劉溪涓 張雪萍

摘? ? 要：文章提出在工程實踐教學(xué)中，以學(xué)生為主體參與解決問題全流程。引導(dǎo)學(xué)生直接面對實際工程問題“原貌”，觀察未經(jīng)簡化、抽象的真實工程問題，發(fā)現(xiàn)和揭示問題中的技術(shù)矛盾，進而探索解決問題的方法。通過對工程實踐問題的還原、分析和解決，學(xué)生的知識積累將與工程問題及個人思維體驗過程發(fā)生真實鏈接。學(xué)生工程思維能力通過全流程訓(xùn)練得到培養(yǎng)和提升。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué);問題求解;全流程;思維能力;創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）01-0055-03

一、引言

從教師主導(dǎo)來說，實踐教學(xué)是一場教師有意識的灌輸，引導(dǎo)學(xué)生模仿的過程;從學(xué)生主體來說，實踐教學(xué)是其主動思考與實踐的過程?，F(xiàn)有工程實踐教學(xué)中的常見情形是：教師提前將實際工程問題通過簡化、抽象甚至修飾后，按照符合授課內(nèi)容預(yù)設(shè)的“理想模樣”呈現(xiàn)給學(xué)生。這樣做的“好處”是問題形貌與書本典型問題接近、教學(xué)內(nèi)容整齊、知識范圍界限清晰、教學(xué)過程可控性強。學(xué)生面對經(jīng)過教師預(yù)處理過的問題，遵照實驗指導(dǎo)書，照貓畫虎地逐條完成操作任務(wù)。該過程帶來兩個弊端：一是學(xué)生沒有機會直接面對實際問題，無法參與實際工程問題的辨別、認識、簡化和建模過程;二是學(xué)生學(xué)到的新知識或技能在頭腦里與工程實際問題無關(guān)聯(lián)，只是和書中例題發(fā)生鏈接，即工程能力培養(yǎng)中的兩個重要環(huán)節(jié)——“問題觀察”和“經(jīng)驗綜合”被淡化了。學(xué)生解決實際問題的能力沒有得到完整的訓(xùn)練和構(gòu)建。

以數(shù)字化設(shè)計課程實踐操作來說，從學(xué)生參與程度的視角觀察可以分為三個層次。第一層：學(xué)生被動接受和模仿教師的建模步驟，記住題目相關(guān)命令、順序以及每一步的參數(shù)選取和輸入來完成建模任務(wù)，整個過程不問“為什么”。第二層：學(xué)生按照教師提供的零件模型尺寸來完成建模，所用建模方法、步驟和每一步驟的參數(shù)選取均由學(xué)生根據(jù)這個具體零件的形狀和尺寸來決定。第三層：學(xué)生研究待建零件的功能、裝配條件、工況環(huán)境等設(shè)計要求，在頭腦中構(gòu)思該零件的基本形狀，同時判斷哪些尺寸是主尺寸（自變量尺寸）、哪些尺寸是次尺寸（變量尺寸），據(jù)此來確定建模方法、步驟及每一步驟的參數(shù)選取。打個比方，這三個層次就像“畫貓”的三種不同情形：第一種情形是“記住教師的手勢畫圖（不一定知道是畫貓，畫完發(fā)現(xiàn)原來自己畫了個貓）”;第二種情形“對著照片中或房間里貓的形象畫貓”;第三種情形“根據(jù)關(guān)于貓的文字描寫或目擊者對貓的語言描述，先構(gòu)思出貓的形象，然后畫貓”。顯然，第三種場景里學(xué)生畫貓的本領(lǐng)最強，貓不在眼前而在心里，技術(shù)上的自由度最高。

