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摘要:在“机械设计”课程教学中不仅要传授机械知识,更要注重培养学生的创新思维和创新意识。基于以上认识,从理论和实践的角度探讨了如何在“机械设计”教学中恰当地运用案例教学法以激起学生的学习兴趣,培养学生的创新能力。
关键词:机械设计;案例教学;创新思维
作者简介:刘扬(1956-),女,湖南涟源人,湖南工业大学机械工程学院,副教授,主要研究方向:机械设计;银金光(1962-),男,湖南邵阳人, 湖南工业大学机械工程学院,教授,工学硕士, 主要研究方向:机械设计。(湖南 株洲 412008)
目前,高速发展的中国机械制造业,亟须具有创新精神的高素质的机械专业人才,这使培养机械工程师的摇篮——我国高等工科院校面临着新的挑战。因此在“机械设计”等基础课程的教学过程中,如何培养学生的创新意识和创新能力,成为摆在我们面前的一项重要课题。
建构主义学习理论认为,学生知识学习水平可以分为两个层面。初级层面是由基本知识、原理或定律组成,这些知识比较抽象,是对复杂的外在世界现实加以过分简化的产物。高级层面是指有关知识应用的能力,即通过大量反复的案例分析和实际问题解决活动过程,分析和把握在同一案例中各知识之间关系的复杂性或同一知识在不同案例中的用法及差异性,从而达到灵活应用知识、推导新知识、广泛迁移知识的目的。[1]完成这一过程需经历复杂的思维活动,它包括问题解决、创造性思维、批判性思维等思维活动。
案例教学法是在教师的精心策划和指导下,根据教学目的,运用典型案例,调动学生参与讨论和深入分析及实践,通过学生的独立思考或集体协作,进一步提高其识别、分析和解决某一具体工程问题的能力,培养学生理论联系实际的自觉性,同时培养创新思维意识、主动学习方法、沟通能力和合作精神能力的一种教学方法。[2]
在“机械设计”等基础课程中,运用案例教学法有利于在传授机械知识的过程中培养学生的创造思维能力、实践工程动手能力,引导学生将知识的学习提高到高级层面上。为此我们在“机械设计”课程中进行了以下尝试。
一、精心选择案例,激发学生的学习兴趣
从心理学角度讲,新奇的事物对学生有特别大的吸引力。[3]在应用案例教学法时,要能针对教学中的重点进行案例的选择,恰当地设疑,引导学生主动思维,定向探索问题。
创造技法在机械设计中有广泛的运用,它直接影响机械设计方案的构思和机械新结构的产生。任何发明和研究都是从发现问题开始的,而缺点列举法正是从发现问题,即从发现事物的缺点出发的。我们在讲解“机械设计”的基础知识时,有意识地收集典型的机械新结构案例,用多媒体教学手段在课堂上进行模拟再现。这不仅有利于学生感性认识的深化,而且有助于学生进行深入探讨和思考,有利于学生将抽象的机械知识形象化、概念具体化。例如,在讲解带传动的分类时,我们不是简单地介绍其知识,而是从带传动的发明过程,巧妙地将创造技法——优缺点列举法应用到课程讲解中。我们先展示了一个平带传动,然后提出问题:“不改变带的尺寸,如何提高带传动的摩擦力?”引导学生运用力学中斜面原理,得出可用V带传动的答案;然后引导学生找出平带与V带的共同优点是什么,如何发挥它们的共同长处,由此得出带的新结构——多楔带;再引导学生找出平带与V带的共同缺点,以及如何避免这些缺点。这一过程不仅引起了学生的好奇和争论,也在课堂上设置了思维的发散点,使学生有了充分发表自己见解的思维空间,活跃了课堂教学气氛,并且在潜移默化中接受了创新理论与方法。经过这么一个过程,学生学到的不仅是机械知识,而且还学会了如何发现有待解决的问题和构思问题解决方案的有效方法。同时领悟了机械中的新型结构与知识来源于工程实践,创新也不是很神秘的事。这种教学法为他们将来进行机械方案构思、机械结构设计打下了基础,激发了学生对此课程的学习兴趣。
