張莉彥 張有忱 伍先安 雷 文 汪曉男

北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100029

20世紀(jì)60年代美國(guó)哈佛大學(xué)的心理學(xué)教授、世界著名教育學(xué)家布魯納完善了“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)(discovery learning)”的教育理論?！鞍l(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”是指通過(guò)激發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)生作為主體運(yùn)用直覺(jué)思維和豐富的想象，獲取大量的知識(shí)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展成了今天的研究性教學(xué)(research learning)，研究性教學(xué)就是指在教學(xué)過(guò)程中，設(shè)計(jì)一種類似科學(xué)研究的氛圍和途徑，例如：項(xiàng)目研究、問(wèn)題討論、案例分析等，讓學(xué)生主動(dòng)地進(jìn)行探索、體驗(yàn)、研究、發(fā)現(xiàn)，然后對(duì)信息進(jìn)行收集、對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析和判斷。通過(guò)研究應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題，從而達(dá)到開闊思路、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力的目的[1]。

1 已有基礎(chǔ)及存在問(wèn)題

1.1 已有基礎(chǔ)

創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家前進(jìn)的動(dòng)力，只有創(chuàng)新，才有發(fā)展。創(chuàng)新能力、創(chuàng)新人才的重要性已得到充分認(rèn)識(shí)。蘇聯(lián)著名創(chuàng)新理論的奠基人阿奇舒勒說(shuō)過(guò)：“既然人們能被培養(yǎng)成為醫(yī)生或音樂(lè)家，那么也能被訓(xùn)練得具有創(chuàng)新性；一定存在常用的基本工具和原理，每個(gè)人都能學(xué)習(xí)它們，以提高自身的創(chuàng)造力和創(chuàng)新性?！盵2]這正是我們開設(shè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的目的。

我校自1998年開設(shè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，內(nèi)容主要分為兩大部分，先通過(guò)生動(dòng)的實(shí)例講述各種創(chuàng)新思維及創(chuàng)新技法；然后針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的不同階段，研究不同的創(chuàng)新方法的實(shí)施與應(yīng)用，包括：方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新等。本課程的教學(xué)目標(biāo)不僅是傳授知識(shí)與技能，更主要是在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題中，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、拓寬思路，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力的目的?？梢钥闯鲞@門課程實(shí)踐性很強(qiáng)，如果只是通過(guò)傳統(tǒng)的課堂講授的方式，很難取得很好的效果。本課程的建設(shè)始終都是按照研究性教學(xué)的思路在進(jìn)行，在課堂教學(xué)中采用了案例教學(xué)等方法，結(jié)合專業(yè)及科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，學(xué)生通過(guò)查閱資料，小組分析討論，寫出報(bào)告。另外結(jié)合實(shí)驗(yàn)及課外科技活動(dòng)建立了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了一些在創(chuàng)新實(shí)踐中所需要的小型設(shè)備、工具及常用的零部件，如連桿、齒輪、凸輪、軸等。在此學(xué)生展開了豐富的想象力、創(chuàng)造力，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)又一個(gè)的創(chuàng)新作品，也在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯等賽事中取得了很好的成績(jī)。本課程也在2007年獲得了北京市精品課程。

1.2 存在問(wèn)題

本課程是面向機(jī)電學(xué)院開設(shè)，人數(shù)很多，受各種條件限制，只能采用大班課程，因此課堂討論、案例教學(xué)等效果都很受影響，另外所選案例大部分為經(jīng)典案例，重復(fù)性較高，學(xué)生參與感與積極性降低。

課程與課外科技活動(dòng)及各種創(chuàng)新競(jìng)賽沒(méi)能很好結(jié)合，沒(méi)有起到很好的相互促進(jìn)作用。面對(duì)各種科技創(chuàng)新競(jìng)賽，基本是學(xué)生憑熱情參加，教師靠義務(wù)指導(dǎo)，經(jīng)常是報(bào)名很踴躍，遇到困難無(wú)從下手，最后不了了之。

為此我們提出了將機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)與相關(guān)的科技競(jìng)賽緊密結(jié)合，增加小班討論課，以競(jìng)賽題目作為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，有興趣、想投入的學(xué)生自愿報(bào)名，組隊(duì)參加項(xiàng)目研究。這樣可以做到提高學(xué)生的參與積極性，為不同層次的學(xué)生提供多樣的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，最大限度地挖掘?qū)W生自身的能動(dòng)性，培養(yǎng)其分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及發(fā)明創(chuàng)造能力。

2 研究性教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

科技競(jìng)賽是吸引學(xué)生投身于創(chuàng)新研究，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)新能力人才的有效載體[3]?！叭珖?guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”是教育部主持的重要賽事之一，每?jī)赡暌粚?，舉辦的目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)、綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神?！叭珖?guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”也是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)。這些活動(dòng)已經(jīng)連續(xù)舉辦了多屆，得到學(xué)校、學(xué)院的大力支持，希望學(xué)生能夠積極參與，因此我們就以這兩個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目作為研究項(xiàng)目，展開研究性教學(xué)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程總學(xué)時(shí)32，受限于教師資源等問(wèn)題，主要采用大班課堂教學(xué)形式30學(xué)時(shí)，2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)。此次教改增加小班研討課4次，每次4學(xué)時(shí)左右，以組為單位自由報(bào)名，具體安排如表1所示。

