田君 韓立發(fā)
(東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,廣東東莞 523808)
一直以來,國內(nèi)高等教育注重對學(xué)生的基礎(chǔ)理論教學(xué),而輕視對他們的實踐能力培養(yǎng),造成了學(xué)生的動手能力較差的現(xiàn)狀。隨著我國現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展,不但要求學(xué)生具有較好的理論基礎(chǔ)知識,而且更為重要的是要求他們具有較好的實踐能力,才能設(shè)計出符合社會需求的好產(chǎn)品,才能設(shè)計出具有國際競爭力的好產(chǎn)品。針對目前我國高校的學(xué)生培養(yǎng)模式與社會需求不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀,2009年10月開始,教育部先后召開了3次研討會,并確定實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”,試點開展工程師培養(yǎng)模式改革,在校期間工科學(xué)生需要到企業(yè)學(xué)習(xí)一整年[1]。2010年6月,廣東省內(nèi)除華南理工大學(xué)、汕頭大學(xué)外,東莞理工學(xué)院作為地方院校也進(jìn)入了教育部“卓越工程師培養(yǎng)計劃”名單。卓越工程師應(yīng)該具備21世紀(jì)新型工程師的基本品質(zhì),包括:1)超強的工程分析能力;2)較好的動手能力;3)較好的創(chuàng)新意識和設(shè)計能力;4)較高的倫理道德標(biāo)準(zhǔn)以及職業(yè)素養(yǎng);5)較好的應(yīng)用和更新知識的能力;6)持之以恒的學(xué)習(xí)能力;7)較好的商務(wù)與管理技能;8)一定的領(lǐng)導(dǎo)才能;9)良好的溝通能力[2]。還應(yīng)該兼具以下特質(zhì):1)正確理念的堅持或自我否定的勇氣;2)對局部或整體工程價值的科學(xué)判斷力;3)對權(quán)威工程學(xué)術(shù)或工程技術(shù)獨到的批判力;4)優(yōu)秀民族工程文化傳承與世界先進(jìn)工程文化吸收的責(zé)任感[3]。只有具備了以上品質(zhì)特征的工程師,才能稱得上是真正的卓越工程師。因此,形成能夠進(jìn)行自我調(diào)整和更新的、面向卓越工程師培養(yǎng)體系的教學(xué)改革是值得研究的重要課題。機械設(shè)計基礎(chǔ)作為機械或近機械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,針對其目前的教學(xué)現(xiàn)狀,根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求,圍繞著培養(yǎng)具有一定的實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計理念的應(yīng)用型本科人才的目標(biāo),從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、設(shè)計成果展現(xiàn)形式等方面進(jìn)行了教學(xué)改革和探討,指導(dǎo)學(xué)生從工程應(yīng)用的角度,結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計思維,應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計方法及設(shè)計手段去解決工程實際問題,考慮相關(guān)的工程技術(shù)要求,逐步樹立正確的設(shè)計思想,增強設(shè)計創(chuàng)新意識和競爭意識。
機械設(shè)計基礎(chǔ)課程本身所涉及的知識面廣,理論性強,與實踐結(jié)合緊密。它不但要求綜合運用材料力學(xué)、理論理學(xué)、工程材料、機械制圖、機械原理、機械設(shè)計等相關(guān)知識來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計,更為重要的要具有產(chǎn)品創(chuàng)新能力和解決生產(chǎn)實踐問題的能力[4-5],這也是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”所要求的。因而在機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)中,如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識是我們首先要解決的問題,如何將理論與實踐知識有效地融合起來也是我們必須要解決的重要課題。要解決這兩大問題,筆者認(rèn)為,第一,對現(xiàn)有機械設(shè)計基礎(chǔ)教材進(jìn)行修改。目前我們所用教材的知識內(nèi)容體系創(chuàng)新性不夠,教學(xué)內(nèi)容偏重理論推導(dǎo),沒有體現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”中所要求的“創(chuàng)新和實踐能力”主線,與生產(chǎn)實際要求的課程內(nèi)容或知識點的編排存在一定的差距。