问题式教学模式的研究实践

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一、教学方法改革的意义

机械设计基础是机械类及近机类专业一门重要的专业基础课程。工科学生对于这类专业基础知识基本可以掌握，但不能灵活运用。而在现代机械工程实践中，对于机械及机构的设计，工程师在保证机械的基本原则的基础上则需要较大的设计创造性和灵活度。因此，为了培养创新型的机械类科技人才，机械设计基础课程必须进行教学方法改革。国内机械设计专业教学方法改革大多在课程体系结构改革的基础上展开，采用多种教学手段，如开发系统的多媒体课件、建立多媒体多功能教室、加强本科生工程设计训练和实验教学、形成新的实践教学体系等。其中多媒体课件制作的改革比较成功，国内大多数工科院校可以通过网络共享国家精品课程的多媒体课件，这对机械设计专业教学改革起到一定的促进作用。

国内机械设计专业具体的教学方法主要为案例教学法、课题研讨法以及讲授法与程序教学法相结合的方法。案例教学法的应用比较有效，但会受到学生理论知识水平和思维定式的影响。课题研讨法注重学生的学习与发展，但是对于机械设计专业来说，需要以工程为背景，以课题项目为载体才能够很好的开展起来。部分高校采用讲授法与程序教学法相结合的教学方法，这种方法可以在一定程度上培养学生再学习的能力，但学生综合设计能力有待加强。国外对优秀机械设计工程师的要求是：应能敏锐地把握革新的机会，创造性地解决不确定的问题；应能从众多的备选方案中做出选择；在解决问题中应能从全局高度出发综合考虑社会、环境、市场等因素；应具有设计和制造“产品”的经验；等等。总之一句话，就是要具有很强的综合品质和创新能力。以综合和创造为特征的设计是工程的本质和核心，是机械工程专业类人才首要的思维方式和工作方式。因此在国内，获得感性知识和基本技能、提高学生实践动手能力、提高综合素质等一系列机械设计基础课程教学改革课题正在研究和探索中。许多其他国家的机械设计专业教学方法中强调理论与实践的高度结合，知识与工程实际的高度结合。虽然各国机械工程教育的历史传统、国情和校情不同，但当前都普遍进入了以“工程综合和创新”为特征的新的变革和发展阶段。以综合和创造为特征的机械设计基础课程教学方法改革的研究和实践，其意义在于：(1)将机械工程师的应知、应会、应做作为一个有机整体，实施整合式的教学方法，将设计教育贯穿于工程教育过程中，以使毕业生既有足够的初始专业工作能力，又有很强的适应专业发展能力。(2)基础与专业、理论与实践、分析与综合、知识与能力等诸对关系，是长期困扰机械工程教育发展的难题。偏执一端、缺乏整合的教育方法将越来越难以造就社会需要的工程师。需要一种机制将基础与专业、理论与实践、分析与综合、知识与能力贯穿统一起来，这种机制就是以综合和创造为特征的设计教育。因此在有限的教学时间内，积极探索机械工程设计教育的教学和实践方法，与国际工程教育改革的发展趋势和研究热点一致，具有实际的研究意义和价值，对机械工程专业类一流人才的培养具有重要的作用。

