基礎(chǔ)工程教育中面向卓越工程師的“整體思維”復(fù)式教學(xué)模式的實(shí)踐與探討

黃娟 戴立玲 陳煒

【摘要】針對(duì)如何緊扣“強(qiáng)化培養(yǎng)卓越學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力”的大目標(biāo)，本文從基礎(chǔ)工程教育課程的共性研究入手，提出并建立一種適用于基礎(chǔ)工程教育的普適性教學(xué)模式，不受課程設(shè)置的限制。這種教學(xué)模式基于工程對(duì)象，是一種“整體思維”的復(fù)式教學(xué)模式。通過案例實(shí)踐，對(duì)取得的成果進(jìn)行了分析探討和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】卓越工程師 基礎(chǔ)工程教育 整體思維 復(fù)式教學(xué)模式

【基金項(xiàng)目】本文章受：2013年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題（項(xiàng)目編號(hào)：2013JSJG139）和工業(yè)中心2012年國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)踐（工程訓(xùn)練）教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZXJG201202）項(xiàng)目的支持，在此表示感謝。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）03-0251-02

本文所要解決的主要問題在于，如何緊扣“強(qiáng)化培養(yǎng)卓越學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力”的大目標(biāo)[1][2][3]，針對(duì)目前我國高等學(xué)?；A(chǔ)工程教育教學(xué)模式的弊端創(chuàng)新教學(xué)模式，變傳統(tǒng)的“個(gè)體思維”的線性教學(xué)模式為“整體思維”的復(fù)式教學(xué)模式[4][5]。讓學(xué)生在整個(gè)基礎(chǔ)工程教學(xué)訓(xùn)練過程中看到每門課程、每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的工程背景、學(xué)習(xí)目標(biāo)，變“盲目”為“明目”，變被動(dòng)為主動(dòng)，變“等著喂”為主動(dòng)“覓食”，從根本上解決學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)動(dòng)力及學(xué)習(xí)效率問題，從而主動(dòng)參與到自身工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的活動(dòng)中來。

1.基礎(chǔ)工程教育課程性質(zhì)的共性研究

教學(xué)模式，是指以課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)等為教學(xué)環(huán)節(jié)，以教學(xué)方法與教學(xué)手段來保證教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的貫徹執(zhí)行的總和。

目前我國的基礎(chǔ)工程教育設(shè)置有工程圖學(xué)、工程力學(xué)、工程材料、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)等課程。為了找到一個(gè)能覆蓋整個(gè)基礎(chǔ)工程教育的普適性教學(xué)模式，本文首先對(duì)這些課程的性質(zhì)共性和相關(guān)度進(jìn)行了深入細(xì)致的研究分析，總結(jié)歸納如下：

（1）它們都具有系統(tǒng)的理論性，具有如數(shù)學(xué)、幾何學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)理論的支撐。

（2）它們都具有相同的從設(shè)計(jì)到制造的系統(tǒng)的工程背景，且每門課程及其中每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都可以找到具體的工程對(duì)象；反過來，對(duì)于相同的一個(gè)工程對(duì)象，又可引出每一門課程的相關(guān)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，如該產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)方法、構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及壓桿穩(wěn)定性計(jì)算方法，設(shè)計(jì)表達(dá)及工程制圖方法，生產(chǎn)加工與材料選擇等。由此也就體現(xiàn)了這些課程的另一個(gè)共性，即實(shí)踐性。

（3）這些課程各有本課程知識(shí)點(diǎn)的目的，卻又互相關(guān)聯(lián)、互為基礎(chǔ)。例如：工程圖學(xué)提供工程產(chǎn)品的建模、成型原理，解決設(shè)計(jì)思想及制造方法的分析表達(dá)及理解問題，要學(xué)習(xí)并掌握其知識(shí)點(diǎn)，就必須同時(shí)了解工程設(shè)計(jì)方法、生產(chǎn)加工與材料選擇、結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與計(jì)算等方面的知識(shí)，了解從生產(chǎn)到制造的全過程；機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容解決有關(guān)機(jī)器、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零部件的設(shè)計(jì)方法和一般步驟，就必須同時(shí)具備工程力學(xué)與工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，并會(huì)用現(xiàn)代的工程圖方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行記錄、聯(lián)想、分析、表達(dá)及交流，等等。

