系列课程体系下以问题为基础的“机械设计”模块化教学

来源:用户上传      作者:王顺 贾艳辉 柴博森

　　摘   要：目前工科大学“机械设计”课程基本上仍使用灌输式教学，存在课堂气氛沉闷、枯燥乏味、学习积极性低、教学效果差等一系列问题。文章探讨了在系列课程体系下以问题为基础的模块化教学在“机械设计”课程中的应用问题。以机械工程本科生培养目标为出发点，把“机械设计”放在整个培养体系中改革教学模式。通过对新、旧知识的划分，将课程内容模块化。设计反映各模块教学核心的问题，引导学生以探究问题答案方式，运用先修课程知识学习新知识，激发学习主动性，减少课堂讲授。
　　关键词：机械设计;以问题为基础;模块化;系列课程
　　中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）01-0016-03
　　 一、引言
　　 “机械设计”课程的目标是培养工科本科生掌握通用机械零部件设计知识、方法和一般规律，并具备设计简单机械的能力。在整个培养体系中，“机械设计”是机械工程专业本科生入门课程之一，是起到承前启后作用的十分重要的专业技术基础课。多年以来，人们不断尝试将各种教学方法应用到课程教学中[1-2]，使本课程教学不断进步，跟上时代发展的步伐。
　　 以问题为基础的教学方法首先在医学教育中广泛应用[3-4]，后被推广到健康教育、商业和法律教育等领域。国内在工程教育领域虽有应用[5-6]，但仍然存在问题设置、学生学习习惯、师资条件和教学管理等方面的一些问题[7]。主要原因在于，该方法产生于西方文化背景下的教育实践，文化差异使得该方法显得有些 “水土不服”，应用效果并不理想。以问题为基础的学习方法，通过让学生合作解决问题来学习隐含于问题背后的科学知识， 达到知识传授、学习的目的。而且，能够培养学生解决问题的技能，并形成自主学习的习惯，是一种主动的学习方式。该教学方法对教师和学生的要求都比传统教学模式高。例如，学生要有较强的多渠道获取信息的能力;要有较强的交流、合作和一定的综合分析能力;教师要有广博的知识，以及对课程有更高层次、更透彻的理解。
　　 模块化教学法产生于20世纪70年代，在欧美已经突破职业教育领域得到广泛应用[8-9]。模块化教学是将所讲授内容分成若干个模块，通过一个主线将各个模块有机组合在一起的方法。每个模块可以是一个或几个知识点，或者是一门课程，也可以是多门课程。模块化教学方法的鲜明特点是化繁为简，即将一个庞杂的系统按照一定的方法或逻辑关系人为分割成若干个相对独立的单元模块。每个模块的内容简单、明晰，易于学生理解掌握。“机械设计”课程是典型多学科交叉应用型课程，模块化教学模式有利于学生充分理解不同学科之间的区别与联系，学会如何解决多学科融合交叉问题。
　　 目前，我国以问题为基础教学法的应用还处于探索阶段[10]，模块化的“机械设计”课程教学鲜有报道[11]。笔者认为，任何课程的教学模式改革都必须首先了解并明确课程的特点、性质，以及其在整个培养体系中的地位和作用，才会有正确的方向。“机械设计”课程的教学模式改革还要考虑我国目前机械行业乃至整个工业的生产方式、水平和方向等一些事关时代发展的大问题。
　　 本文首先分析了”机械设计”课程教学中存在的一些现象，阐明解决这些问题的思路方法。提出以问题为基础的“机械设计”课程模块化教学模式，以及改革步骤和内容。重点强调了课程改革应该放在整个机械工程本科生培养体系下进行，适当引入相关学科最新发展成果，才会产生良好的效果。
　　 二、教学模式改革的提出