因而要重點進(jìn)行教材更新,這可能需要更多的優(yōu)秀工程師與機械設(shè)計理論專家共同編寫能體現(xiàn)出“創(chuàng)新和實踐能力”的機械設(shè)計基礎(chǔ)教材。第二,對現(xiàn)在的機械設(shè)計基礎(chǔ)的教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行改革。目前我們在知識點的選擇和安排上沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)理念,我們的教學(xué)方法和教學(xué)手段比較單一,不注意采用先進(jìn)的教學(xué)手段來充實自己的教學(xué)活動,忽視案例教學(xué)、問題教學(xué)等方式的運用,導(dǎo)致教學(xué)信息量太小,無法傳授更多的知識。課程教學(xué)中只是理論知識的簡單講解,沒有結(jié)合工程實際進(jìn)行教學(xué)。因而不利于學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性的充分發(fā)揮,學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識解決實際問題的能力較差。我們的實驗教學(xué)內(nèi)容簡單,而且大都以演示性實驗為主,缺乏創(chuàng)意性和設(shè)計性,學(xué)生參與動手操作的機會較少,不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的提高,因而開發(fā)有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的綜合性實驗勢在必行。機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計是機械設(shè)計課程體系中的一個重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié),它是工科院校機械類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行的第一次較全面、較系統(tǒng)、工程設(shè)計性很強的綜合性設(shè)計訓(xùn)練[6],長期以來我校將減速器作為機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的題目,當(dāng)然組成減速器的零部件覆蓋了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的絕大部分內(nèi)容,便于學(xué)生在設(shè)計實踐中應(yīng)用所學(xué)的知識,實現(xiàn)理論和實踐的結(jié)合。然而,每年我校的工業(yè)工程專業(yè)、工業(yè)設(shè)計專業(yè)、熱能等專業(yè)的學(xué)生都在重復(fù)同樣的設(shè)計內(nèi)容,勢必會影響教師的創(chuàng)新設(shè)計積極性。另外,我校制圖課的測繪練習(xí)也選擇減速器,這就使得學(xué)生缺乏新奇感,勢必會影響學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計積極性,影響設(shè)計成果。當(dāng)然,卓越工程師的核心就是創(chuàng)新能力,要提高學(xué)生的創(chuàng)新能力,就必須結(jié)合學(xué)生所學(xué)的相關(guān)專業(yè)和學(xué)生對本門課的掌握程度,適當(dāng)?shù)赝貙捳n程設(shè)計的選題。顯然,傳統(tǒng)的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程在教學(xué)模式上與“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的目標(biāo)不協(xié)調(diào),機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)模式改革勢在必行。
機械設(shè)計基礎(chǔ)理論課程教學(xué)目標(biāo)主要是培養(yǎng)學(xué)生機械系統(tǒng)方案設(shè)計的能力。教師以自己制定的教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,在整個教學(xué)過程中圍繞教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生一起展開教學(xué)活動,并以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性,激勵學(xué)生為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中,筆者認(rèn)為采取導(dǎo)趣、導(dǎo)疑、導(dǎo)思、導(dǎo)行等教學(xué)方法和手段,并且每次圍繞課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行認(rèn)真的教學(xué)設(shè)計,就能較好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新發(fā)展的能力。
