面向工程教育的課堂教學方法改革與實踐

[摘要]現代工程教育課堂教學面臨著增加實踐內容、面向工程實際的要求，課堂教學授課方式方法需要進行改革以適應人才培養的需求。以開闊學生視野，提升學習興趣為目的探討了基于實景教學的三位一體教學方法，該方法在工程應用的背景下以工程問題為主線講述基本原理，降低了理論深度、拓展了理論應用寬度，同時增加了工程實踐相關的授課內容。

[關鍵詞]工程教育；課堂教學；教學方法

[中圖分類號]G642.421 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634(2011)04-0044-03

0 引言

開展工程教育目的是把學生培養成為滿足社會需要的工程人才。而傳統、單一的工程概念慢慢弱化甚至淘汰，現代工程逐漸構成了以研究、開發、設計、制造、運行、營銷、管理、咨詢等為主要環節的工程鏈，現代工程已將科學、技術、非技術、工程實踐融為一體，成為多學科的綜合體。創新型工程師的知識特征應該是寬、專交相結合。

世界各國都在研究怎樣培養工程人才，中國更為急切——未來20年，中國將繼續保持宏大的工程規模，許多重大工程項目從跟蹤走向領跑，這些都需要更多優秀工程科技人才化藍圖為實景。工程教育如何呼應這樣的時代要求?2010年6月，教育部啟動卓越工程師培養計劃試點，目標直指建設創新型國家所需的高素質建設者。

真正的卓越工程師如何培育?面向工程教育的教學改革勢在必行，在擁有世界上最大規模高等工程教育的中國，思考正當其時。

1 存在的問題

課堂授課是目前中國最主要的教育教學方法，早期以板書、講述為主；近期隨著多媒體技術的發展，PPT使教學手段更為靈活。但是無論過去和現在，講授課程的主線都是按照教材的邏輯順序。雖然近期PPT使課程的靈活性增色不少，但仍然擺脫不了大量文字敘述、長篇理論講述的窠臼。同時課本一直沿襲著強調基礎的態勢，基礎固然重要，但過度長篇累牘的講述工程問題不形象、不具體，最大弊端是學生一直在懷疑“這么多理論到底有什么用”?致使學生缺乏興趣，失去興趣的學習很難做到學以致用。

教材編排與課程講授客觀上講并不存在必然聯系，教材總體上體現的是知識結構，內容上由淺入深，而任何一本教材的出爐都反映了編者個人的思想，對于授課者而言則可能需要體現另一種思想，因此有經驗的教師都是以一本教材為主，廣泛地借鑒其他教材的內容。每一本教材由于思路的不同都有自身的優勢和劣勢，比如對于設備、工藝的分類問題很多教材都編排在章節的開始部分，這并不符合學生的認知習慣，在沒有搞清每一種設備、工藝概念的階段如何談分類?

教材質量良莠不齊。雖然國內外的教材本質上講述的科學原理內容是相同的，但國外教材內容簡潔更易于自學，且概念具有開放性，與工程實際緊密相連。反觀國內教材則更注重于理論性，文字篇幅較長而顯得繁冗。強調原理沒有錯，但有時候一副形象的圖畫比幾段文字表達得更清楚。更有甚者，幾本教材整段文字雷同現象經常出現，只是因為該段內容是精品而不忍改變嗎，值得人們反思。

在不同的場合已經有多位專家呼吁工科教師本身要有豐富的工程背景，但問題是，國內高校極其缺乏“工程型師資”。目前工科教師自身的工程實踐背景不足，尚難適應工程人才培養之需。當下，國內不少工科博士畢業后就直接留校，教育背景只是“從學校到學校”。而反觀國外，尤其是在德國等一些工程強國，只有具備5年以上的企業工程經理資歷者，才能進入高校成為工科師資；還有如麻省理工學院等高等學府，工科教授也往往長期擔任企業工程專家。工程人才的培養實際上需要更加強調理論聯系實踐，實踐在工程教育領域被提到了前所未有的高度。