　　 以设计适合于工程使用的安全可靠的通用机械零部件为目的的“机械设计”课程，是涉及数学、力学、材料、电子、摩擦学、工程制图等众多学科知识交叉的专业应用技术基础课程。由于先修课程知识的遗忘、零部件工程应用背景缺乏、灌输式教学等，学生大都对课程感到繁杂、难、枯燥乏味等，许多学生学习主动性差，课堂沉闷，甚至逃课现象时有发生。切实改革教学模式，研究符合教学内容、适合现代学生特点、能够吸引学生主动学习的教学模式，是“机械设计”教学改革的首要任务，也是提高教育教学质量，培养适应社会发展与国际化背景下，具备交流、合作、综合分析能力的 “新工科”人才的必由之路。
　　 近些年随着信息网络技术的不断发展，信息化、网络化、人工智能和大数据逐渐走进社会生产和人们生活的各个领域，其影响范围越来越广。目前，我国工业生产方式和人们生活正处于向自动化、网络化和智能化转型的过渡阶段，课程教学内容和方法应充分利用相关技术发展成果以适应社会和工业发展，这是课程改革需要面对的首要问题。另外，学生对知识的获取变得愈发容易，渠道也呈现多样化趋势，知识的学习不再仅限于课堂上教师的传授，学生们更希望拥有越来越形象化的个性化的多元化的学习方式。这些变化给传统灌输式教学提出了挑战，也为课程模式改革提供了良好的外部条件和动力。开展能够切合课程特点、紧跟时代、符合我国实际的 “机械设计”教学模式已显得越来越迫切。
　　 三、教学模式改革的主要步骤与内容
　　 实现以问题为基础的模块化“机械设计”教学模式，首先将课程内容按照先修课程知识、同时修课程知识和本课程新知识进行划分，再将本课程知识根据内容类别进一步划分模块。将每一模块根据教学重点和改革思路，设定一个或多个问题。用模块化的核心问题将教学内容贯穿，通过对问题求解，引导学生主动学习。主要包括如下6个步骤：确定课程内容主线;重新梳理与分类课程内容;调研先修课程和同时修课程;教学内容的模块化构建;模块问题的设计和拟定;实践互动，完善教学模式。
　　 确定课程内容主线。依托培养体系和目标，明确“机械设计”课程的地位和性质，确定教学内容的中心主题，且应贯穿整个教学始终，并在教学实践中不断强化。“机械设计”属于专业技术基础课，课程教学旨在培养学生如何利用先修课程知识解决通用零部件的设计问题。同时，向学生传授机械设计行业的一些基本概念和方法。因此，教学内容应在一定工程背景下展开，教学模式的基本思路是从工程应用中提炼科学或技术问题，用理论知识解决工程设计问题。重新梳理与分类课程内容。根据“机械设计”课程的主线、教学内容及其要求，对课程中的先修课程内容、同时修课程和本课程新内容三大类进行划分，然后对每一类内容具体涉及的学科知识再进行总结归类。这些工作是为后面的模块化及问题拟定设计奠定基础。调研先修课程和同时修课程。调研与本课程相关的先修和同时修课程内容与教学要求，为本课程内容的分类梳理提供基础和依据。主要调研课程包括高等数学、线性代数、工程图学、理论力学、材料力学、机械原理和工程材料等。教学内容的模块化构建。围绕课程中心主题，将每一个通用零部件的教学内容按照结构介绍、失效形式、材料选用、设计计算、工程应用的顺序划分为若干模块。各模块的知识既相对独立，每个模块体现了不同学科课程知识，学生复习时可以根据需要随意选择模块进行复习，又相互关联，都是课程中心主线的节点。一般地，模块之间的关系是知识学习的先后顺序关系。模块问题的设计和拟定。以教学大纲中教学基本内容和基本要求，以及涉及的先修课程、同时修课程和本课程的教学基本要求为依据，对分好的每個模块都设计一个或者几个能够更好地理解和应用“机械设计”课程中知识点的问题。设定的问题可以是学生先修课程中为学习本课程新知识做准备的内容，或者是同时修课程中的新知识，或者是“机械设计”课程中的新知识，抑或是来源于工程实际。实践互动，完善教学模式。