問題式教學模式的研究實踐

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一、教學方法改革的意義

機械設計基礎是機械類及近機類專業一門重要的專業基礎課程。工科學生對于這類專業基礎知識基本可以掌握，但不能靈活運用。而在現代機械工程實踐中，對于機械及機構的設計，工程師在保證機械的基本原則的基礎上則需要較大的設計創造性和靈活度。因此，為了培養創新型的機械類科技人才，機械設計基礎課程必須進行教學方法改革。國內機械設計專業教學方法改革大多在課程體系結構改革的基礎上展開，采用多種教學手段，如開發系統的多媒體課件、建立多媒體多功能教室、加強本科生工程設計訓練和實驗教學、形成新的實踐教學體系等。其中多媒體課件制作的改革比較成功，國內大多數工科院校可以通過網絡共享國家精品課程的多媒體課件，這對機械設計專業教學改革起到一定的促進作用。

國內機械設計專業具體的教學方法主要為案例教學法、課題研討法以及講授法與程序教學法相結合的方法。案例教學法的應用比較有效，但會受到學生理論知識水平和思維定式的影響。課題研討法注重學生的學習與發展，但是對于機械設計專業來說，需要以工程為背景，以課題項目為載體才能夠很好的開展起來。部分高校采用講授法與程序教學法相結合的教學方法，這種方法可以在一定程度上培養學生再學習的能力，但學生綜合設計能力有待加強。國外對優秀機械設計工程師的要求是：應能敏銳地把握革新的機會，創造性地解決不確定的問題；應能從眾多的備選方案中做出選擇；在解決問題中應能從全局高度出發綜合考慮社會、環境、市場等因素；應具有設計和制造“產品”的經驗；等等。總之一句話，就是要具有很強的綜合品質和創新能力。以綜合和創造為特征的設計是工程的本質和核心，是機械工程專業類人才首要的思維方式和工作方式。因此在國內，獲得感性知識和基本技能、提高學生實踐動手能力、提高綜合素質等一系列機械設計基礎課程教學改革課題正在研究和探索中。許多其他國家的機械設計專業教學方法中強調理論與實踐的高度結合，知識與工程實際的高度結合。雖然各國機械工程教育的歷史傳統、國情和校情不同，但當前都普遍進入了以“工程綜合和創新”為特征的新的變革和發展階段。以綜合和創造為特征的機械設計基礎課程教學方法改革的研究和實踐，其意義在于：(1)將機械工程師的應知、應會、應做作為一個有機整體，實施整合式的教學方法，將設計教育貫穿于工程教育過程中，以使畢業生既有足夠的初始專業工作能力，又有很強的適應專業發展能力。(2)基礎與專業、理論與實踐、分析與綜合、知識與能力等諸對關系，是長期困擾機械工程教育發展的難題。偏執一端、缺乏整合的教育方法將越來越難以造就社會需要的工程師。需要一種機制將基礎與專業、理論與實踐、分析與綜合、知識與能力貫穿統一起來，這種機制就是以綜合和創造為特征的設計教育。因此在有限的教學時間內，積極探索機械工程設計教育的教學和實踐方法，與國際工程教育改革的發展趨勢和研究熱點一致，具有實際的研究意義和價值，對機械工程專業類一流人才的培養具有重要的作用。