二、灵活组织教学,启迪大学生创新思维意识
在进行案例教学过程中,不仅要激发学生的兴趣,更重要的是要优化学生的知识结构。在实施案例教学过程中,要使大学生受到科学思维、科学方法、工程意识等方面的熏陶和教育,培养大学生的团队精神、交流能力、自主学习能力、创新精神。
为此我们采用了灵活的教学方法,将课堂教学、学生分组研究、学生课外兴趣小组指导等方法结合起来。我们把“机械设计”课程的有些章节授课方式与内容作了调整,把“机械设计”中的一些知识留给学生自己去“发现”,把传授知识的过程转变为学生自己“发现”的过程,在这一过程中使他们受到科学思维的训练。例如在讲滚动轴承时,我们运用多媒体课件介绍了滚动轴承的类型与计算后,提出问题:不同类型的滚动轴承有哪些基本特性?在一些典型机械(例如电动机、卷扬机卷筒轴、滑轮、直齿轮变速箱、锥齿轮减速箱等)中进行轴系结构设计时如何选择轴承的类型与型号?轴承如何固定与定位?等问题。然后,让学生分组课后研究,每组选定一种典型机械,进行轴系结构设计,自己拟定尺寸,应用三维CAD软件,对轴系各零件进行建模和仿真,并作出书面报告。通过三维模拟和分析讨论,学生不仅提高了计算机应用能力,而且还亲自拟定了轴上各零件结构与尺寸,分析和观察了轴各零件的安装、定位、固定等等是否合适等,学生在这个过程中享受了“发现”知识的快乐。接着,我们又布置一个小论文,论文的题目由学生自己拟定,内容是收集各类机械轴的结构、轴承选择与定位方法,分析其合理性。要求结合实验,分析各类机械轴的结构设计,然后画出实物轴的结构;拆装轴系结构、说明轴上各零件能满足的功能,分析其设计巧妙之处和不足之处,能否改进等等。这激发了学生很大的热情,以前枯燥的平面图形变成了鲜活的能动的立体零部件,学生们对其原理与尺寸有了实际的认识。在此基础上,让小论文写得较好的学生在课堂上进行演示,由全体学生讨论和评价。这使上台演示的学生受到激励,得到了锻炼,也使其他学生受到启发,感受到机械就在我们身边。
三、以典型的机械案例引路,培养大学生的创新思维
创新思维是一种很复杂的思维活动,它具有以下特征:是逻辑思维与非逻辑思维(形象思维、直觉、顿悟、灵感)的统一;是求异与求同思维的统一;是扩散思维和集中思维的统一。人类的创新史表明,天才们善于将两个或两类通常人们认为是毫不相干、相差甚远的事物、现象或过程联系起来,看到其他人看不到的东西,由此做出巨大的科学创造。而且,找到其中有相似之处的两个或两类事物的差距越大,表明创新者的创新能力就愈强,往往这一创新的意义也就愈大。[4]
我们在“机械设计”课程教学中十分注意引导学生发现客观事物之间的内在联系,培养学生的创新思维能力。例如选择同类机械中的典型实例,引导学生进行比较,这样可以使学生从多种多样的形式中找出其相同之处作为类的属性,并借助概念对某类机械形成完整的认识。[5]例如在讲机械的类型与演化时,通过引导学生仔细分析问题,启发学生的思维,找出它们之间的相异与相同点,从而建立它们之间的本质联系。同时告诉学生利用这种本质联系进行机械的变异,为发明新机械提供思路。
我们根据湖南工业大学机械工程学院在包装机械研究方面的优势,挖掘包装机械中的经典机械结构案例并引入教学中。在课程教学中,我们先让学生实地观看一些包装机械,给他们一些感性认识。然后我们根据学生的知识水平,提出一些较为深入的问题和有一定深度的课题作为课程设计任务让学生进行研究,如包装机的封口机构、纸杯机的纸板供送机构、包装板材送料机构的传动方案设计等。对于这些课题只给出机构所要满足的工艺要求,传动方案由学生自己确定。