2.基礎(chǔ)工程教育類課程教學(xué)模式的建立

本文研究建立的教學(xué)模式是一種適用于基礎(chǔ)工程教育的普適性教學(xué)模式，不受課程設(shè)置的限制。它基于工程對(duì)象，是一種“整體思維”的復(fù)式教學(xué)模式。它由兩大過程組成一個(gè)螺旋式遞進(jìn)的回路。首先是一個(gè)從整體到個(gè)體的過程，一個(gè)“面-線-點(diǎn)”的過程，即由一個(gè)具體的工程對(duì)象（與實(shí)驗(yàn)、課程項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)），引出整體工程概念及工程基礎(chǔ)工程教育的整體目標(biāo)，再以由此伸展從設(shè)計(jì)到制造全過程（概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、材料選擇、建模成型等）多條支干，所有支干并行、但每條支干都由相應(yīng)課程的知識(shí)點(diǎn)作為分支；第二是一個(gè)回歸整體，提升掌握的過程。在這一“回歸提升”的路徑上，所遇到的知識(shí)點(diǎn)及期間的聯(lián)系、工程背景和概念不再陌生，而是通過各種實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)等手段加深、驗(yàn)證和升華。真正達(dá)到了“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”的螺旋式上升的目的。

要執(zhí)行這樣的教學(xué)模式，對(duì)教師而言，啟發(fā)式、互動(dòng)式、項(xiàng)目式等教學(xué)方法是必然的手段，不必生硬刻意去求。由此而帶來的教學(xué)目標(biāo)及測評(píng)方法也必然不同于傳統(tǒng)形式，而是重于過程而不苛求唯一答案；對(duì)學(xué)生而言，由頂而底的方式，使他們面對(duì)的是有著具體目標(biāo)和工程背景的知識(shí)點(diǎn)，如果不去順藤摸瓜，主動(dòng)尋覓，動(dòng)手親驗(yàn)，是無法求解求知的。因此，這樣的教學(xué)模式是對(duì)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是必要而可行的。

3.案例實(shí)驗(yàn)

在基礎(chǔ)工程教育系列課程中，工程圖學(xué)是第一門技術(shù)基礎(chǔ)課，往往安排在學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)階段的第一學(xué)期，與基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)同時(shí)起步。這一階段的學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)效率正處于一個(gè)從高中到大學(xué)、基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)到專業(yè)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型期。同時(shí)，工程圖學(xué)又是工程師通用的技術(shù)語言，在一個(gè)工程產(chǎn)品從設(shè)計(jì)創(chuàng)造到制造使用的全過程中，起著記錄設(shè)計(jì)靈感及不斷修改完善、表達(dá)溝通設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造結(jié)果的舉足輕重的重大作用，因此我們選擇了這門課程作為成果的切入點(diǎn)，并以江蘇大學(xué)卓越計(jì)劃教改項(xiàng)目為背景。

改革后的工程圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容由“制圖的基本知識(shí)與基本規(guī)定”、“投影原理與畫法幾何基礎(chǔ)”、“工程制圖基礎(chǔ)”、“機(jī)械圖樣的繪制與解讀”、“計(jì)算機(jī)繪圖”5大模塊組成。教學(xué)環(huán)節(jié)由課堂教學(xué)-零件測繪-計(jì)算機(jī)繪圖-課程設(shè)計(jì)4個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)。

基于“整體思維”的教學(xué)模式整體回路如下文圖1所示。

①化整體為個(gè)體階段——以一個(gè)具體的工程對(duì)象為例，該對(duì)象是本課程結(jié)束后進(jìn)行的工程圖學(xué)課程設(shè)計(jì)的對(duì)象——減速器。減速器是工程上一個(gè)最常用最典型的實(shí)例。圍繞該對(duì)象，簡介工程產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)、表達(dá)、制造的全過程，以及由上而下層層引入機(jī)器、機(jī)構(gòu)、部件、零件及其相互關(guān)系等機(jī)械產(chǎn)品的工程概念，再以組成該工程對(duì)象（即裝配體）的零件為例，從典型零件的分類及零件的結(jié)構(gòu)分析引出組合體（零件的主體部分）的概念，從而進(jìn)入工程制圖、投影原理與畫法幾何基礎(chǔ)模塊；在此過程中，以體-面-線-點(diǎn)為路線，以計(jì)算機(jī)三維建模思路為引導(dǎo)，輔以手工及計(jì)算機(jī)二/三維建模、手工模型小制作、模型測繪、設(shè)計(jì)小專題等“親驗(yàn)式”實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而自上而下地完成了化整體為個(gè)體知識(shí)點(diǎn)的過程。