導(dǎo)趣就是激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣,這是相當(dāng)重要的,沒有激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教師盡管付出了很多的勞動,收效卻甚微,有些學(xué)生不但不能認(rèn)真學(xué)習(xí),反而厭學(xué)甚至逃學(xué)。因而教師必須想辦法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣,有了興趣就有學(xué)習(xí)動力。比如在序言章節(jié)就可以從機械技術(shù)的發(fā)展講起,從而引發(fā)學(xué)生的好奇性。機械技術(shù)的運用自古就有,木牛流馬,就是三國時期蜀漢丞相諸葛亮發(fā)明的一種運輸工具,它是典型的機械齒輪傳動裝置的應(yīng)用,如何設(shè)計出木牛流馬,就是我們這門課程所要研究的問題。而任何現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)和工程領(lǐng)域都需要應(yīng)用機械,就是人們的日常生活,也越來越多地應(yīng)用各種機械了,如汽車、自行車、鐘表、照相機、洗衣機、冰箱、空調(diào)機、吸塵器,等等,而這一切都離不開機械技術(shù)。讓學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)充滿希望,這是產(chǎn)生興趣的第一站。例如在講授“機構(gòu)自由度”的內(nèi)容時,首先向?qū)W生說明學(xué)習(xí)機構(gòu)自由度在實際工作中的意義,并在本章最后給出關(guān)于牛頭刨床的機構(gòu)設(shè)計錯誤的例子,讓學(xué)生通過計算機構(gòu)自由度予以改正,以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,訓(xùn)練他們的創(chuàng)造性思維。
選用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)媒介和教學(xué)方法就能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣,學(xué)生覺得自己學(xué)懂了,理解了,有收獲了,就會不自覺地深入學(xué)習(xí)下去。保持學(xué)生對機械設(shè)計基礎(chǔ)這門課程的持續(xù)學(xué)習(xí)熱情和興趣,就變得尤其重要。因而,在專業(yè)授課過程中,要能讓學(xué)生較好和較快地理解所學(xué)知識,就必須盡可能讓學(xué)生“感同身受”,讓他們看得見、摸得著、動得起來。最便捷的方法就是利用教學(xué)模型。一方面,因為模型直觀,學(xué)生獲取的知識最直接;另一方面,模型動起來后,能極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如,講“鉸鏈四桿機構(gòu)的類型”時,筆者帶領(lǐng)學(xué)生用硬紙板或細(xì)木條自制不同類型的鉸鏈四桿機構(gòu),再通過演示、講解、小組討論等教學(xué)活動,充分發(fā)揮學(xué)生的“主體性”,讓學(xué)生真正參與到課堂中來,這樣就能持續(xù)不斷地激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣,收到事半功倍的效果。另一種方法就是利用計算機強大的多媒體表現(xiàn)與信息交互功能,通過現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用,把過去傳統(tǒng)的、靜態(tài)的書本教材形式轉(zhuǎn)變?yōu)橛陕曇簟⑽谋?、視頻、動畫構(gòu)成的動態(tài)教材,這當(dāng)然要求教師具有制作多媒體課件的能力,如果教師沒有這個能力,不妨去購買現(xiàn)成的多媒體課件,這就需要學(xué)校的財政支持了。通過多媒體集成、動畫模擬仿真和豐富的圖像信息將會極大地擴展學(xué)生認(rèn)知深度與廣度,也使教師擺脫了時間和空間對講授內(nèi)容的束縛,如清楚地顯示某些復(fù)雜機械傳動過程,動態(tài)地顯示出軸系零件裝配過程等,這更有利于激發(fā)學(xué)生的觀察力、發(fā)現(xiàn)力、想象力、邏輯聯(lián)想力,有利于認(rèn)知思維的深化與發(fā)展,有利于增強工程設(shè)計能力。從而真正提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。
導(dǎo)疑就是在課堂教學(xué)中積極創(chuàng)造條件,提出問題,促使學(xué)生帶著問題思考學(xué)習(xí)。例如在講授曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性時,可以先從牛頭刨床的工作情況說起,為什么牛頭刨床工作時慢,而空行程回來快?學(xué)生自然就有興趣帶著問題去思考學(xué)習(xí)。
導(dǎo)思就是讓學(xué)生主動去“想”、去“探索”、去“發(fā)現(xiàn)”,從而有效解決心中的疑惑。例如在講授機構(gòu)死點位置的概念時,可引導(dǎo)學(xué)生從日常生活中所見到的縫紉機工作情況開始,在實際使用中,縫紉機有時會出現(xiàn)踏不動或倒車現(xiàn)象。讓同學(xué)們?nèi)ヌ剿鬟@個現(xiàn)象的原因。這時,同學(xué)們就會畫出縫紉機的機構(gòu)運動簡圖,分析出當(dāng)連桿與曲柄共線時,連桿加給曲柄的力將經(jīng)過鉸鏈中心,此力對鉸鏈中心不產(chǎn)生力矩,因此不能使曲柄轉(zhuǎn)動。這實際上已分析清楚縫紉機工作時的死點位置,自然,同學(xué)們就會對死點位置的概念理解特別深刻。
