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研究型大学机械类精品课程教学的六个基本要素
作者:   时间:2009-12-09   点击数:

研究型大学机械类精品课程教学的六个基本要素

清华大学精密仪器与机械学系 阎绍泽 申永胜

当今世界经济的迅猛发展,需要新一代高质量的创新型人才群体。我国高等教育已步入以提高质量为核心,加快从高等教育大国向高等教育强国迈进的重要阶段。研究型大学面临着全面提高教学质量的严峻挑战。提高课程教学质量,涉及课程内容的规划与整合、教学方法与手段、教学模式、实验平台、师资队伍等方面的建设与改革。但上述教学改革成果最终要落实到课程教学基本要素上来加以实施,因此,本文从分析课程教学基本要素出发,探讨提高教学质量的途径。

课程的教学质量取决于课程教学的六个基本要素:讲授、讨论、作业、实践、考核和教材。清华大学作为研究型大学,其机械类精品课程建设要服从于学校建设一流大学的总体目标。学校要求建设精品课必须转变教学理念,要将研究型教学理念贯彻始终。近年来,通过对国外著名大学机械类课程教学的深入调研,并结合我校工程教育的实际情况,从规范课程教学基本要素入手,进行了一系列的教学改革,加强了课程教学和训练主要环节的建设,将研究型教学理念融入课程教学的基本要素中。

一、精品课教学六要素

1.课堂讲授采用启发式教学,引导学生积极思考,培养学生的创新意识

课堂教学是影响教学质量的关键,必须优化教学内容,改进教学方法,全面提高课堂教学质量。在课堂教学中,我们采用以教师为主导的启发式教学。课堂教学质量在很大程度上取决于教学设计的水平,根据课程教学要求,以及教学资源和科研学术积累情况,精选和组织教学内容,按照学生的认知规律,将讲授内容梳理成几个前后关联的教学模块,设定问题并确定分析问题的思路,选择问题引导、启迪思维的讲授方法。

在教学内容中,注意强化基础,拓宽知识,优化知识结构,处理好“少而精”与“广而新”的关系,注重及时将科学前沿和工程技术的最新发展引入教学,拓展学生的视野和增加学生的知识面。在课堂教学形式上,注意不拘一格,加强师生交流,启发式地“教”,重点讲思路、讲方法,引导学生通过探索进行学习,避免简单地“灌输型”传授知识,鼓励学生独立思考、大胆质疑,将传统的以教师为中心的课堂教学模式转变为以学生为主体的教学模式,活跃了课堂气氛,既调动了学生学习的积极性,又培养了学生的创新意识和终身学习的能力。

2.专题讨论,师生互动,培养学生的发散思维能力

专题讨论是让学生参与教学,教学相长,师生互动,通过专题研讨使学生主动建构和拓展知识,培养学生发散思维能力。针对课程中的难点和重点问题,我们设置了6学时的小班专题讨论课,讨论5类议题,涉及运动链成为机构的条件、急回特性、连杆机构和凸轮机构的设计方法、组合机构设计、混合轮系传动比计算、机构方案设计等知识点,分别通过对一组题目解法的讨论,达到上述教学目标。设置的讨论题目多为无标准答案的题目,教师提前将讨论题目上网,让学生自由组合分组准备。在讨论课上,各组选派代表上台主讲,由教师和其他同学问辩,最后由教师进行总结与点评。在这种环境下,学生们各抒己见,创造力和智慧相互激励。学生的作用是双重的,既学习新知识,又传授新知识,每位学生都有对讨论课做贡献的责任,增加了与教师深入讨论的机会。小班专题讨论课不仅是大班课堂教学的必要补充,更是实现师生之间交流的手段与过程,是强化教学效果、发展学生个性的一个重要教学环节。

3.精选习题巩固基础知识,撰写课外论文延拓知识空间,培养分析与解决问题的能力

作业练习是培养学生运用所学知识分析和解决问题能力的教学基本要素。教师根据主要知识点精选习题,通过作业练习,使学生理解和巩固所学的知识。习题分为2类,一类是引导学生复习基本概念、基本理论的习题;另一类是培养学生综合分析与设计的习题。例如,利用计算机对书本包装机执行机构运动学分析。从作业中能够反映学生对知识点的掌握程度,教师可以发现典型差错并及时纠正学生解题中的错误。

