基于工程教育認證的高等農(nóng)林院校“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)改革探究

王猛猛 李 寧 馮 敏 黃 晨 張建忠

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

“機械基礎(chǔ)實驗”是高等院校機械類專業(yè)重要的基礎(chǔ)實踐課程，涉及“材料力學(xué)”“工程圖學(xué)”“公差測量與互換性技術(shù)”“材料成型與熱處理”“機械原理”“機械設(shè)計”等課程的相關(guān)知識的應(yīng)用，具有較強的工程實踐性。該課程由驗證性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗等構(gòu)成，對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)拓展、獨立思考分析問題的能力以及創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)具有重要作用。隨著工程教育認證工作的不斷推進，新工科建設(shè)風(fēng)起云涌，工程技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列革命性突破，新一代工業(yè)革命呼之欲出，在這樣的背景下，對學(xué)生創(chuàng)新思維能力的要求前所未有[1]。

以北京林業(yè)大學(xué)“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)為例，筆者分析、總結(jié)了教學(xué)過程中存在的問題，圍繞以學(xué)生為中心的教學(xué)理念對實驗教學(xué)內(nèi)容、模式等進行了一系列改革，以提升該實驗課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程實踐能力。

一、“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)存在的問題

實驗教學(xué)是鞏固和加深理論知識的有效途徑，是培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新意識的重要平臺。傳統(tǒng)的“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)存在的主要問題有：①各實驗項目之間內(nèi)容分散、系統(tǒng)性差，與理論知識之間銜接不好；②缺少經(jīng)典的教學(xué)案例，實驗教學(xué)對實際工程應(yīng)用拓展較少、針對性不夠；③實驗教學(xué)考核辦法單一，學(xué)生參與度不夠、動手實踐能力普遍偏弱；④課程思政建設(shè)力度不夠深入，教學(xué)的價值情感目標落實不到位。

二、基于工程教育認證的“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)改革

(一)建立分層次的模塊化實驗教學(xué)體系

自2007年以來，北京林業(yè)大學(xué)突破了實驗教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀念，獨立開設(shè)包括驗證性、綜合設(shè)計性、創(chuàng)新性3類實驗于一體的48學(xué)時“機械基礎(chǔ)實驗”課程。該課程根據(jù)機械類本科人才培養(yǎng)計劃，結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)理論課程的授課進度，分別在第三、四、五學(xué)期開設(shè)，重點培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)分析與應(yīng)用能力、機械綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新和團隊協(xié)作能力。同時，該課程強調(diào)學(xué)生動手操作的規(guī)范性、科學(xué)實驗的嚴謹性，注重培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、環(huán)保意識以及社會責(zé)任感。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)改進，逐漸形成了以綜合性實驗為主、向創(chuàng)新性實驗傾斜的“認知-驗證-綜合-創(chuàng)新”層層遞進的實驗教學(xué)體系，見圖1。

圖1 “機械基礎(chǔ)實驗”課程不同實驗類型的配比情況

近兩年來，為推進工程教育認證目標的實現(xiàn)，結(jié)合機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程的相關(guān)要求，“機械基礎(chǔ)實驗”課程組在豐富實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對實驗項目進行了精選，設(shè)置了更有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與思維的項目，并實行“基礎(chǔ)層-提高層-開放層”模塊化管理，以滿足不同層次學(xué)生的實驗需求[2]。比如：為達到全面培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)分析與應(yīng)用的能力，在保留經(jīng)典的拉壓彎扭力學(xué)性能測試實驗外，又設(shè)置了復(fù)合梁力學(xué)綜合實驗、彎扭組合主應(yīng)力分析實驗等；為提升學(xué)生的機械設(shè)計能力，除基礎(chǔ)層(必修)實驗機構(gòu)運動簡圖測繪、齒輪范成原理、齒輪參數(shù)測定、轉(zhuǎn)子動平衡等外，增設(shè)了提高層(必修)實驗機械傳動系統(tǒng)拼接、減速器拆裝、軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計等，以及開放層(選修)實驗機械結(jié)構(gòu)感知與仿真分析、機電產(chǎn)品模型設(shè)計與控制等。以工程教育認證為契機，將“機械基礎(chǔ)實驗”課程打造成全面提升學(xué)生力學(xué)分析與應(yīng)用能力、機械設(shè)計能力、機械制造工藝能力的實踐教學(xué)平臺，見圖2。

圖2 “機械基礎(chǔ)實驗”課程分層次的模塊化實驗教學(xué)體系

(二)采用突出學(xué)生主體性的問題導(dǎo)向式教學(xué)模式

工程教育認證工作強調(diào)以學(xué)生為中心，開展教學(xué)活動。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)采用“灌輸式”教學(xué)方法，即整個實驗由教師主導(dǎo)，從介紹實驗設(shè)備到講解實驗原理，從演示操作到規(guī)范學(xué)生，使得學(xué)生處于被動地位，看似學(xué)生順利完成了實驗教學(xué)任務(wù)，但實際上學(xué)生缺乏一個獨立思考的過程，沒有將實驗內(nèi)容與實際工程問題聯(lián)系起來，導(dǎo)致學(xué)生參與實驗的積極性不高，其動手能力、知識運用能力沒有得到有效的提高。