二、问题中心式教学方法的研究

1．解决的主要问题和创新点。问题中心式教学方法的研究，可以解决在机械设计基础教学中存在的以下问题回：①由于教学改革的深化和课程体系的调整，在提高教学质量要求的前提下，一方面要保证原有的教学内容不能随意缩减；另一方面随着科学技术的发展，机械设计领域中出现的许多新技术、新方法、新成果都应该在课堂上传授给学生。因此，较少的授课计划学时数与教学内容的扩充和教学质量要求的提高形成了一个急待解决的矛盾。②机械设计基础课程内容涉及面广，各章节之间相对独立，学生普遍反映该课程难学。在教学过程中，如何提高学生的学习兴趣，使学生对课程动心，从而积极动脑去主动学习，努力动手去创新实践，是机械设计基础课程教学过程中必须考虑的问题。③对机械专业必不可少的教学科目及其知识，是通过教科书和讲授传递给学生的，同时学生通过练习这些知识来学习运用这些知识，最终学生掌握了该领域的知识和对已知问题的标准化解法。显然学术研究和专业实践几乎被排斥在外，实际问题很难进入课堂。有的学生跨入设计部门后，开发设计能力较低，对某些课题无计可施，需经较长时间才能适应工程设计工作。因此提出问题中心式教学方法，意在拓宽学生的知识面，增强其对社会需求的适应能力。突破原各门课程强调自身的科学性、系统完整性和求深求多的观念，面向工程，精选出真正实用的基本理论和实际问题，重在建立工程模型的思路与方法，为学生再学习能力的培养创造了良好的环境。世界一流大学麻省理工学院(MIT)的办学思想是删：培养学生专业能力的最有效途径是教学、研究与关注真实世界问题的结合。MIT凭借她的实学精神和面向问题的学术首创精神将“教学、研究与关注真实世界问题”的三结合作为指导原则并一以贯之的执行。因此在培养学生机械设计专业能力的教学过程中，可以将问题导向的思想引入到教学方法的研究中，创新性的提出“问题中心式”的教学方法，以问题为基础驱动教学过程，使学生带着问题、为处理问题进行学习。在解决问题过程当中，学生学会了用批判性、建设性的方式讨论观点与建议，接受并学会了如何运用新技术、新方法和新成果；激发学生的求知欲和创造欲，将科学与技术、技术与非技术、知识与经验有机统一起来，使学生有效地养成了机械设计工程师的认知和做事方式。

2．组织与实施。问题中心式的教学方法，以问题为基础驱动教学过程，使学生带着问题、为处理问题进行学习。这种教学方法是建立以问题为中心，按问题组织教学的新型教学方式，即纵向上以解决实际问题贯穿于专业教学全过程，横向上由问题来培养能力，来贯穿该门课程的学习。实施方法：①专业课每学期开学前，由教师根据课程内容，结合学生特点及需求确定本学期的问题，汇总孛生感兴趣、最需要解决的问题并进行分析归类，这些问题往往不是用以验证理论的练习题，而是一时找不到满意答案甚至根本没有答案的实际问题，有些则是教师研究项目的子课题。②教师在讲解具体章节内容前本学期的问题，学生自由组合，形成1-3人的问题小组。③一旦本学期的问题确定下来以后，学生就可学习解决问题的主干课程，并且利用课后时间自学相关背景课程，最终利用专业知识解决问题。每个问题持续1～2个学期。④组织学生进行问题解决报告会，报告会还邀请相关专业教师参加，问题小组必须在报告会前一周完成报告书，打印成册并呈送每位评价教师。问题小组制作P来宣读报告，并接受老师和同学的提问与评价。⑤教师评定报告质量，并以一定的分数计入到学生本学期的机械设计基础课程的考试分数内。在问题中心式教学方法的组织与实施过程中，教师的职责也需作相应的调整。除讲课这一常规任务外，教师还要承担新的职责，例如提出问题，并为以解决问题为核心的教学计划作准备；课后指导问题小组，帮助他们寻求解决问题的方法，评点他们的设想，监督工作进展，审阅报告，主持报告会等。该教学方法的组织与实施示意图如图1所示：

