基于問題式學習在機械設計系列課程中的應用

張莉彥 張有忱

北京化工大學機電學院 北京 100029

工程素質包括工程知識、工程意識和工程能力等，這些都是工程技術人員必備的素質，也是高校工科教育的重點之一。適應新時期的要求，機械類專業的學生應該具備的工程能力包括綜合設計能力、工程實踐能力、創新設計能力，機械設計系列課程在這些能力的培養中起著至關重要的作用。一般機械設計過程分為4個階段：產品規劃、方案設計、技術設計、生產施工，它是一個相互關聯的整體過程。其中方案設計階段包括功能原理設計、執行機構的選型與構型、方案分析與評價、繪制機構運動簡圖等，這些內容主要在機械原理課程中講述；技術設計階段用到的零件強度設計、結構設計，主要在機械設計課程中講述；在設計過程中用到的創新技法在機械創新設計中講述。這些課程的內容瑣碎、繁雜、工程背景強，在傳統教學中，教師雖然很認真、很辛苦地講解每個知識點，但學生卻對所學知識模糊不清，不知道該如何應用。

基于問題式學習(Problem-Based Learning，PBL)是通過提出問題，引起學生的興趣，進而展開學習的一種教學模式，強調將學生置于精心設計的問題情境中，通過共同解決實際問題學習相關的知識，形成解決問題的技能，培養理論聯系實際的自覺性以及主動學習的能力，最重要的是激發學生的創新意識及創新能力。

1 基于問題式學習的教學理念

在傳統的教學理念中，過分強調知識的傳授和灌輸，將學生的學習過程看作是對外部刺激的被動反應，忽視了學生自主學習能力及創新能力的培養。基于問題式學習的教學模式，通過精心選取實際工程問題，激發學生的興趣，引導他們主動思考，探究問題背后的理論知識及解決方法。這種教學模式，將教學過程的主體由教師轉變為學生，充分調動學生的自主學習能力，給學生提供更寬松、更廣闊的思維空間，由此激發他們的創新意識，培養創新能力。當然，教師的指導作用也不容忽視，首先要分析教學目標，提出問題，啟發引導學生解決問題。在教學過程中為學生樹立機械產品設計的整體意識和工程概念，強調揭示各部分之間的聯系及在工程設計中的應用。

2 設計問題環境

2.1 樹立產品設計的整體觀念和工程意識

上好緒論課十分重要，在機械原理緒論課中，筆者以一個典型的工程機械產品為例，講解機械產品設計的全過程，提出問題，布置任務。例如，以包裝機為例，通過功能分析，分解動作，提出動作如何實現？運動如何實現？可以在課堂上提問，讓學生大膽想象；然后將這些問題作為課后作業，讓學生查閱相關資料，寫出認識機械的讀書筆記。同時，教師將此實例貫穿于整個教學活動中，通過裝料機構的實現引出連桿機構的設計，由熱封機構的實現引出凸輪機構的設計，還包括機械設計課程的中齒輪、軸系部件、帶傳動、螺栓連接等。這樣，學生在學習各部分內容時，就會有整體概念，知道這部分內容在產品設計中的作用，樹立正確的設計觀念，另外，也消除了學生由于缺乏工程背景而對機械設計產生陌生感和恐懼感，從而盡快熟悉一般機械設計的方法、步驟，提高學習的主動性、積極性。

2.2 根據專業方向設置問題環境

在教學過程中，教師提出的問題應結合學生的專業方向，這樣不僅能激發學生對本專業的興趣，有利于以后的學習，而且能更早、更快地走進實驗室，接觸專業教師，培養工程意識。例如，結合注塑機中的合模機構，提出如下問題：注塑機對合模機構有哪些要求？常用的合模機構有哪些？能否提出其他實現方法？學生通過查閱資料，到專業實驗室觀察，互相討論，在認識了專業機械的同時，會產生很多疑問，他們帶著這些疑問回到課堂中，教師因勢利導，引出連桿機構的動力特性、死點、增力機構等。