而以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式要求實驗教師對學(xué)生提出有效的工程問題，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識積極思考，鼓勵學(xué)生通過小組討論或自主學(xué)習(xí)的形式主動獲取解決問題的方法[3]。問題導(dǎo)向式教學(xué)不再依賴于實驗指導(dǎo)書，開創(chuàng)“教師搭臺，學(xué)生唱戲”的教學(xué)場景，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高了學(xué)生的獲得感，真正讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，具體做法如下。

首先，學(xué)生圍繞教師提出的問題開展討論，實驗教師在必要時給出有效評價，及時更正學(xué)生的認識偏差，并提出更加具體的問題，進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

其次，學(xué)生根據(jù)對實驗原理的理解和實驗?zāi)繕俗灾髟O(shè)計實驗步驟，并通過團隊協(xié)作完成實驗操作。同時，實驗教師要適時地給予指導(dǎo)，尤其是實驗設(shè)備的操作規(guī)范和安全注意事項都要重點提醒。

最后，學(xué)生通過采集、分析實驗數(shù)據(jù)或仿真結(jié)果，得出合理的實驗結(jié)論，并將實驗結(jié)論反饋至實驗前教師提出的工程問題上，以便學(xué)生用所掌握的知識解釋實際生產(chǎn)中的機械工程問題。同時，實驗教師可根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)，考慮是否對實驗結(jié)論做進一步拓展或提出更復(fù)雜的問題，做到“教學(xué)有法，教無定法”。

這里，尤其值得一提的是實驗教學(xué)中的問題設(shè)計。一方面，要求實驗教師要保證教學(xué)過程中提出面向工程實際的、具有引導(dǎo)意義的科學(xué)問題或?qū)嵗⒒趯嶒炚n程的內(nèi)容和特點來設(shè)計問題，問題不能太抽象，要便于學(xué)生由淺入深、舉一反三、擴展思路、循序漸進地自主探尋解決問題的方法和途徑。比如，在齒輪范成原理實驗中，要讓學(xué)生知道通過調(diào)整哪些參數(shù)來避免加工的齒輪不產(chǎn)生根切；在動平衡實驗中，要讓學(xué)生知道轉(zhuǎn)子為什么一定要靜平衡、實驗中轉(zhuǎn)子是怎樣實現(xiàn)靜平衡的；在軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗中，要讓學(xué)生知道對于重載荷、中轉(zhuǎn)速、發(fā)熱量大的蝸桿軸該如何設(shè)計，以便更好地調(diào)動學(xué)生的積極性，促進教學(xué)質(zhì)量的提升。另一方面，實驗教師的工程實踐經(jīng)歷是問題來源的關(guān)鍵。習(xí)總書記說“給學(xué)生一碗水，教師要有一潭水”。新形勢下，實驗教師要加強自身學(xué)習(xí)，提高理論水平和工程實踐經(jīng)驗[4]，并在實踐經(jīng)歷中搜集實際工程問題，作為指導(dǎo)學(xué)生的案例，使實驗教學(xué)更加生動。

北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院要求實驗教師每一聘期內(nèi)至少帶本科生生產(chǎn)實習(xí)一次，熟悉機械產(chǎn)品設(shè)計與機械制造加工工藝流程等；實驗教師需獨立或輔助指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、機械設(shè)計創(chuàng)新大賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽等各項實踐類學(xué)科競賽；實驗教師要參與各項科研項目，提高科研能力。

(三)完善以學(xué)生為中心的過程化考評機制

在“機械基礎(chǔ)實驗”課程整個教學(xué)過程中，實驗教師要注重教學(xué)細節(jié)，要讓學(xué)生養(yǎng)成一絲不茍、精益求精的態(tài)度，要摒棄單一的靠實驗報告評定成績的方式，注重過程考核，以便更加客觀、合理地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。

1.重視實驗過程

實驗教師在“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)過程中要制定細致的實驗技術(shù)標準，學(xué)生要嚴格遵守實驗技術(shù)操作標準，每位學(xué)生都要有完備的實驗記錄，以充分尊重學(xué)生在實驗過程中的付出、強調(diào)實驗過程的重要性。對于實驗過程考核，可以把實驗準備、實驗預(yù)習(xí)、實驗拓展等內(nèi)容納入進來，學(xué)生可提前登錄虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，在線進行虛擬實驗，以便對實驗設(shè)備、實驗流程進行了解；同時，學(xué)生也可借助實驗指導(dǎo)書對相應(yīng)的實驗?zāi)康摹嶒炘磉M行預(yù)習(xí)，通過梳理理論知識、搜集資料、自主學(xué)習(xí)等方式完成相應(yīng)的預(yù)習(xí)思考題，以便縮短實驗教師在實驗課上講解實驗步驟等的時間；對于建模、仿真等實驗過程，應(yīng)重點考察學(xué)生對所學(xué)軟件的應(yīng)用情況，為問題導(dǎo)入式教學(xué)創(chuàng)造有利條件。