二、實踐教學(xué)中的常見誤區(qū)和思考

實踐教學(xué)對于工程教育是十分必要且重要的。然而，在工程實踐教學(xué)中一直存在兩個誤區(qū)，第一，實踐教學(xué)常常僅被看作是一個“環(huán)節(jié)”，穿插在課堂教學(xué)之間。事實上，實踐教學(xué)不是一個環(huán)節(jié)，它應(yīng)該是一個目前沒有被完全開發(fā)利用好的極具價值的綜合性的教學(xué)方式。第二，題目過于“理想型”，實踐指導(dǎo)書內(nèi)容過于具體。上述問題給學(xué)生帶來如下困擾：學(xué)生接受到的實踐教學(xué)是以零散、碎片的“實踐環(huán)節(jié)”形式出現(xiàn)，無法參與實踐過程的完整流程。學(xué)生接觸不到待解決問題的原貌。

那么，如何能讓學(xué)生接受工程問題求解過程的完整訓(xùn)練？如何讓學(xué)生在實踐教學(xué)中認識問題原貌、發(fā)現(xiàn)問題、探究問題，然后去解決問題，構(gòu)建一套能夠盡可能多地激發(fā)其好奇心、創(chuàng)造力的訓(xùn)練流程呢？如何幫助學(xué)生完善其思維能力和習(xí)慣，將課堂主體地位還給學(xué)生？這是長期縈繞在工程實踐類課程指導(dǎo)教師腦海中的問題。本文針對上述問題，結(jié)合一線教學(xué)實踐中的探索和嘗試，提出“基于工程問題求解全流程”概念的思維能力訓(xùn)練和培養(yǎng)模式。

三、基于工程問題求解全流程的思維能力訓(xùn)練

（一）概念的提出

工程問題求解全流程是指在解決工程實際問題時，從認識工程問題原貌開始，歷經(jīng)對工程問題進行數(shù)學(xué)（物理）抽象和描述，到采用外部知識解決隱藏在工程問題背后的數(shù)學(xué)（物理）問題，并形成相關(guān)經(jīng)驗的整個過程。

（二）基于工程問題求解全流程的思維能力訓(xùn)練

基于工程問題求解全流程的思維能力訓(xùn)練（下文簡稱為“全流程訓(xùn)練”）是指學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，參與工程問題求解全部流程，從中得到思維能力訓(xùn)練和思維習(xí)慣構(gòu)建。具體包括：學(xué)生從親自“識別工程問題”開始，到抽象出工程問題的數(shù)學(xué)（物理）模型，然后采用特定“外部知識（包括他人知識、書本知識等）”解決該數(shù)學(xué)（物理）模型的指向問題，并將所解決問題中的“問題原貌”“數(shù)學(xué)模型”“外部知識”與“個體經(jīng)驗”之間建立關(guān)聯(lián)，最終形成個體領(lǐng)悟的完整思維訓(xùn)練過程（如圖1實線框中內(nèi)容所示）。作為對比，目前常見的習(xí)題實踐課訓(xùn)練內(nèi)容如圖1虛線框中所示，主要集中在“問題的數(shù)學(xué)（物理）描述”和“解決問題的答案（外部知識）”之間映射過程的學(xué)習(xí)（為區(qū)別并更加形象地闡明主、客體間的關(guān)系，本文均采用不同形狀）。

（三）全流程訓(xùn)練對工程類學(xué)生思維訓(xùn)練的積極意義

在一般工程實踐過程中，由于教學(xué)目標、授課條件、課程學(xué)時、教師對實踐課程的認識等諸多因素，學(xué)生僅被要求完成如圖1中虛線所示方框中限定的訓(xùn)練，建立從“問題的某種描述（即教師當時給出的描述）”和相應(yīng)“外部知識”之間的映射，即映射2。映射2所對應(yīng)的思維訓(xùn)練是目前常規(guī)實踐課程的主要訓(xùn)練內(nèi)容，即在課堂預(yù)先設(shè)定的典型問題和標準答案之間展開映射。需要說明的是，映射2仍是全流程訓(xùn)練的必要組成部分。但是，僅接受映射2訓(xùn)練的學(xué)生，考試能力也許很強，但解決實際問題時卻無所適從。因其所接受的訓(xùn)練中欠缺映射1和映射3這兩個解決實際問題的重要環(huán)節(jié)。這兩個環(huán)節(jié)是本文提出的全流程思維訓(xùn)練的關(guān)鍵和特色，對培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力具有積極意義，簡述如下。