设置了科技综述小论文撰写环节,拓展知识空间。教师布置与课程相关的小论文题目,如机械工程发展史、机器人发展史、航天器发展史、汽车发展史、微型机械研究进展等供学生选择,学生通过查阅文献和资料,撰写3 000~5 000字的科技小论文。教学实践表明,这一课外作业锻炼了学生科研总结能力和科技论文表达能力,也激发了学生学习机械原理的兴趣。

4.设置多层次实践环节,提供拔尖人才发展的空间,培养动手实践和创新设计的能力

实践教学包括认识实践、基本型实验和研究型实验、Project训练综合训练和课外科技活动。前两种实验属于认识型、验证性实验,旨在通过实验使学生掌握实验的基本技能,验证所学的理论,加深对所学知识的理解;后三种属于研究型、创新型实践,引导学生在动手实践中自学新知识,进行创新性研究训练。

以2008年秋季学期机械原理教学为例,设置了3个必修实验:典型机构的运动与应用实例展示、典型机械系统的机构简图测绘和渐开线齿轮的加工原理实验研究。典型机构的运动与应用实例展示属于认识实践,通过对机械原理模型、创新设计实例模型的参观学习,以及对典型机械系统拆装,培养学生对机器和机构及其工作原理的感性认识,激发学生的学习兴趣,培养学生的形象思维能力。

典型机械系统的机构简图测绘属于基本型实验,通过对油泵、冲床、插齿机、牛头刨床、包装机等典型机械产品的运动简图绘制,使学生学会运用构件及其运动副联结常用符号和机械中常用机构的简图符号,正确绘制机构运动简图,并掌握机构自由度的计算方法以及运动链成为机构的条件。

渐开线齿轮的加工原理实验研究属于研究型实验。我们精选了齿轮机构一章中渐开线齿廓的根切及其变位修正、渐开线变位齿轮、渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动等3个知识模块不是在课堂上讲授,而是让学生在实验研究中掌握。学生通过自学和查阅有关文献,自行设计实验方案和搭接实验装置进行实验,观察实验现象,发现问题并分析产生问题的原因,提出相应对策,最后撰写研究报告和答辩。除了上述必修实验外,还设置了多项供学生选修的设计型与研究型实验,如机构搭接与性能测试系列实验、含弹性构件的机构动力学性能测试实验。

利用教学示范中心以及科研实验室提供的条件,设置了Project训练,以培养学生自主获取知识、创新设计和综合设计能力。参加这种训练的同学可以申请免试。另外,我们将机械设计大奖赛、“挑战杯”科技作品大奖赛、大学生研究训练(SRT)项目等课外科技实践活动作为培养学生创新意识和创新能力的辅助训练平台,组织学生参加并给予指导。这些课外项目为学生提供更多的、适合自身特点的挑战和培养机会,很好地调动了学生课程学习钻研的主动性和积极性,为更灵活地因材施教提供了舞台。

5.改革考核方式,引导学生改进学习方法,利于拔尖人才脱颖而出

考核方式作为教学效果评价的重要手段,对学生学习和教师教学具有重要的导向作用。为了抑制平时放松、考试临时突击的现象,我们加大了对学生学习过程的监控和考核,平时成绩占40%,由平时作业、专题讨论课、基本实验和综合训练等成绩构成。期末考试成绩占60%,考试题目多为设计型题目,无标准答案、一题多解,强调工程背景,重点考察学生综合运用知识解决实际问题和创新思维的能力。

为了利于拔尖人才的培养,还开辟了免试通道。申请免试的学生除要取得平时成绩外,还要完成4组Project项目,这些训练项目的设置主要考察学生的四种能力:形象思维能力,即对实际机械中的机构或构思的方案能正确地用运动简图的形式表达;运用计算机对复杂机构进行分析的能力;发散思维和创新能力,即根据功能要求构思多种方案,进行方案评价选优并完成整体方案设计;团队协作和实践动手能力,即将自己的设计方案变成实物或模型,验证设计方案的合理性并做改进设计。只要完成了这些题目且成绩合格就不必参加限时的期末考试,有创见者可得优秀。