②由底層知識(shí)點(diǎn)回歸提升。在回歸之初，仍以減速器作為“機(jī)械圖樣的繪制與解讀”模塊的整體引入，布置學(xué)生利用假期，將其中某一指定的典型零件的零件圖簡化為僅有主體結(jié)構(gòu)的組合體，并著手進(jìn)行三維建模，從而使學(xué)生即復(fù)習(xí)了學(xué)過的知識(shí)，又能有目的的對(duì)將要學(xué)習(xí)的部分（零件的局部功能和工藝結(jié)構(gòu)）進(jìn)行自主預(yù)習(xí)。在這一階段，縱向以課程設(shè)計(jì)的工程對(duì)象為主線，橫向引入10個(gè)零件圖與裝配圖的專題研讀項(xiàng)目，并將零件測繪、計(jì)算機(jī)建模與輔助繪制、閱讀零裝圖、金工實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)融入學(xué)習(xí)階段。到了課程設(shè)計(jì)階段，也就到了整個(gè)課程內(nèi)容的回歸點(diǎn)。在這一環(huán)節(jié)中，組成團(tuán)隊(duì)分工合作，針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象，在零件與裝配體三維建模、零裝圖的尺規(guī)及計(jì)算機(jī)測繪、設(shè)計(jì)說明書的撰寫與PPT答辯演講等方面，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了全方位的檢驗(yàn)測評(píng)。工程意識(shí)、工程能力訓(xùn)練不再是孤立的詞匯，也為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

4.教學(xué)模式取得的成果

本文的研究可以追溯到2002年，作為學(xué)校的16門重點(diǎn)課程之一，圍繞國家教育部提出的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的大課題，開展了關(guān)于大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)教育訓(xùn)練體系的研究與實(shí)踐，找到了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的切入點(diǎn)——圖學(xué)思維。

創(chuàng)新思維的培養(yǎng)與訓(xùn)練最終要有配套的教學(xué)模式。約從2006年左右開始，也就是在圖學(xué)思維教學(xué)訓(xùn)練體系研究與實(shí)踐的后期，我們同時(shí)進(jìn)入了創(chuàng)新教學(xué)模式的研究階段。根據(jù)學(xué)校的工科特色，緊扣“大學(xué)生工程基礎(chǔ)教育”的主題，以工程師工程意識(shí)、工程能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以工程圖學(xué)這門工程基礎(chǔ)教育的首門課程為案例，研究創(chuàng)新了基于“整體思維”的、用于工程基礎(chǔ)教育的教學(xué)模式。又于2010年開始，以江蘇大學(xué)關(guān)于國家教育部卓越工程師培養(yǎng)試點(diǎn)班為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過3個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐，印證了這個(gè)教學(xué)模式的必要性、可行性和有效性。

5.本文教學(xué)模式的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）結(jié)合工科特色，緊扣大學(xué)生工程意識(shí)、工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，新創(chuàng)了適用于基礎(chǔ)工程教育的基于“整體思維”的并行復(fù)式教學(xué)模式，以從整體到個(gè)體、再從個(gè)體進(jìn)行回歸提升的循環(huán)模式，將教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)有機(jī)地融為一體。

（2）將成果應(yīng)用于工程圖學(xué)課程教學(xué)模式。提升了工程圖學(xué)課程設(shè)計(jì)的最終要求，針對(duì)工程對(duì)象，在零件與裝配體三維建模、零裝圖的尺規(guī)及計(jì)算機(jī)測繪、設(shè)計(jì)說明書的撰寫與PPT答辯演講、團(tuán)隊(duì)分工合作等方面，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了全方位能力訓(xùn)練與測評(píng)。

6.應(yīng)用情況探討

本教學(xué)模式于2009年開始在機(jī)械模具班試點(diǎn)，2010年推廣應(yīng)用于首屆卓越班（機(jī)械、車輛、流體機(jī)械共三個(gè)大班）的工程圖學(xué)課程教學(xué)及課程設(shè)計(jì)，至今已應(yīng)用3輪教學(xué)實(shí)踐。以下兩方面對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查與分析：

（1）工程圖學(xué)及后續(xù)機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)考核情況

①09、10、11級(jí)模具班的上述三門課程考核合格率分別為95%～97%，與機(jī)械大類同年級(jí)同科類考核結(jié)果相比，是成績突出的；

②首屆10級(jí)卓越班的工程圖學(xué)課程考試采用單獨(dú)出卷，與普通班統(tǒng)考試卷相比，知識(shí)面廣、增加了思考與結(jié)構(gòu)改進(jìn)題，考核合格率為和97.6%；之后為了有所比較，11級(jí)卓越班與普通班統(tǒng)一試卷考核，卓越班的合格率為100%；兩屆卓越班機(jī)械原理及設(shè)計(jì)的考核，合格率均也都達(dá)到了100%。