三、问题中心式教学方法的实践

1．实践项目与过程。对人数为34人的机械类专业班级进行问题中心式教学方法的实践，学生用两学期的时间完成机械设计基础课程中机械原理和机械零件的学习，同时解决学期初教师提出的问题，具体实践过程按照图1所示进行组织和实施。教师在讲授机械原理和机械零件课程之前，提出的问题是仿生物运行装置的研究与设计，仿照生物的运动机理对移动机器人行走机构进行设计研究是移动机器人的热点研究方向。问题要求了解和掌握微小型移动机器人步行机构的一般类型和设计方法，从而对生物的运动方式进行模仿，使微小型移动机器人实现特有的规律性运动，设计出可行的运动方案和结构简单、运动灵活、性能优良的运行装置。该问题可以具体分为如下几个子问题：①每个学生撰写一篇文献综述，反映当前仿生机构学领域中研究的历史现状、最新进展、学术见解和建议，要求对国内外相关研究的动态、前沿性问题做出较详细的综述，并提供参考文献(文献主要指2005年以后的学术期刊论文或会议论文，以英文为主)。②对生物的运动性能和行为特征进行研究，将其结构特征、运动机理、行为、行为方式等应用于机器人行走装置的设计中，用所学的机构类型来实现，如生物般的有规律的蠕动行走或爬行，设计出可行的运动方案。③对仿生步行装置进行机构原理研究和特性分析，包括绘制机构运动简图、结构分析、运动学分析和动力学分析，根据研究分析的结果得到优化的仿生物运行装置。④仿生物运行装置的结构设计，利用所学的各类机械零件设计知识，结合计算机设计软件完成相应的强度计算和结构设计。⑤仿生物运行装置的制作与实验，学生选购各类标准件、型材等在工程训练中心自行加_[，或者在工程训练中心老师的指导下完成加工制作，组装好后进行实验。子问题①一③在第一学期解决，子问题④和⑤在第二学期解决，从上述问题中心式教学方法的实践项目和过程中可以看出，机械原理和机械设计课程中重要的知识点都包含在若干子问题中，学生在学习过程中能够主动地学习课堂内容，课后也积极地查找文献和自学相关背景课程，如电机驱动、单片机控制等知识与技术，最终利用专业知识解决问题。教师在讲课过程中能够更好地组织课堂内容，除了讲解大纲要求的各个知识点，还会教授如何查阅文献和撰写文献综述，对学生在原理研究和机构分析阶段提出建议，指导学生掌握通用的机械设计与分析软件等，整个教学活动的教与学全部以问题为共同核心，使学生能够真正的动心、动脑、动手的去完成机械设计基础课程的学习，完成以综合和创造为特征的教学方法改革的实践。

2．实践效果与分析。34名学生分为9个问题小组，每组均完成原理方案设计图1张，结构设计装配图1张，零件图若干张，设计说明书和报告书各1份，其中8个问题小组成功提交了仿生物运行装置的实物样机(小组2除外)，如表1所示。学生所做的实物样机能够完成仿生行走任务，较好地解决了问题。在解决问题过程中，学生的求知欲和创造欲都比较强烈，不少小组成员不仅合作完成了设计和制作任务，还主动学习动力学，分析软件ADAMS，利用该软件对多个设计方案进行仿真和分析，最终得到优化的仿生行走装置。如图2所示为小组4的仿蜘蛛八足行走装置的运动仿真，该装置是仿照蜘蛛行走原理设计的，身体两侧腿对称，以左侧腿为例作分析。步态1：胸足、腹足与地面接触，支撑身体，前足、后足抬起向前运动；步态2：8只脚同时接触地面；步态3：前足、后足与地面接触，支撑身体，胸足、腹足抬起向前运动；步态4：8只脚同时接触地面。一个周期内完成4个步态的交替的运动。经仿真得知该“蜘蛛”一个运动周期的理论平均速度为4．25cm／s，运动平稳可靠。问题小组5～9设计的都是仿四足行走装置，但每个小组实现四足行走的具体方案都有所不同。综上所述，笔者在机械设计基础课程的教学过程中，将问题导向的思想引入到教学方法的研究中，建立以问题为中心、按问题组织教学的新型教学方式，即纵向上以解决实际问题贯穿于专业教学全过程，横向上由问题来培养能力，来贯穿该门课程的学习。通过对问题中心式教学方法的实践，可以看出该教学方法能够激发学生的求知欲和创造欲，使学生带着问题、为处理问题进行学习，在解决问题过程当中学生学会了用批判性、建设性的方式讨论观点与建议，接受并学会了如何运用新技术、新方法和新成果，有效地养成了机械设计工程师的认知和做事方式，增强了对社会需求的适应能力。

问题中心式教学方法是对以综合和创造为特征的教学方法的一种改革，以综合和创造为特征的设计是工程的本质和核心，是机械工程专业类人才首要的思维方式和工作方式，因此该教学方法的研究和实践，与国际工程教育改革的发展趋势和研究热点一致，具有实际的研究意义和价值。以问题为基础驱动教学过程，需要面向工程，精选出真正实用的问题，问题的选用重在建立工程模型的思路与方法，因此需要不断总结经验和汲取新知识，逐步解决存在的问题和不足，为把学生培养为创新型科技人才创造良好的环境。