6 .建设高水平的立体化教材和教学资源,为启迪思维、培养自主学习能力和因材施教提供保障

教材是知识的载体,高质量的教学需要有高质量的教材和教学资源支撑。根据本学科最新进展及多年的教学实践,我们对机械原理课程体系和内容进行了重大改革,舍弃了传统的以机构分析为主线的内容体系,建立了“以设计为主线,分析为设计服务,立足点是机械系统方案创新设计”的新体系。根据这一新体系,对教学内容进行了结构性调整、重组和更新。重组后的教学内容由 “机构的运动设计”、“机械的动力设计”和“机械系统方案设计”三部分组成,课程内容更新幅度达1/3以上,既对课程的基础内容进行了重组和扩展,又适当引入了机械原理的前沿内容和工程技术的最新发展,从而使课程内容跟上了科技发展的步伐,具有时代气息。如在“机械系统的方案设计”一篇中,介绍了方案设计的过程、设计思想、设计理论和创新设计方法,突出了功能原理设计、运动规律设计、机构型式设计、系统协调设计和方案评价与决策等内容。教学内容上的这些更新,有利于培养学生的综合设计能力和创新设计能力。

将改革成果落实到教材建设上,出版和开发了一系列高水平的教材和教学资源。在全国率先进行机械原理立体化教材研究与建设,编写出版了6种机械原理课程教材。主持研制的“机械原理网络课程”被教育部评为全国首批优秀网络课程,并由高等教育出版社出版发行;建立了“清华大学机械原理课程网站”,所有教学资料均已上网。这些教材和教学资源,注重激发学生的学习兴趣,启迪思维,培养自主学习能力和因材施教。例如,在《机械原理教程》每章后增加了“文献阅读指南”,不仅为学生指明深入学习的参考书,还介绍了在这一章所涉及的领域里的研究热点,并推荐深入研究该领域的参考文献。这一做法属国内首创,适应培养高素质创新型人才的要求,得到师生的高度评价。

二、实施效果

通过多年来对机械原理课程教学基本要素的建设,提高了教学质量,取得了显著的实施效果。

1.提高了教师的教学水平

机械原理课程的主讲教师在清华大学进行的历次教学质量评估和学生评教中均取得了优异的成绩。学校教学督导组专家在听取了两位青年教师的讲课后给予高度的评价,“讲授印象深刻,优点突出,这几位老师先后获得各项教学奖励是当之无愧的。”2004年教育部国家工科教学基地验收专家组,在基地验收期间随机选听了该课程部分教师的课堂教学,给出了“课堂教学效果优秀”的评价,这样的评价在全国同类基地验收结论中尚不多见。

2.提高了教学效率和教学效果

通过对机械原理课程教学的基本要素的研究与建设,协调了教学要素之间的关系,节约了部分知识模块的课内学时,拓展了学生的视野,培养了自主获取知识的能力,提升了学生创新思维和创新设计的能力,也为拔尖人才的脱颖而出创造了条件。

在学校组织的学生评教中,学生对机械原理课程教学给予了高度的评价,“教学课件内容丰富、生动,让我们学起来有兴趣,效率也高”。“在课堂上设置了许多问题,启发我们思考,做到深入浅出,符合我们的认识规律,易于理解与掌握”, “印象最深的是讨论课,通过对一些题目的讨论,锻炼了我们的表达能力,深入理解了课程的内容。再一个是齿轮加工研究型实验,自己设计实验过程,安装实验装置,比较难,但却很有趣,学了很多知识,有利于启发和加深我们对所学内容的理解,培养了我们分析和解决实际工程问题的能力”。“通过做免试题目,提高了我运用计算机分析、设计和表达机械设计问题的能力,以及实践动手等能力。我觉得这门课程各环节设置比较好,收获很多”。

3.取得一批教学成果

先后取得了一批重要的教学改革、教学研究成果,并获得多项国家级奖励。机械原理课程被评为国家精品课程,课程负责人获首届国家级教学名师奖;“机械设计系列课程体系改革与实践”和“机械原理立体化教材”分别获国家级教学成果二等奖;《机械原理教程》及其配套辅导书与习题获全国普通高等学校优秀教材一等奖,机械设计与制造基础系列课程教学团队获国家级教学团队。

三、结束语

提高课程教学质量,是精品课程建设中的首要任务。研究型大学精品课程建设为教学基本要素赋予了更丰富的内涵,经过多年来对国家级精品课程“机械原理”的改革与实践,我们体会到:教学模式和教学方法的改革与创新、实验与实践训练的建设,以及现代教育技术在教学中的运用,最终要落实到课程教学的六个基本要素中。因此,提高精品课程的教学质量,建设课程教学基本要素是关键。面对国内外经济与政治的发展需要,我国研究型大学必须转变传统的教学理念,规范课程教学基本要素,贯彻研究型教学理念,建设具有研究型大学特色的精品课程基本要素,为切实提高课程教学质量奠定基石。