在学生设计过程中,我们进行了认真的组织和引导。课题研究以三到四人为一小组。在学生进入课题时,向学生介绍设计思想和创新方法,引导课题小组积极查找资料、相互讨论、相互启发、克服思维定势,从功能原理的角度出发,提出多种方案并进行比较,让学生在探索和研究中逐步解决问题,完成设计。
由于提出的问题是开放性的,没有现成的答案,启发了学生的创新思维,使学生的思维得以提升,知识的学习方式向高级层面转移。例如机械创新兴趣小组学生由研究萌发了创意与设想,在我们的鼓励和指导下,创造性地运用机械创新原理,设计出小巧、轻便、用途多样的“多功能健康手杖”、“脚踏式键盘电脑操作台”、“智能型饮料瓶分类回收装置”等等,分别获得湖南省大学生创新设计大赛一、二等奖,有的设计还申请了国家专利。还有些学生根据自己的研究设计,写出论文在学术期刊上发表。
四、结束语
教学实践表明,案例教学法有生动、直观、密切联系实际等特点,在“机械设计”教学中合理、有效地使用可以很好地解决传统教学中遇到的问题,可以有效地将课堂教学、创新理论和实践有机结合起来,能够充分调动学生学习的积极性,提高学生实际动手能力和探索、合作、创新能力。
参考文献:
[1]刘儒德.基于问题学习对教学改革的启示[J].青年教师,2002,(6):4-5.
[2]张家军,靳玉乐.论案例教学的本质与特点[J].中国教育学刊,2004,(1):48-50.
[3]袁健.“船舶辅机”课程采用案例教学的尝试[J].航海技术,2007,(1):57-59.
[4]易杰雄.论创新思维的几个重要特征[J].北京社会科学,2001,(1):58-59.
[5]刘扬.相似原理在“机械设计”课程教学中的运用[J].中南林学院学报,2003,23(3):108-110.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:机械设计;案例教学;创新思维
作者简介:刘扬(1956-),女,湖南涟源人,湖南工业大学机械工程学院,副教授,主要研究方向:机械设计;银金光(1962-),男,湖南邵阳人, 湖南工业大学机械工程学院,教授,工学硕士, 主要研究方向:机械设计。(湖南 株洲 412008)
目前,高速发展的中国机械制造业,亟须具有创新精神的高素质的机械专业人才,这使培养机械工程师的摇篮——我国高等工科院校面临着新的挑战。因此在“机械设计”等基础课程的教学过程中,如何培养学生的创新意识和创新能力,成为摆在我们面前的一项重要课题。
建构主义学习理论认为,学生知识学习水平可以分为两个层面。初级层面是由基本知识、原理或定律组成,这些知识比较抽象,是对复杂的外在世界现实加以过分简化的产物。高级层面是指有关知识应用的能力,即通过大量反复的案例分析和实际问题解决活动过程,分析和把握在同一案例中各知识之间关系的复杂性或同一知识在不同案例中的用法及差异性,从而达到灵活应用知识、推导新知识、广泛迁移知识的目的。[1]完成这一过程需经历复杂的思维活动,它包括问题解决、创造性思维、批判性思维等思维活动。
案例教学法是在教师的精心策划和指导下,根据教学目的,运用典型案例,调动学生参与讨论和深入分析及实践,通过学生的独立思考或集体协作,进一步提高其识别、分析和解决某一具体工程问题的能力,培养学生理论联系实际的自觉性,同时培养创新思维意识、主动学习方法、沟通能力和合作精神能力的一种教学方法。[2]