2.多視角評判實驗結(jié)論

在傳統(tǒng)的實驗評價中，尤為注重實驗結(jié)果和實驗結(jié)論是否符合理論值或?qū)嶒災(zāi)繕耍褂行W(xué)生為了得到“理想曲線”而忽略了實驗誤差，甚至篡改實驗數(shù)據(jù)。因此，在“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)過程中，實驗教師要多視角評判實驗結(jié)論，不應(yīng)以完美的實驗預(yù)期作為評價標準，而應(yīng)積極引導(dǎo)、保護好學(xué)生的思維，甚至在一定層面上鼓勵學(xué)生實驗失敗，站在學(xué)生的角度，肯定學(xué)生的思路和實踐。同時，要指導(dǎo)學(xué)生分析失敗原因，激勵學(xué)生持續(xù)改進實驗方法，讓學(xué)生有收獲感、產(chǎn)生新的思維閃光點。

3.鼓勵實驗報告多樣化

不同的實驗類型對應(yīng)著不同的實驗報告，不給學(xué)生規(guī)定實驗報告的格式，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計撰寫實驗報告[5]。在“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)中，學(xué)生可根據(jù)實驗類型分別提交設(shè)計性實驗報告、綜合性實驗報告及獨立實驗報告等。這樣不僅避免了千篇一律，而且也杜絕了抄襲現(xiàn)象的發(fā)生，學(xué)生在實驗報告中可對實驗結(jié)論做最大可能的拓展和提升，以鍛煉其寫作能力和創(chuàng)新能力。另外，在實驗報告中設(shè)置開放性問題，可使學(xué)生在完成實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，提出改進的實驗方法，從更深更廣層面思考問題。

三、基于工程教育認證的“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)改革的效果

(一)教學(xué)模式獲得專家好評并得到了推廣

“教師搭臺，學(xué)生唱戲”的問題導(dǎo)向式教學(xué)模式以實際工程問題作為實驗導(dǎo)入，在教學(xué)過程中圍繞解決工程問題為目標，鍛煉了學(xué)生自主分析問題、團隊協(xié)作、溝通交流與表達等能力，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、參與性明顯提高。在近兩年來的青年教師教學(xué)基本功比賽中，“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)組成員采用該教學(xué)模式，深受專家評委的好評，獲得校級教學(xué)基本功比賽(實踐組)一等獎1項、二等獎1項；獲獎教師在多次教學(xué)經(jīng)驗交流會上進行推廣，得到了不同專業(yè)門類教師的一致認可。

(二)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力得到了全面提高

學(xué)生通過“機械基礎(chǔ)實驗”課程的學(xué)習(xí)，在夯實理論基礎(chǔ)的同時，提高了實驗技能和自主學(xué)習(xí)能力。比如，部分學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)虛擬仿真軟件對典型復(fù)雜機構(gòu)案例進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，利用虛擬樣機對機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，較好地熟悉了機械產(chǎn)品現(xiàn)代化技術(shù)開發(fā)流程。在2018年的機械設(shè)計創(chuàng)新大賽中，北京林業(yè)大學(xué)學(xué)生的參賽積極性明顯提高、設(shè)計能力顯著增強，獲獎15項，比2016年增加了114%。其中，全國一等獎1項、二等獎1項，北京市一等獎8項、二等獎4項、三等獎1項；在2017—2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項達100項，其中國家級立項21項、北京市級33項、校級46項。此外，還有不少學(xué)生參加到企業(yè)實踐工程項目的研發(fā)中，在實驗教師的指導(dǎo)下開展了設(shè)計研究工作，真正提升了學(xué)生解決工程問題的能力。

(三)形成了持續(xù)改進的教學(xué)思維

工程教育認證體系的核心理念是“持續(xù)改進”，在“機械基礎(chǔ)實驗”課程建設(shè)上，已經(jīng)初步形成以成果導(dǎo)向為牽引、以學(xué)生為主中心的教學(xué)思路。2019年“機械基礎(chǔ)實驗”課程教學(xué)組成員依托該課程在實驗教學(xué)模式探索、實驗室開放建設(shè)以及實驗課程建設(shè)等方面開展了3項教學(xué)研究項目，為優(yōu)化與完善本科人才培養(yǎng)體系發(fā)揮了積極作用。