二、問題中心式教學方法的研究

1．解決的主要問題和創新點。問題中心式教學方法的研究，可以解決在機械設計基礎教學中存在的以下問題回：①由于教學改革的深化和課程體系的調整，在提高教學質量要求的前提下，一方面要保證原有的教學內容不能隨意縮減；另一方面隨著科學技術的發展，機械設計領域中出現的許多新技術、新方法、新成果都應該在課堂上傳授給學生。因此，較少的授課計劃學時數與教學內容的擴充和教學質量要求的提高形成了一個急待解決的矛盾。②機械設計基礎課程內容涉及面廣，各章節之間相對獨立，學生普遍反映該課程難學。在教學過程中，如何提高學生的學習興趣，使學生對課程動心，從而積極動腦去主動學習，努力動手去創新實踐，是機械設計基礎課程教學過程中必須考慮的問題。③對機械專業必不可少的教學科目及其知識，是通過教科書和講授傳遞給學生的，同時學生通過練習這些知識來學習運用這些知識，最終學生掌握了該領域的知識和對已知問題的標準化解法。顯然學術研究和專業實踐幾乎被排斥在外，實際問題很難進入課堂。有的學生跨入設計部門后，開發設計能力較低，對某些課題無計可施，需經較長時間才能適應工程設計工作。因此提出問題中心式教學方法，意在拓寬學生的知識面，增強其對社會需求的適應能力。突破原各門課程強調自身的科學性、系統完整性和求深求多的觀念，面向工程，精選出真正實用的基本理論和實際問題，重在建立工程模型的思路與方法，為學生再學習能力的培養創造了良好的環境。世界一流大學麻省理工學院(MIT)的辦學思想是刪：培養學生專業能力的最有效途徑是教學、研究與關注真實世界問題的結合。MIT憑借她的實學精神和面向問題的學術首創精神將“教學、研究與關注真實世界問題”的三結合作為指導原則并一以貫之的執行。因此在培養學生機械設計專業能力的教學過程中，可以將問題導向的思想引入到教學方法的研究中，創新性的提出“問題中心式”的教學方法，以問題為基礎驅動教學過程，使學生帶著問題、為處理問題進行學習。在解決問題過程當中，學生學會了用批判性、建設性的方式討論觀點與建議，接受并學會了如何運用新技術、新方法和新成果；激發學生的求知欲和創造欲，將科學與技術、技術與非技術、知識與經驗有機統一起來，使學生有效地養成了機械設計工程師的認知和做事方式。

2．組織與實施。問題中心式的教學方法，以問題為基礎驅動教學過程，使學生帶著問題、為處理問題進行學習。這種教學方法是建立以問題為中心，按問題組織教學的新型教學方式，即縱向上以解決實際問題貫穿于專業教學全過程，橫向上由問題來培養能力，來貫穿該門課程的學習。實施方法：①專業課每學期開學前，由教師根據課程內容，結合學生特點及需求確定本學期的問題，匯總孛生感興趣、最需要解決的問題并進行分析歸類，這些問題往往不是用以驗證理論的練習題，而是一時找不到滿意答案甚至根本沒有答案的實際問題，有些則是教師研究項目的子課題。②教師在講解具體章節內容前本學期的問題，學生自由組合，形成1-3人的問題小組。③一旦本學期的問題確定下來以后，學生就可學習解決問題的主干課程，并且利用課后時間自學相關背景課程，最終利用專業知識解決問題。每個問題持續1～2個學期。④組織學生進行問題解決報告會，報告會還邀請相關專業教師參加，問題小組必須在報告會前一周完成報告書，打印成冊并呈送每位評價教師。問題小組制作P來宣讀報告，并接受老師和同學的提問與評價。⑤教師評定報告質量，并以一定的分數計入到學生本學期的機械設計基礎課程的考試分數內。在問題中心式教學方法的組織與實施過程中，教師的職責也需作相應的調整。除講課這一常規任務外，教師還要承擔新的職責，例如提出問題，并為以解決問題為核心的教學計劃作準備；課后指導問題小組，幫助他們尋求解決問題的方法，評點他們的設想，監督工作進展，審閱報告，主持報告會等。該教學方法的組織與實施示意圖如圖1所示：