映射1：學(xué)生直接面對問題原貌。學(xué)習(xí)者親自認識學(xué)習(xí)對象的本質(zhì)，而非來自第三方對問題的轉(zhuǎn)述和過濾，這將有益于最大程度地還原問題本身，避免信息流失，避免成見，有助于形成第一性認知，并促成學(xué)習(xí)者對新問題的個性化發(fā)現(xiàn)。類似地，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，其思考的起點——認識“問題對象”，使其有機會去直接面對工程實際問題，觀察、發(fā)現(xiàn)和提煉現(xiàn)象背后所隱藏工程問題。并且，通過合理運用簡化和近似手段，學(xué)會如何盡可能準確地、接近真實情況地模擬工程問題，建立其對應(yīng)的數(shù)學(xué)（物理）模型。而認識問題的過程，往往是潛在創(chuàng)新最密集出現(xiàn)的階段。學(xué)生發(fā)散的認知和不盡相同的描述也許會使教師的教學(xué)和輔導(dǎo)變得費時費力，但這種活躍的課堂是還原生活和聯(lián)系實踐的關(guān)鍵，是讓學(xué)生成為實踐學(xué)習(xí)主體的重要機會，也是教師現(xiàn)場指導(dǎo)的真正意義所在。

映射3： 形成個人領(lǐng)悟。這里指學(xué)習(xí)者經(jīng)過“反思”后形成個人know-what、know-why和know-how的關(guān)鍵階段。當我們所學(xué)到的知識是一些不完整的、非結(jié)構(gòu)化的“片段”和“碎片”時，這些知識作為教材中“典型、零散”問題的標準解答，和工程問題缺少關(guān)聯(lián)。我們很難利用它們?nèi)ソ鉀Q生活中的實際問題。究其原因，一方面，僅依靠我們頭腦里的“理想化的”“典型的”問題模型會導(dǎo)致我們在識別和判斷所面對問題本質(zhì)特征時出現(xiàn)困難，使我們處于思維和經(jīng)驗的真空地帶;另一方面，理想化的、典型問題模型中蘊含的知識是碎片化和孤立存在的，它們與學(xué)生個體的認知體驗之間缺乏鏈接和關(guān)聯(lián)，這將嚴重影響知識的有效檢索和復(fù)用。

綜上，對學(xué)生來說，其腦海里的知識片段和碎片可以正確解答試卷里的填空題、選擇題和計算題，卻在實際工程問題面前感到茫然和困惑。筆者認為原因包括以下三個方面：第一，不了解實際工程問題對象的原貌和特征;第二，不清楚實際工程問題場景和數(shù)學(xué)模型之間的近似情況和假設(shè)條件;第三，沒把握實際工程問題的具體分類。這三個情況發(fā)生一個都會讓人無所適從，即使手里拿著當初的教材和參考書。如果三種情況一起發(fā)生，更加讓人一籌莫展。因此，只有在相關(guān)知識和個體解決問題的完整經(jīng)驗之間建立實在的鏈接，包括映射1、映射2和映射3的全過程，才有助于形成屬于個人的能夠重用的真正知識和鏈接于其上的思維力，如圖2所示。建立實在鏈接的方式，即要參與到這些具體環(huán)節(jié)的實踐中去。

（四）通過全流程訓(xùn)練提升心智模式

知識的重要功能是其解決人們生產(chǎn)生活中的某種需要，但除此之外，在學(xué)習(xí)知識、探索知識的過程中一個人的心智模式得到提升，這是學(xué)生階段學(xué)習(xí)知識的一個重要目的。