當今工程教育尤其是高等教育中的工程教育教學已經不同于以往任何一個時代，對工程人才培養提出了較高的要求。工程教育照本宣科，過于死板和程式化的模式勢必要發生改變。工程教育強調解決實際問題的能力，而能力的培養離不開大量的實踐鍛煉。國外工程教育講授課時少，工程實踐豐富，而中國國情是教學資源有限，主要體現在教師數量和實驗條件上，如何利用有限的資源發揮教師、學生的主觀能動性值得思考。

教學中包含教與學兩個因素，教的效果不僅取決于教師，還要看學生“吸收”的情況。事實上學生對教師的理論不甚感興趣，尤其空洞的為人處事理論和有些過長的工程技術基礎理論。如果學生能夠按照教師要求安排自己的學業，那么一句類似“好好學習天天向上”就可以了事。實踐中學生對一些案例會聽得聚精會神，包括工程技術案例和求職擇業等，尤其是本領域的新技術新工程。這說明學生也并不是頑固不化，對于技術上的原理還是有興趣的，對于國內外前沿還是充滿了求知欲，如果能夠以先進的技術為引線，輔之基本原理的講述，將會別具效果。

本文針對目前工程教育課堂教學劣勢進行了教學改革，并以塑性成形專業的《沖壓工藝學》為例，在教學內容篩選編排、教材利用、教學方法上進行了嘗試，取得了較好的授課效果。

2 教改示例

工程教育越來越向增加生產實踐的方向改進，但課堂授課必不可少；此外國內高校的實際情況是資源匱乏，尤其是工程實踐資源。近期不可能允許全部工科學生大量增加工程實踐，即便是國家卓越工程師培養計劃也只限于10％的學生。較多學時的課堂授課將會在很長時間內存在于我國目前的工程教育教學。所以改進目前的教學授課方式，使授課更貼近工程實踐將是一條不得不走的路。

2.1工程技術實景教學

充分利用多媒體手段是改善教學效果的重要方法，但必須避免只是簡單地把課本中的文字、圖片搬到PPT上，即使在圖片豐富的前提下輔以多角度的問題講解可能仍然無法吊起學生的胃口，這種情況下需要教師在教學方法上做出改變。

以沖壓工藝學為例，筆者的做法是把國內外知名企業的生產過程錄像給學生播放，通過錄像資料逐漸闡述每一步生產過程的原理，稱之為工程技術實景教學。把教材中所涉及的問題打包，教材被分解成若干個問題。比如沖壓工藝學被分解成沖裁、彎曲、拉深、脹形等若干個問題，然后分別剪輯每一問題的一段錄像資料，要求該段資料比較典型。以錄像資料為對象提出多個問題供學生思考，這些問題就是教材章節的核心內容。

以實景教學吸引學生注意力，以問題的形式把要講授的內容先拋給學生，這樣可以把學生的大腦活動拉入生產過程。以前教學實踐中，苦于不能讓學生始終跟上教師的思路，學生缺乏主動思考能力，即使可以做到也有強拉硬拽之嫌。而以先進的加工技術作為背景，尤其是學科領域的前沿性技術，從中尋找先進技術中包含的共性基礎理論。直接的作用就是給學生詮釋學以致用，同時間接地告訴學生未來所從事的工作很具有挑戰性，這樣的作用可能要比空講理論的重要性要有價值。

以沖壓工藝為例，在講到其他拉深方法的時候播放目前應用于生產的軟膜成形、差溫拉深、電磁成形等工程實景，結合聲像資料對其中涉及的科學問題進行講解。實踐證明國際國內前沿的相關設備和工藝將會使學生興趣倍增。

2.2工程技術的基本理論

教師以回答問題的方式引出每一段要講的內容。以拉深工藝為例，實景教學可看到如圖1(a)所示一個金屬筒，其生產工藝過程如圖1(b)～(e)，可提出若干問題：(1)筒形件的坯料是圓形，參數半徑該如何確定?(2)圓筒在拉深成形的過程中需要多大的拉力?(3)筒形件在拉入模具時會不會起皺?(4)筒形件在拉入模具時會不會破裂?(5)筒形件拉深模具的加工精度如何?……