三、問題中心式教學方法的實踐

1．實踐項目與過程。對人數為34人的機械類專業班級進行問題中心式教學方法的實踐，學生用兩學期的時間完成機械設計基礎課程中機械原理和機械零件的學習，同時解決學期初教師提出的問題，具體實踐過程按照圖1所示進行組織和實施。教師在講授機械原理和機械零件課程之前，提出的問題是仿生物運行裝置的研究與設計，仿照生物的運動機理對移動機器人行走機構進行設計研究是移動機器人的熱點研究方向。問題要求了解和掌握微小型移動機器人步行機構的一般類型和設計方法，從而對生物的運動方式進行模仿，使微小型移動機器人實現特有的規律性運動，設計出可行的運動方案和結構簡單、運動靈活、性能優良的運行裝置。該問題可以具體分為如下幾個子問題：①每個學生撰寫一篇文獻綜述，反映當前仿生機構學領域中研究的歷史現狀、最新進展、學術見解和建議，要求對國內外相關研究的動態、前沿性問題做出較詳細的綜述，并提供參考文獻(文獻主要指2005年以后的學術期刊論文或會議論文，以英文為主)。②對生物的運動性能和行為特征進行研究，將其結構特征、運動機理、行為、行為方式等應用于機器人行走裝置的設計中，用所學的機構類型來實現，如生物般的有規律的蠕動行走或爬行，設計出可行的運動方案。③對仿生步行裝置進行機構原理研究和特性分析，包括繪制機構運動簡圖、結構分析、運動學分析和動力學分析，根據研究分析的結果得到優化的仿生物運行裝置。④仿生物運行裝置的結構設計，利用所學的各類機械零件設計知識，結合計算機設計軟件完成相應的強度計算和結構設計。⑤仿生物運行裝置的制作與實驗，學生選購各類標準件、型材等在工程訓練中心自行加_[，或者在工程訓練中心老師的指導下完成加工制作，組裝好后進行實驗。子問題①一③在第一學期解決，子問題④和⑤在第二學期解決，從上述問題中心式教學方法的實踐項目和過程中可以看出，機械原理和機械設計課程中重要的知識點都包含在若干子問題中，學生在學習過程中能夠主動地學習課堂內容，課后也積極地查找文獻和自學相關背景課程，如電機驅動、單片機控制等知識與技術，最終利用專業知識解決問題。教師在講課過程中能夠更好地組織課堂內容，除了講解大綱要求的各個知識點，還會教授如何查閱文獻和撰寫文獻綜述，對學生在原理研究和機構分析階段提出建議，指導學生掌握通用的機械設計與分析軟件等，整個教學活動的教與學全部以問題為共同核心，使學生能夠真正的動心、動腦、動手的去完成機械設計基礎課程的學習，完成以綜合和創造為特征的教學方法改革的實踐。

2．實踐效果與分析。34名學生分為9個問題小組，每組均完成原理方案設計圖1張，結構設計裝配圖1張，零件圖若干張，設計說明書和報告書各1份，其中8個問題小組成功提交了仿生物運行裝置的實物樣機(小組2除外)，如表1所示。學生所做的實物樣機能夠完成仿生行走任務，較好地解決了問題。在解決問題過程中，學生的求知欲和創造欲都比較強烈，不少小組成員不僅合作完成了設計和制作任務，還主動學習動力學，分析軟件ADAMS，利用該軟件對多個設計方案進行仿真和分析，最終得到優化的仿生行走裝置。如圖2所示為小組4的仿蜘蛛八足行走裝置的運動仿真，該裝置是仿照蜘蛛行走原理設計的，身體兩側腿對稱，以左側腿為例作分析。步態1：胸足、腹足與地面接觸，支撐身體，前足、后足抬起向前運動；步態2：8只腳同時接觸地面；步態3：前足、后足與地面接觸，支撐身體，胸足、腹足抬起向前運動；步態4：8只腳同時接觸地面。一個周期內完成4個步態的交替的運動。經仿真得知該“蜘蛛”一個運動周期的理論平均速度為4．25cm／s，運動平穩可靠。問題小組5～9設計的都是仿四足行走裝置，但每個小組實現四足行走的具體方案都有所不同。綜上所述，筆者在機械設計基礎課程的教學過程中，將問題導向的思想引入到教學方法的研究中，建立以問題為中心、按問題組織教學的新型教學方式，即縱向上以解決實際問題貫穿于專業教學全過程，橫向上由問題來培養能力，來貫穿該門課程的學習。通過對問題中心式教學方法的實踐，可以看出該教學方法能夠激發學生的求知欲和創造欲，使學生帶著問題、為處理問題進行學習，在解決問題過程當中學生學會了用批判性、建設性的方式討論觀點與建議，接受并學會了如何運用新技術、新方法和新成果，有效地養成了機械設計工程師的認知和做事方式，增強了對社會需求的適應能力。

問題中心式教學方法是對以綜合和創造為特征的教學方法的一種改革，以綜合和創造為特征的設計是工程的本質和核心，是機械工程專業類人才首要的思維方式和工作方式，因此該教學方法的研究和實踐，與國際工程教育改革的發展趨勢和研究熱點一致，具有實際的研究意義和價值。以問題為基礎驅動教學過程，需要面向工程，精選出真正實用的問題，問題的選用重在建立工程模型的思路與方法，因此需要不斷總結經驗和汲取新知識，逐步解決存在的問題和不足，為把學生培養為創新型科技人才創造良好的環境。