（2）各種大學(xué)生科研與創(chuàng)新活動(dòng)

2011年1月，08、09級(jí)學(xué)生在“德西杯”第一屆江蘇省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽獲得一等獎(jiǎng)2個(gè)，二等獎(jiǎng)2個(gè)， 三等獎(jiǎng)1個(gè)，每組3名學(xué)生，其中模具專業(yè)2位學(xué)生。2011年6月在第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽獲得一等獎(jiǎng)1個(gè)，其中就有09級(jí)模具專業(yè)3位學(xué)生；第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽江蘇大學(xué)選拔賽共有21人參加，有15人（卓越班10人）被選出參加2013年3月江蘇省第二屆大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽。

在165項(xiàng)江蘇大學(xué)第11批有本科生、碩士生和博士生參加的科研立項(xiàng)資助項(xiàng)目中，模具09、10級(jí)有14人，卓越10級(jí)有7人獲得資助；在80項(xiàng)推薦獲批為省級(jí)立項(xiàng)項(xiàng)目中，模具09、10級(jí)有4人，機(jī)械卓越10級(jí)有3人。這個(gè)比例還是相當(dāng)高的。

另外，僅對(duì)機(jī)械工程學(xué)院的調(diào)查顯示，在獲第五屆先進(jìn)制造技術(shù)比賽二等獎(jiǎng)、無碳清潔小車（國家三等獎(jiǎng)）、“仙林科學(xué)城”挑戰(zhàn)杯第七屆江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)競賽銀獎(jiǎng)等各種獎(jiǎng)項(xiàng)中，卓越10級(jí)與模具09和10級(jí)的學(xué)生也占了很大比例。

在2012年4月在第五屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組（2012）競賽、第一屆江蘇大學(xué)慧魚機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽以及江蘇大學(xué)第六屆“星光杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等比賽中，卓越班學(xué)生都占有相當(dāng)高的比例。

以上分析結(jié)果，反映本教學(xué)模式實(shí)施后，學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握與后續(xù)課程的知識(shí)拓展，更反映了試點(diǎn)班學(xué)生與同類專業(yè)學(xué)生相比，在動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力及工程綜合能力方面的實(shí)力。

7.總結(jié)

我國高校的工程教育改革碩果累累，很大程度上推動(dòng)了我國高等教育與現(xiàn)代化接軌、與人才需求接軌的進(jìn)程。但總體上，我國基礎(chǔ)工程教育教改成果的貫徹效果仍不盡人意。改革者往往注重教學(xué)體系的改革，忽略了教學(xué)模式的更新域匹配。本文研究并實(shí)踐的教學(xué)模式變傳統(tǒng)的“個(gè)體思維”線性教學(xué)模式為“整體思維”復(fù)式教學(xué)模式。首先給學(xué)生一片“森林”，讓他們看見每門課程、每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的工程背景、學(xué)習(xí)目標(biāo)，變“被動(dòng)學(xué)習(xí)”為“主動(dòng)探索”，從而使我們培養(yǎng)的卓越人才積極參與工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)活動(dòng)中。通過10年來的實(shí)踐與探索，摸索出適合我國國情、符合國際教育教學(xué)潮流的卓越人才基礎(chǔ)工程教育復(fù)合教學(xué)模式，對(duì)我國基礎(chǔ)工程教育起引領(lǐng)和示范作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]“真刀真槍”培養(yǎng) 讓未來的工程師卓越起來[N].人民日報(bào)：2010年07月09日，1.

[2]王衛(wèi)東. “卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”中工程訓(xùn)練教學(xué)應(yīng)起的作用[EB/OL].233網(wǎng)校論文中心. 2011-09-02 11：26：00/2013-08-18.

[3]王浩程. 面向卓越工程師培養(yǎng) 構(gòu)建現(xiàn)代工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[J]. 中國大學(xué)教育，2011年，第6期.

[4]劉澤江. 淺談?wù)w思維方式對(duì)中國傳統(tǒng)文化的影響[EB/OL] .233網(wǎng)校論文中心，2010-11-17 14：21：00/2013-08-20.

[5]程婭靜. 傳統(tǒng)整體主義思維的哲學(xué)思考[J]. 軟件：教育現(xiàn)代化（電子版），2012年，第8期.

作者簡介：

黃娟，女，1977年生，江蘇海門人，講師，碩士，主要研究圖形教育。