在课堂教学实践中，根据模块问题的类型和性质，将问题课前或课后布置给学生，或者课中通过互动环节，完成模块内容授课、解答。对于布置的问题，学生以个人或者小组形式在课前或课后完成解答，可以组成小组在课堂上讲解讨论，教师和其他学生补充、提问和评论。学生对教学模式各个环节的反馈意见是完善教学模式非常重要的一部分，使教学模式形成一个完整的良好的闭环结构。互动环节可以通过建立实时通信机制或调查问卷等形式实现，及时获取来自学生的信息，尤其要听取他们对模块教学重点、问题拟定的建议。教师在教学过程中要及时总结，提出修改完善教学模式意见，在本课程组的教学会议上讨论确定最终方案。 　　 本文提出的教学模式在以下两个方面非常关键：一个是构建模块的依据。采用科学合理、符合课程内容特点、适合学生学习的方法构建教学内容模块是整个教学模式成功的基础。一般地，“机械设计”课程除绪论、机械强度及摩擦学等基础知识外，通用零部件部分所讲授内容的教学思路大体相同，模块化方法也都趋于一致。模块内容涉及知识不可过多过广，以利于具体明确问题的提出。但模块也不要过小，以免使知识学习零散化、碎片化，导致拟定问题重点不突出，不利于学生有效学习，无法体现模块化教学的优点。另一个是问题设计拟定。每一模块的问题拟定是影响教学模式质量和效果的关键，直接关系到能够激发学生兴趣乃至教学内容掌握情况。问题设计拟定一般遵循如下原则。
　　 1.问题小、具体且明确，难度适中。小而明确的问题有助于学生对定义概念等的理解，便于抓住重点，特别是新学知识模块的问题，更要具备这个特点。问题可以是来自先修课程调研总结的与本门课程相关的知识、教师教学总结以及工程实践总结等。对这些问题的探索解答，主要通过网络媒体、实验室和图书馆等方式实现，大部分学生都能够通过简短的回答完成。
　　 2.体现模块核心内容及教学要求。设定的问题不能偏离课程教学主线以及教学大纲基本要求，即紧紧把握通用零部件设计的理论、方法及应用这一主题设计模块问题。否则，学生無法通过问题有效学会新知识和新方法，甚至会误导他们。学生能够解答问题，意味着掌握了该模块的教学内容，达到了教学大纲的基本要求。
　　 3.一部分问题应涉及先修课程知识。运用先修课程知识解决学习中的问题，从而学到新知识，不但能激发学生的学习兴趣，培养学科交叉融合应用能力，还有助于学生理解本专业各门课程在整个培养体系中的相互关系、地位和作用。关于先修课程知识的问题要侧重于反应与本课程密切相关的知识点。例如，高等数学中微积分、力学分析、工程制图标注等方面的知识。
　　 4.适当体现最新设计方法和理念。教师通过不断的学习和科研实践，了解本学科和相关学科的最新发展，提炼出与课程教学密切相关的知识和应用，融合到教学实践中，让学生体会到本课程能够紧跟时代科技发展步伐。比如，在设计方法方面，可以引入可靠性设计概念，与“机械设计”课程中的设计方法进行对比;多参数的设计计算引导学生懂得，机械设计应该是一个不断优化的过程。
　　 四、结语
　　 为适应科技和社会的不断发展进步，工科大学“机械设计”课程的教学模式亟待改变传统的灌输式被动学习模式，转为以问题为基础的主动式教学。本文提出的基于系列课程体系下以问题为基础的模块化教学方法，使得课程知识脉络更加清晰明朗、教与学的目标更明确，问题导向使学生学习主动性更强。当然，这也对教师的综合素质和学生的自学能力提出了更高的要求。特别是给教学管理和教师课堂教学的把控与引导带来了不小的难度。教师应综合考虑个人素质、专业特点、学生水平以及教学条件等因素，合理运用教学方法，才能收到良好的课堂教学效果。
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