每一個問題結合實際生產過程都成為一個工程實際問題，而每一個問題又是教材中整塊同一性質理論內容的打包，比如同樣是上面所提出的問題對應教材中的章節名稱是：(1)筒形件拉深毛坯尺寸的計算；(2)筒形件拉深過程拉深力計算；(3)筒形件無壓邊圈的拉深；(4)筒形件的拉深成形極限；(5)筒形件拉深模具設計……

雖然二者的表述內容是一致的，但在表述的方式上是有區別的。教材是按照工程問題所蘊含的科學理論邏輯關系安排順序的，而且表述的方式更側重于應對普遍科學問題，因而顯得理論性較強；而以工程問題為背景安排教學內容，主線是現代生產過程，而不是課本的章節。以生產過程遇到的問題需要安排講解的內容會更加突出理論的應用性，這一點在目前工科教學中體現的不足。

但一味地追求授課內容的工程性也不是高等工科教育的方向，他應該有別于職業教育，因此授課內容還必須遵循一定的理論體系。實踐中是將目前的教材安排分別按問題打包，該問題與生產過程中的問題一致，但在生產過程中問題講述的順序將遵循現教材的理論體系，使其符合理論上的邏輯關系，這一點教師是有能力做到的。

這樣的做法同時引出另一個值得思考的問題：教材的作用是什么?工科工程教育自然不能拘泥于一本教材，教材更應該擔當參考、秉承理論體系的作用。

2.3基于工程技術的理論延伸

目前高等工程教育延續著一種傳統的教學方式，就是要把深奧的理論講透。而理論的深奧之處恰恰在于他是“理論上的”深奧，普通常規的技術應用往往不涉及理論的深處，只有科學研究才會追究如何更加深入，因此有選擇地適可而止是工程技術理論講授的明智之舉。降低理論難度并不意味著學生無緣領會人類文明的精髓，可以通過拓展應用，通過更多的應用實例展現理論的精妙之處，而對于理論上深入的探討則以懸而未決的形式留給學生。這樣欲說還休反而能夠激發學生對理論指導意義的更深認識，即使這時老師戛然而止，對于有較高求知欲的學生而言已經沒有了困難。而實際上，能夠做到激發學生興趣也是一種藝術。

教師講解如同給學生打開了一扇門，門里面分門別類學生往往無所適從，適當的引導有助于充分發揮學生的主體地位。比如教師可以設計幾個命題，該命題沒有唯一答案，專門拿出課堂時間段以討論的形式把一個實際工程問題的多種方案展示給學生，或者讓學生登上講臺對自己思考的問題進行講解。這時候講解的結果已經不重要，而學生的參與程度則反映了教學的效果。

對沖壓工藝而言，工程技術理論的延伸選擇了板材沖壓成形的數值模擬，利用有限元軟件把教材中的板材成形過程模擬出來，就如同給學生打開了一扇新領域的大門?？赏ㄟ^有限元軟件模擬筒形件的拉深、V形件的彎曲以及各種復雜零件的脹形、翻邊等工藝過程。展示數值模擬的目的并不是給學生講授如何模擬，而是通過模擬結果驗證理論，應力應變分布只靠方程過于抽象，而數值模擬技術則形象生動。這樣有兩個好處，一是對理論的認識更加深刻，二是使學生領略了先進技術在工程應用中的效果，因為現代工藝設計中有限元的分析已是必不可少，能讓學生在應用中增加難得的見識機會。

3 結束語

通過改革，突破了囿于教材的觀念，進而以工程實踐為主線，把沖壓工藝學的授課分解成上述三部分，建立在精簡理論、精講核心理論基礎上，壓縮理論所占比重，突出理論的應用和延伸。但三部分的核心仍是工程技術基本理論，因為是面向設計領域培養人才，沒有理論的指導設計缺乏依據；而工程實景教學和工程技術理論延伸則是為更好的使學生理解理論，實景教學起到一個背景的作用，理論延伸起到一個開闊視野的作用，在這樣的氛圍下更烘托出理論的重要。這個框架被稱為三位一體，理論是核心，理論的背景、理論的延伸是支撐。

參考文獻

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