以螺桿擠出機的發展為例，筆者設計的教學過程為：通過讓學生了解螺桿擠出機的發展歷史，以案例的形式分析在其發展中使用的創新思維及技法。學生通過查閱資料及專業書籍，向專業教師請教，發現了從單螺桿到雙螺桿、從定螺距到變螺距等發展過程，總結了其中的創新技法。

2.3 將驗證性實驗轉變為設計性實驗，學生自己發現問題

傳統實驗項目中包括很多驗證性實驗，課堂上，教師先講解基本原理，然后到實驗室驗證，學生做實驗的興趣不大，收獲也不大。在機械原理中，齒輪根切是學生較難理解的部分，我們將范成實驗教學進行了改進，先讓學生自學齒輪加工一節，自己設計實驗，通過加工不同齒數的齒輪，自己發現根切的問題，找出其原因。學生自己先做實驗，對所學的知識有了直觀認識，激發了學習興趣，再回到課堂上學習，就會對新知識深刻理解而且容易掌握。

2.4 結合課程設計提出問題

將實踐教學環節與課堂教學緊密結合，會產生事半功倍的效果。課程設計是學生綜合應用學過的機械基礎系列課程知識，解決工程設計問題，它最貼近工程實際，是培養學生綜合設計能力、創新設計能力的重要環節。為了培養學生機械產品設計的整體意識，我們已經將機械原理和機械設計的課程設計合二為一，學生需要完成從產品的功能分析、原理實現、執行機構的選型構型，到傳動方案的制訂、傳動零部件的強度計算、結構設計的機械產品設計全過程，再到編制計算說明書，繪制機械系統運動方案簡圖、傳動部件裝配圖、典型零件工作圖等全過程的學習。這樣帶來的問題是間隔時間長，學生在前面學習的知識有的忘記了，再加上沒有現成的步驟可以參考，等靠現象嚴重、前松后緊，質量難以保證。針對這種情況，我們將課程設計題目作為問題提前布置給學生，前面提到的包裝機就是我們課程設計的題目之一。在課程開始時，學生就明確了課程設計的任務，要解決的問題，授課的過程變成了解決問題的過程。學生學習的積極性被調動起來，提問的多了，提出的想法也多了，達到了預期的目的。

2.5 結合學生課外科技創新活動提出問題

問題的提出還可以結合學生課外科技創新活動，特別是兩年一次的大學生機械創新大賽。盡早將主題發布給學生，并展開討論，在機械創新設計課上作為大作業，完成方案設計，評比后優秀的方案可以作為課程設計的自選題目，在課程設計期間繼續完善并準備參加大賽。通過這樣長時間的醞釀準備、教師引導、規范訓練，激發了學生的創新意識，而且這些意識不再是模糊一片，學生知道如何捕捉這些創意，如何記錄、表達、實現這些創意。因此，學生的創新作品設計新穎，并且緊密結合所學知識，設計方法完整規范，在創新大賽中取得了好成績，如在第一屆全國大學生創新設計大賽中獲一等獎一項，第二屆獲二等獎兩項，第三屆獲一等獎一項。

3 對教師的要求

采用PBL教學模式要求教師必須具有很豐富的工程經驗，厚積薄發，才能設計出針對性強的問題情境，引導學生全面深入地理解知識，靈活應用，解決問題。因此教師必須積極參加相關的科研活動，深入工程實踐，提高自身的工程素質，積累工程案例，并與基本教學內容相結合，這樣才能講得更深、更透，學生也更有學習興趣。如果教師沒有合適的科研項目，可以進入實驗室動手完成實驗項目，深入研究，積極改進，也能從中積累工程經驗。另外，實驗設備的安裝、調試、檢修都是很好的實踐活動。只要教師具有了工程意識，處處留心，就會積累很多實踐工程案例。

4 結束語

基于問題式學習的教學模式已經過幾年實踐，打破了原來灌輸式、被動學習的模式，受到學生的普遍歡迎，調動了學生學習的積極性、自覺性，培養和挖掘了他們潛在的創新能力。另外，學生更加熱愛機械專業，樹立了機械設計的總體意識，增強了工程素質，完成了從基礎課到專業課的過渡。這種模式對學生提出了更高的要求，要投入更多的時間、精力，查閱資料，主動思考。

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