導(dǎo)行就是引導(dǎo)學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和工程師素養(yǎng)。學(xué)習(xí)習(xí)慣一般包括課前預(yù)習(xí)、質(zhì)疑、課堂筆記、課后復(fù)習(xí)、獨立完成作業(yè)等自主學(xué)習(xí)行為。工程師素養(yǎng)包括分析能力、實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、較高的倫理道德標(biāo)準(zhǔn)以及職業(yè)素養(yǎng)等。而且還應(yīng)該包括正確理念的堅持或自我否定的勇氣、優(yōu)秀民族工程文化傳承與世界先進(jìn)工程文化吸收的責(zé)任感等。在課堂教學(xué)中,教師要把握機會,指導(dǎo)這些行為、習(xí)慣的形成。好的行為習(xí)慣會使學(xué)生終身受益。
機械設(shè)計基礎(chǔ)實驗教學(xué)是本課程的一個重要實踐環(huán)節(jié),對實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)起著不可或缺的關(guān)鍵作用。通過實驗可以使學(xué)生加深對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的基本概念、基本理論的理解,同時能夠使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容獲得感性認(rèn)識,是對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的補充和擴展,有助于提高學(xué)生分析和解決問題的能力、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。筆者主要從以下兩方面進(jìn)行實驗教學(xué)改革。
1)培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識。比如說機構(gòu)簡圖測繪實驗要求學(xué)生對照模型進(jìn)行簡圖測繪并計算自由度,以此來檢查機構(gòu)設(shè)計的正確性。這個實驗主要是課堂理論教學(xué)的一個補充。在此基礎(chǔ)上,我們鼓勵同學(xué)們在課后分成若干個設(shè)計小組,以實際生活中的機構(gòu)為啟發(fā),設(shè)計一些簡單的機構(gòu),在條件允許的情況下做出實物模型。依照自己的實物模型進(jìn)行機構(gòu)簡圖的測繪和自由度的計算來驗證機構(gòu)設(shè)計是否合理。并且與同學(xué)們一起,評出設(shè)計合理、模型漂亮的優(yōu)秀小組,并給予適當(dāng)獎勵。這樣不但激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新和競爭意識,而且也大大提高同學(xué)們動手能力。
2)開發(fā)有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的綜合性實驗。以機械設(shè)計基礎(chǔ)基本實驗為根基,構(gòu)建“綜合、設(shè)計、開放、創(chuàng)新”為模式的多層次實驗教學(xué)新體系,由驗證性實驗向認(rèn)知性、綜合性、創(chuàng)新性實驗發(fā)展,常規(guī)設(shè)計方法與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合[7]。如在單一的皮帶傳動實驗中,我們可以利用機械系統(tǒng)設(shè)計、拼裝及分析實驗臺,讓學(xué)生根據(jù)負(fù)載形式,設(shè)計不同傳動比、不同傳動路徑的傳動系統(tǒng)方案,并按照自己設(shè)計的機械系統(tǒng)傳動方案,安裝系統(tǒng)。通過這樣的一個綜合實驗,可以讓同學(xué)們認(rèn)識組成機械系統(tǒng)常用的零部件及安裝方法,組合裝配機械系統(tǒng),利用檢測系統(tǒng),檢測實際系統(tǒng)的傳動比和效率,對系統(tǒng)輸人輸出的傳動速度變化及系統(tǒng)效率變化進(jìn)行分析,獲得機械系統(tǒng)方案的正確設(shè)計。最后根據(jù)設(shè)備提供的零部件清單,找到裝配系統(tǒng)所需的零部件,按照自己設(shè)計的機械系統(tǒng)傳動方案,安裝系統(tǒng)。第一安裝動力部件,第二安裝負(fù)載,第三安裝中間傳動部件。實驗臺利用測力傳感器與光電傳感器檢測機械系統(tǒng)的輸入及輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,通過數(shù)據(jù)采集箱進(jìn)行采集處理,數(shù)據(jù)通過串口輸入計算機,形成可視化的適時變化曲線。整個實驗過程貫穿了“以學(xué)為主、以教為輔”的新理念,理論聯(lián)系實踐,充分發(fā)揮了學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力,鍛煉了學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新能力。