在“机械设计”等基础课程中,运用案例教学法有利于在传授机械知识的过程中培养学生的创造思维能力、实践工程动手能力,引导学生将知识的学习提高到高级层面上。为此我们在“机械设计”课程中进行了以下尝试。
一、精心选择案例,激发学生的学习兴趣
从心理学角度讲,新奇的事物对学生有特别大的吸引力。[3]在应用案例教学法时,要能针对教学中的重点进行案例的选择,恰当地设疑,引导学生主动思维,定向探索问题。
创造技法在机械设计中有广泛的运用,它直接影响机械设计方案的构思和机械新结构的产生。任何发明和研究都是从发现问题开始的,而缺点列举法正是从发现问题,即从发现事物的缺点出发的。我们在讲解“机械设计”的基础知识时,有意识地收集典型的机械新结构案例,用多媒体教学手段在课堂上进行模拟再现。这不仅有利于学生感性认识的深化,而且有助于学生进行深入探讨和思考,有利于学生将抽象的机械知识形象化、概念具体化。例如,在讲解带传动的分类时,我们不是简单地介绍其知识,而是从带传动的发明过程,巧妙地将创造技法——优缺点列举法应用到课程讲解中。我们先展示了一个平带传动,然后提出问题:“不改变带的尺寸,如何提高带传动的摩擦力?”引导学生运用力学中斜面原理,得出可用V带传动的答案;然后引导学生找出平带与V带的共同优点是什么,如何发挥它们的共同长处,由此得出带的新结构——多楔带;再引导学生找出平带与V带的共同缺点,以及如何避免这些缺点。这一过程不仅引起了学生的好奇和争论,也在课堂上设置了思维的发散点,使学生有了充分发表自己见解的思维空间,活跃了课堂教学气氛,并且在潜移默化中接受了创新理论与方法。经过这么一个过程,学生学到的不仅是机械知识,而且还学会了如何发现有待解决的问题和构思问题解决方案的有效方法。同时领悟了机械中的新型结构与知识来源于工程实践,创新也不是很神秘的事。这种教学法为他们将来进行机械方案构思、机械结构设计打下了基础,激发了学生对此课程的学习兴趣。
二、灵活组织教学,启迪大学生创新思维意识
在进行案例教学过程中,不仅要激发学生的兴趣,更重要的是要优化学生的知识结构。在实施案例教学过程中,要使大学生受到科学思维、科学方法、工程意识等方面的熏陶和教育,培养大学生的团队精神、交流能力、自主学习能力、创新精神。
为此我们采用了灵活的教学方法,将课堂教学、学生分组研究、学生课外兴趣小组指导等方法结合起来。我们把“机械设计”课程的有些章节授课方式与内容作了调整,把“机械设计”中的一些知识留给学生自己去“发现”,把传授知识的过程转变为学生自己“发现”的过程,在这一过程中使他们受到科学思维的训练。例如在讲滚动轴承时,我们运用多媒体课件介绍了滚动轴承的类型与计算后,提出问题:不同类型的滚动轴承有哪些基本特性?在一些典型机械(例如电动机、卷扬机卷筒轴、滑轮、直齿轮变速箱、锥齿轮减速箱等)中进行轴系结构设计时如何选择轴承的类型与型号?轴承如何固定与定位?等问题。然后,让学生分组课后研究,每组选定一种典型机械,进行轴系结构设计,自己拟定尺寸,应用三维CAD软件,对轴系各零件进行建模和仿真,并作出书面报告。通过三维模拟和分析讨论,学生不仅提高了计算机应用能力,而且还亲自拟定了轴上各零件结构与尺寸,分析和观察了轴各零件的安装、定位、固定等等是否合适等,学生在这个过程中享受了“发现”知识的快乐。接着,我们又布置一个小论文,论文的题目由学生自己拟定,内容是收集各类机械轴的结构、轴承选择与定位方法,分析其合理性。要求结合实验,分析各类机械轴的结构设计,然后画出实物轴的结构;拆装轴系结构、说明轴上各零件能满足的功能,分析其设计巧妙之处和不足之处,能否改进等等。这激发了学生很大的热情,以前枯燥的平面图形变成了鲜活的能动的立体零部件,学生们对其原理与尺寸有了实际的认识。在此基础上,让小论文写得较好的学生在课堂上进行演示,由全体学生讨论和评价。这使上台演示的学生受到激励,得到了锻炼,也使其他学生受到启发,感受到机械就在我们身边。