表1 研討課安排

研討課由多名專長(zhǎng)不同的教師共同參與指導(dǎo)，這樣能夠發(fā)揮每個(gè)教師的優(yōu)勢(shì)，另外大大提高了指導(dǎo)效率。實(shí)際上每組學(xué)生遇到的問(wèn)題經(jīng)常是相似的，在解決問(wèn)題的過(guò)程中能夠相互啟發(fā)，同時(shí)受益。研討課的形式可以多種多樣，可以在教室按組討論，在小黑板上以簡(jiǎn)單圖表展示；也可以在實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)樣機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)分析。

2.2 科學(xué)指導(dǎo)

第七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽(2016年)的主題為“服務(wù)社會(huì)—高效、便利、個(gè)性化”；內(nèi)容為“錢幣的分類、清點(diǎn)、整理機(jī)械裝置；不同材質(zhì)、形狀和尺寸商品的包裝機(jī)械裝置；商品載運(yùn)及助力機(jī)械裝置”。參賽學(xué)生需根據(jù)主題內(nèi)容自選題目，題目的創(chuàng)新性十分重要。首先將大賽主題通報(bào)學(xué)生，組織動(dòng)員學(xué)生查閱資料、市場(chǎng)調(diào)查、深入研究，然后在第一次討論課上，各組學(xué)生以各種創(chuàng)新技法，尋找創(chuàng)新點(diǎn)，確定參賽題目。其中一組學(xué)生，以載運(yùn)助力機(jī)械為主題，應(yīng)用卡片式集智法確定參賽題目[4]。小組5名學(xué)生在自己的卡片上寫出3個(gè)創(chuàng)意，然后傳閱，每人看到他人的創(chuàng)意后，完善或提出新的創(chuàng)意，經(jīng)過(guò)4次傳閱后，每個(gè)學(xué)生都與在另外4個(gè)學(xué)生的創(chuàng)意相互激勵(lì)，得到了30幾個(gè)創(chuàng)意，最后經(jīng)過(guò)篩選確定為“自裝卸快遞兩輪手推車”，該題目的創(chuàng)新點(diǎn)是：自動(dòng)夾持搬上搬下貨物，省時(shí)省力；可根據(jù)貨物大小改變夾持范圍。

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的題目為“無(wú)碳小車”，學(xué)生仔細(xì)查閱資料，分析之前作品的優(yōu)缺點(diǎn)，建立了無(wú)碳小車的形態(tài)矩陣(見(jiàn)表2)，通過(guò)對(duì)所得方案進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)方案。

表2 無(wú)碳小車的形態(tài)矩陣

2.3 考核與評(píng)價(jià)

參加項(xiàng)目研究討論課的學(xué)生，可以申請(qǐng)免期末考試，實(shí)行面向過(guò)程的考核與評(píng)價(jià)。面向過(guò)程的評(píng)價(jià)不只是對(duì)已成事實(shí)的檢驗(yàn)，而且是變成促進(jìn)學(xué)習(xí)的工具，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。評(píng)價(jià)體系起著重要的導(dǎo)向作用，本評(píng)價(jià)體系有3個(gè)特點(diǎn)：(1)為了鼓勵(lì)學(xué)生的積極參與和質(zhì)疑精神，在評(píng)價(jià)指標(biāo)中增加了質(zhì)疑提問(wèn)的項(xiàng)目；(2)為了提高學(xué)生的參與積極性，評(píng)價(jià)由教師和學(xué)生共同完成，教師占70%，學(xué)生互評(píng)占30%；(3)為了避免組內(nèi)平均主義，按照貢獻(xiàn)大小每個(gè)學(xué)生可以有不同的權(quán)重系數(shù)，這由同組學(xué)生討論決定。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 收獲與總結(jié)

此次研究性教學(xué)試點(diǎn)已完成了三屆，每屆參加人數(shù)30人左右，學(xué)生普遍反映良好，雖然花費(fèi)了更多的時(shí)間，但是收獲很大。

首先，學(xué)生學(xué)會(huì)了完成一個(gè)項(xiàng)目的方法，從文獻(xiàn)查閱、市場(chǎng)調(diào)研到方案設(shè)計(jì)、創(chuàng)新，再到仿真模擬、詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，最后加工制作、裝配調(diào)試。其次，學(xué)生有意識(shí)地在各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用創(chuàng)新技法，培養(yǎng)了其創(chuàng)新能力，將學(xué)過(guò)的知識(shí)融會(huì)貫通，用來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題，在實(shí)踐中得以應(yīng)用、總結(jié)、提升；再次，學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作、與人溝通、資料準(zhǔn)備及成果展示等多方面都得到了很大的鍛煉。最后，學(xué)生在各種學(xué)科競(jìng)賽中取得了很好的成績(jī)。自2014年以來(lái)，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽共獲得國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，北京市二等獎(jiǎng)7項(xiàng)，北京市三等獎(jiǎng)3項(xiàng)；大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽共獲國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市二等獎(jiǎng)8項(xiàng)，北京市三等獎(jiǎng)6項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)

[1]張莉彥,張有忱.以學(xué)生為主體的研究性教學(xué)的探索與實(shí)施[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,6(33):205-207.

[2]根里奇?阿奇舒勒.創(chuàng)新算法[M].譚培波,茹海燕,譯.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2008.

[3]李寧.科技競(jìng)賽培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力研究[D].湘潭:湖南科技大學(xué),2013.

[4]張有忱,張莉彥.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.