機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計是該課程的最后一個重要教學(xué)環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析、解決工程實際問題能力和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)步驟,是學(xué)生第一次較全面的設(shè)計能力訓(xùn)練,在學(xué)生總體培養(yǎng)目標(biāo)中占有極其重要的地位。結(jié)合目前的教學(xué)現(xiàn)狀和卓越工程師的培養(yǎng)目標(biāo),從以下兩方面進(jìn)行改革。
1)力求課程設(shè)計選題的多樣性。新增設(shè)的課程設(shè)計題目除了要符合機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的教學(xué)要求之外,還應(yīng)盡可能結(jié)合學(xué)生所學(xué)專業(yè)的專業(yè)特點。如針對工業(yè)工程專業(yè)可選一級減速器的設(shè)計。而針對工業(yè)設(shè)計工程專業(yè)可選較為簡單的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,如日常生活中的剪刀,剪刀種類繁多,用途廣泛,常見的有家用剪刀、花木剪刀、裁縫剪刀、鋼鐵剪刀、指甲剪刀、伸縮剪刀、筆形剪刀等。使用計算機繪出這些產(chǎn)品的三維電腦模型和平面結(jié)構(gòu)圖,繪出機構(gòu)運動簡圖,分析它們的優(yōu)點和存在的問題。針對現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)和外觀創(chuàng)新設(shè)計。例如,生活中的剪刀雖然在一定程度上省力,但在剪很多東西或者較硬東西時,仍然感到吃力,同時,長期握剪刀導(dǎo)致手部的肌肉及神經(jīng)出現(xiàn)“疲勞感”,而引起生理性震顫。那么改進(jìn)后的新型剪刀在結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計上要能讓大家用更小的力剪更多的東西,大大提高工作效率,同時也能讓大家在使用產(chǎn)品過程中更加舒適,充分體會工業(yè)設(shè)計的力量,更加享受生活。另外,也可與畢業(yè)設(shè)計掛鉤即從畢業(yè)設(shè)計題目中截選出一些合適的傳動裝置作為課程設(shè)計題目。因課程設(shè)計題目一般來于工程或生活實際,所以亦應(yīng)鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的工程或生活實際自擬題目,以提高學(xué)生的興趣,但其題目須經(jīng)指導(dǎo)老師審定后方可使用。
2)將傳統(tǒng)的集中式課程設(shè)計模式改為先分散后集中的課程設(shè)計模式。所謂先分散后集中的課程設(shè)計模式就是在開始講述機械設(shè)計基礎(chǔ)中機械設(shè)計部分內(nèi)容時,就把課程設(shè)計任務(wù)布置給學(xué)生,讓學(xué)生在機械設(shè)計基礎(chǔ)理論教學(xué)過程中就以課外作業(yè)的形式完成課程設(shè)計中的設(shè)計計算如帶傳動、齒輪傳動、軸的設(shè)計、軸承的選擇、鍵和聯(lián)軸器的選擇及校核等。至于草圖繪制、審查和修改,繪制裝配圖,繪制零件圖,編寫設(shè)計計算說明書和答辯等,則集中在課程設(shè)計專用周進(jìn)行。由于這種先分散后集中的課程設(shè)計模式將課程設(shè)計中的設(shè)計計算基本放在機械設(shè)計基礎(chǔ)理論教學(xué)期間,所以不僅可以充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性,使學(xué)生有充裕的時間較好地完成課程設(shè)計,同時也可使學(xué)生的基本設(shè)計能力通過這樣一個循序漸進(jìn)的過程得到扎實培養(yǎng),有效地提高學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力,獲得良好教學(xué)效果。
根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求,機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)需要建立科學(xué)的教學(xué)體系,切實提高大學(xué)生的工程實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維能力。我校地處東莞這個世界制造業(yè)名城,可與生產(chǎn)不同產(chǎn)品的多個企業(yè)進(jìn)行深度合作,能極大地加強學(xué)生與工程實際的聯(lián)系。從而更好地提高學(xué)生的實踐能力,增強學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新意識和競爭意識,以達(dá)到在校就能培養(yǎng)工程師的目標(biāo)。
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