從本質(zhì)上看，心智模式是人們在大腦中構(gòu)建起來的認知外部現(xiàn)實世界的“模型”，它會影響人們的觀察、思考以及行動。個體的學(xué)習(xí)過程可描述為“見—解—思—行”的循環(huán)（簡稱OADI循環(huán)）。在工程實踐中，學(xué)生通過自主發(fā)現(xiàn)知識（觀察、思考、歸納和實施），對應(yīng)“見—解—思—行”的循環(huán)，心智模式得到提高，思維能力得到訓(xùn)練（如圖2所示）。值得強調(diào)的是，在一個有教師指導(dǎo)的、有效收斂的實踐過程中，絕大多數(shù)積極的知識探索會有所收獲。假如教師能夠有效組織和引導(dǎo)這一過程，帶有明確求解目標的實踐課堂，其學(xué)習(xí)效率將高于無目的漫射型探索活動。全流程的思維訓(xùn)練有助于學(xué)生心智模式的提升，而最終知識的獲得又為這一訓(xùn)練體驗帶來了正反饋。

（五）將新知識技能融入到個人經(jīng)驗體系

在一個人某項能力的培養(yǎng)過程中，形成個體對知識發(fā)現(xiàn)過程的體驗是至關(guān)重要的。英國哲學(xué)家、教育學(xué)家懷特海認為，“學(xué)習(xí)別人轉(zhuǎn)述的二手知識并不會真正理解這些知識和原始觀察之間有著什么樣的聯(lián)系。而理解這種聯(lián)系才是對一個學(xué)生最重要的”。

懷特海還認為：“大學(xué)的功能在于使你能夠擺脫細節(jié)和保留原理?！辈⑦M一步解釋他所說的原理是指“那些真正沉浸到一個人骨子里的原理，甚至可以說是一種思維習(xí)慣”。可見，在大學(xué)里我們不應(yīng)過于糾纏知識的細節(jié)，雖然這些細節(jié)往往是試卷中頻繁考查的內(nèi)容。因為這些細節(jié)（公式、參數(shù)等）在一個學(xué)生畢業(yè)后從事實際工程設(shè)計時，可以方便地從參考書、互聯(lián)網(wǎng)上獲得。相反的，學(xué)生應(yīng)當將注意力集中在如何培養(yǎng)自己的思維上（或者稱作“思維力”“洞察力”），將注意力集中在通過觀察和思考問題對象，發(fā)現(xiàn)問題、探索解法的過程中，以及對自己思維方向的把控和強度大小的刻意訓(xùn)練和培養(yǎng)上。我們需要關(guān)注的不僅是知識本身，而是發(fā)現(xiàn)知識和運用知識的能力及其訓(xùn)練過程。

（六）實踐中孕育創(chuàng)新思維

實踐缺乏的直接后果是學(xué)生創(chuàng)新意識有待提高，獨立思考能力較弱，不能發(fā)現(xiàn)或提出問題。目前，常見的誤區(qū)是重創(chuàng)新輕實踐，重競賽輕創(chuàng)新，誤用“創(chuàng)新”來引領(lǐng)實踐，造成實踐與創(chuàng)新的關(guān)系本末倒置，形成新的教改誤區(qū)。甚至有觀點認為創(chuàng)新思想不是源于實踐和學(xué)生本身，而是源于教師，學(xué)生的自主創(chuàng)新訓(xùn)練不被重視，更談不上全流程訓(xùn)練。這是實踐與創(chuàng)新的關(guān)系中需要予以警惕的現(xiàn)象。

學(xué)生參與實踐，發(fā)現(xiàn)問題或提出問題，才會孕育出創(chuàng)新思維。有研究表明，被提出的問題通常比被發(fā)現(xiàn)的問題需要付出更短的準備時間和解決時間。而偉大的創(chuàng)新和成就往往更傾向于回答一個被自己發(fā)現(xiàn)的問題，而不是一個被他人提出的問題。啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生去自主地認識和發(fā)現(xiàn)問題，需要教師在教學(xué)中給予更多關(guān)注。全流程思維訓(xùn)練的目標之一就在于訓(xùn)練工程思維能力，啟發(fā)創(chuàng)新思維。

