(jù)需要隨意選擇模塊進行復習，又相互關聯(lián)，都是課程中心主線的節(jié)點。一般地，模塊之間的關系是知識學習的先后順序關系。模塊問題的設計和擬定。以教學大綱中教學基本內(nèi)容和基本要求，以及涉及的先修課程、同時修課程和本課程的教學基本要求為依據(jù)，對分好的每個模塊都設計一個或者幾個能夠更好地理解和應用“機械設計”課程中知識點的問題。設定的問題可以是學生先修課程中為學習本課程新知識做準備的內(nèi)容，或者是同時修課程中的新知識，或者是“機械設計”課程中的新知識，抑或是來源于工程實際。實踐互動，完善教學模式。在課堂教學實踐中，根據(jù)模塊問題的類型和性質(zhì)，將問題課前或課后布置給學生，或者課中通過互動環(huán)節(jié)，完成模塊內(nèi)容授課、解答。對于布置的問題，學生以個人或者小組形式在課前或課后完成解答，可以組成小組在課堂上講解討論，教師和其他學生補充、提問和評論。學生對教學模式各個環(huán)節(jié)的反饋意見是完善教學模式非常重要的一部分，使教學模式形成一個完整的良好的閉環(huán)結(jié)構(gòu)?；迎h(huán)節(jié)可以通過建立實時通信機制或調(diào)查問卷等形式實現(xiàn)，及時獲取來自學生的信息，尤其要聽取他們對模塊教學重點、問題擬定的建議。教師在教學過程中要及時總結(jié)，提出修改完善教學模式意見，在本課程組的教學會議上討論確定最終方案。

本文提出的教學模式在以下兩個方面非常關鍵：一個是構(gòu)建模塊的依據(jù)。采用科學合理、符合課程內(nèi)容特點、適合學生學習的方法構(gòu)建教學內(nèi)容模塊是整個教學模式成功的基礎。一般地，“機械設計”課程除緒論、機械強度及摩擦學等基礎知識外，通用零部件部分所講授內(nèi)容的教學思路大體相同，模塊化方法也都趨于一致。模塊內(nèi)容涉及知識不可過多過廣，以利于具體明確問題的提出。但模塊也不要過小，以免使知識學習零散化、碎片化，導致擬定問題重點不突出，不利于學生有效學習，無法體現(xiàn)模塊化教學的優(yōu)點。另一個是問題設計擬定。每一模塊的問題擬定是影響教學模式質(zhì)量和效果的關鍵，直接關系到能夠激發(fā)學生興趣乃至教學內(nèi)容掌握情況。問題設計擬定一般遵循如下原則。

1.問題小、具體且明確，難度適中。小而明確的問題有助于學生對定義概念等的理解，便于抓住重點，特別是新學知識模塊的問題，更要具備這個特點。問題可以是來自先修課程調(diào)研總結(jié)的與本門課程相關的知識、教師教學總結(jié)以及工程實踐總結(jié)等。對這些問題的探索解答，主要通過網(wǎng)絡媒體、實驗室和圖書館等方式實現(xiàn)，大部分學生都能夠通過簡短的回答完成。

2.體現(xiàn)模塊核心內(nèi)容及教學要求。設定的問題不能偏離課程教學主線以及教學大綱基本要求，即緊緊把握通用零部件設計的理論、方法及應用這一主題設計模塊問題。否則，學生無法通過問題有效學會新知識和新方法，甚至會誤導他們。學生能夠解答問題，意味著掌握了該模塊的教學內(nèi)容，達到了教學大綱的基本要求。

3.一部分問題應涉及先修課程知識。運用先修課程知識解決學習中的問題，從而學到新知識，不但能激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學科交叉融合應用能力，還有助于學生理解本專業(yè)各門課程在整個培養(yǎng)體系中的相互關系、地位和作用。關于先修課程知識的問題要側(cè)重于反應與本課程密切相關的知識點。例如，高等數(shù)學中微積分、力學分析、工程制圖標注等方面的知識。

4.適當體現(xiàn)最新設計方法和理念。教師通過不斷的學習和科研實踐，了解本學科和相關學科的最新發(fā)展，提煉出與課程教學密切相關的知識和應用，融合到教學實踐中，讓學生體會到本課程能夠緊跟時代科技發(fā)展步伐。比如，在設計方法方面，可以引入可靠性設計概念，與“機械設計”課程中的設計方法進行對比;多參數(shù)的設計計算引導學生懂得，機械設計應該是一個不斷優(yōu)化的過程。

四、結(jié)語

為適應科技和社會的不斷發(fā)展進步，工科大學“機械設計”課程的教學模式亟待改變傳統(tǒng)的灌輸式被動學習模式，轉(zhuǎn)為以問題為基礎的主動式教學。本文提出的基于系列課程體系下以問題為基礎的模塊化教學方法，使得課程知識脈絡更加清晰明朗、教與學的目標更明確，問題導向使學生學習主動性更強。當然，這也對教師的綜合素質(zhì)和學生的自學能力提出了更高的要求。特別是給教學管理和教師課堂教學的把控與引導帶來了不小的難度。教師應綜合考慮個人素質(zhì)、專業(yè)特點、學生水平以及教學條件等因素，合理運用教學方法，才能收到良好的課堂教學效果。

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