三、以典型的机械案例引路,培养大学生的创新思维
创新思维是一种很复杂的思维活动,它具有以下特征:是逻辑思维与非逻辑思维(形象思维、直觉、顿悟、灵感)的统一;是求异与求同思维的统一;是扩散思维和集中思维的统一。人类的创新史表明,天才们善于将两个或两类通常人们认为是毫不相干、相差甚远的事物、现象或过程联系起来,看到其他人看不到的东西,由此做出巨大的科学创造。而且,找到其中有相似之处的两个或两类事物的差距越大,表明创新者的创新能力就愈强,往往这一创新的意义也就愈大。[4]
我们在“机械设计”课程教学中十分注意引导学生发现客观事物之间的内在联系,培养学生的创新思维能力。例如选择同类机械中的典型实例,引导学生进行比较,这样可以使学生从多种多样的形式中找出其相同之处作为类的属性,并借助概念对某类机械形成完整的认识。[5]例如在讲机械的类型与演化时,通过引导学生仔细分析问题,启发学生的思维,找出它们之间的相异与相同点,从而建立它们之间的本质联系。同时告诉学生利用这种本质联系进行机械的变异,为发明新机械提供思路。
我们根据湖南工业大学机械工程学院在包装机械研究方面的优势,挖掘包装机械中的经典机械结构案例并引入教学中。在课程教学中,我们先让学生实地观看一些包装机械,给他们一些感性认识。然后我们根据学生的知识水平,提出一些较为深入的问题和有一定深度的课题作为课程设计任务让学生进行研究,如包装机的封口机构、纸杯机的纸板供送机构、包装板材送料机构的传动方案设计等。对于这些课题只给出机构所要满足的工艺要求,传动方案由学生自己确定。
在学生设计过程中,我们进行了认真的组织和引导。课题研究以三到四人为一小组。在学生进入课题时,向学生介绍设计思想和创新方法,引导课题小组积极查找资料、相互讨论、相互启发、克服思维定势,从功能原理的角度出发,提出多种方案并进行比较,让学生在探索和研究中逐步解决问题,完成设计。
由于提出的问题是开放性的,没有现成的答案,启发了学生的创新思维,使学生的思维得以提升,知识的学习方式向高级层面转移。例如机械创新兴趣小组学生由研究萌发了创意与设想,在我们的鼓励和指导下,创造性地运用机械创新原理,设计出小巧、轻便、用途多样的“多功能健康手杖”、“脚踏式键盘电脑操作台”、“智能型饮料瓶分类回收装置”等等,分别获得湖南省大学生创新设计大赛一、二等奖,有的设计还申请了国家专利。还有些学生根据自己的研究设计,写出论文在学术期刊上发表。
四、结束语
教学实践表明,案例教学法有生动、直观、密切联系实际等特点,在“机械设计”教学中合理、有效地使用可以很好地解决传统教学中遇到的问题,可以有效地将课堂教学、创新理论和实践有机结合起来,能够充分调动学生学习的积极性,提高学生实际动手能力和探索、合作、创新能力。
参考文献:
[1]刘儒德.基于问题学习对教学改革的启示[J].青年教师,2002,(6):4-5.
[2]张家军,靳玉乐.论案例教学的本质与特点[J].中国教育学刊,2004,(1):48-50.
[3]袁健.“船舶辅机”课程采用案例教学的尝试[J].航海技术,2007,(1):57-59.
[4]易杰雄.论创新思维的几个重要特征[J].北京社会科学,2001,(1):58-59.
[5]刘扬.相似原理在“机械设计”课程教学中的运用[J].中南林学院学报,2003,23(3):108-110.
(责任编辑:麻剑飞)