四、實例分析

在該案例中，由學(xué)生通過觀察自主發(fā)現(xiàn)建模問題背后的設(shè)計意圖，探索建模思路。

（一）問題場景

設(shè)計一根軸X，實現(xiàn)傳動連接，其兩端具有一組對稱的軸向定位功能;軸X將應(yīng)用于產(chǎn)品族變型設(shè)計。

（二）設(shè)計意圖

通過對問題場景的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)該問題至少包括以下設(shè)計意圖：（1）為了在軸X的兩端實現(xiàn)一組對稱的軸向定位功能，需要設(shè)計出一組對稱的臺階;（2）傳動連接功能可通過在其上開一個鍵槽來實現(xiàn);（3）為了適應(yīng)產(chǎn)品配置設(shè)計場景，需要將軸X設(shè)計成具有尺寸系列的參數(shù)化模型;進一步分析可知，軸X的直徑和長度是其主尺寸，將間接影響實現(xiàn)配合功能的軸上臺階的深度和寬度，以及鍵槽的尺寸;（4）尺寸驅(qū)動僅在一個尺寸范圍內(nèi)有效。

（三）解決途徑

（1）用體素特征Cylinder生成一個圓柱體，作為建模起點;（2）為了做出一組對稱的臺階，使用Extrude、Feature mirror和Datum plane命令;（3）為了實現(xiàn)變量尺寸驅(qū)動，需要使用Expression命令;（4）為了生成鍵槽，采用Pocket命令，其中需要重點考慮特征定位Positioning方法。

如此，通過一個具體建模問題，幾類重要的建模命令被有次序地應(yīng)用到了。在學(xué)生的個人經(jīng)驗中這幾個命令將會和這個建模問題鏈接在一起。當學(xué)生再遇到類似設(shè)計問題時，就會想到這個例子和相關(guān)建模技巧，并且聯(lián)想到相關(guān)命令的選擇依據(jù)。這樣的知識是活的，可復(fù)用的。作為實踐學(xué)習(xí)的進一步延伸，學(xué)生可以嘗試將本例中軸X的長度和直徑做一些變化，觀察其上鍵槽和臺階的相應(yīng)變化，從中體會用參數(shù)化建模手段實現(xiàn)設(shè)計意圖的有效性。另外，部分學(xué)生這時會初步試探主參數(shù)變化的邊界點（這一邊界的計算實際上是一個多目標優(yōu)化問題），從而引發(fā)新的思考和對后續(xù)課程的好奇心。

五、結(jié)論

學(xué)生經(jīng)過全流程訓(xùn)練，理解了相關(guān)知識的需求場景、內(nèi)在規(guī)律和具體應(yīng)用，熟悉了所學(xué)相關(guān)理論、方法或技術(shù)的適用范圍，掌握了相應(yīng)求解步驟和技術(shù)要領(lǐng)，即上述知識點和學(xué)生個人經(jīng)驗發(fā)生了主動鏈接，形成個人領(lǐng)悟。通過此方法，學(xué)生的工程思維能力得到比較完整的訓(xùn)練，工程思維習(xí)慣得到初步構(gòu)建，心智模式得到相應(yīng)提升。

[責任編輯? 韓曉雨]

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收稿日期：2021-04-13

作者簡介：劉溪涓（1975—），女，陜西咸陽人，上海電機學(xué)院機械學(xué)院副教授，博士，主要從事數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、設(shè)計知識管理研究。

基金項目：教育部人文社會科學(xué)研究項目（工程科技人才培養(yǎng)研究專項一般項目）“具有國際視野的工程教育師資隊伍形成機制研究”（18JDGC026）;上海電機學(xué)院2021年度重點課程建設(shè)項目“數(shù)字化技術(shù)項目綜合實踐”