機械設計基礎綜合實驗教學的實踐與探討

金 悅， 楊培林， 陳曉南

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

近年來，為了適應社會對人才的需要，各個學校都在進行教學改革，其中加強實踐環(huán)節(jié)是改革的主要內(nèi)容[1-3]，實驗教學的改革理所應當?shù)某蔀榻谈闹械闹匾獌?nèi)容[4]。在這股實驗教學改革的大潮中，我校投入了大量的人力、物力，從2004年起，對機械設計基礎實驗中心的實驗教學體系、教學模式、實驗內(nèi)容，進行了全面的規(guī)劃和修改，其中一項重要的內(nèi)容，就是開設了64學時的綜合創(chuàng)新型實驗課。64學時的綜合實驗課，是在做中學的教學理念指導下開設，取得了良好的效果，為后續(xù)工作提供了寶貴的經(jīng)驗。通過近幾年開發(fā)、指導機械基礎的綜合實驗，對綜合創(chuàng)新型實驗有了一些體會，也發(fā)現(xiàn)一些問題，提出來和大家做探討。

1 64學時綜合實驗的實驗流程簡介

綜合實驗是單獨開設的實驗課程，每周4學時，實驗項目包括綜合傳動實驗、基于慧魚創(chuàng)意組合模型的機電一體化實驗、基于ADAMS的機器仿真實驗等10多個與機械設計相關的實驗項目，每個實驗項目64學時，不同的班級做不同的實驗項目，學生可根據(jù)自己的興趣選做實驗。每個實驗分為3個階段，第1階段是布置任務，自學實驗相關理論，通過基礎實驗掌握實驗所需技能，第1階段結(jié)束后要做一個簡單的考核，檢驗前期的學習效果。第2階段是實驗研究階段，由學生自主選題進行研究。第3階段是提交實驗結(jié)果，并答辯。要求每組提交一份1萬字以上的實驗報告，實驗周記，每人一份2千字以上的實驗心得，實驗數(shù)據(jù)(源程序等)，照片，視頻文件，答辯的PPT。表1為實驗教學計劃進度表。

表1 實驗教學計劃進度表

2 實驗教學的突出問題

實驗教學的突出問題是學生沒有自主動手的機會，綜合實驗應該以學生自己動手為基本要求。

為什么我們的學生缺乏動手能力？在指導實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，學生缺乏動手能力的原因有兩個，第一個是驗證型的實驗教學內(nèi)容造成的，但是還有一個更主要的原因，筆者認為這是根本原因，我們的實驗教學評價標準是以得出實驗結(jié)果為導向，而不是以讓學生自己動手做實驗的過程為導向，實驗的成敗與否完全依靠是否得出實驗結(jié)果說話。從認知心理學的角度而言，完成復雜的綜合實驗、掌握復雜的概念需要大量的隱性學習[5-6]，但是目前還是以課堂上的理論教學的思維模式評判實驗，只重視顯性知識的掌握，忽視復雜概念以及實驗技能的掌握需要大量隱性學習的事實，造成對實驗難度的估計嚴重不足。

其實驗證實驗并不像初看起來那么容易，我們看到的容易，僅僅是操作步驟的容易，如果把實驗的內(nèi)容和原理都算上，要求學生在2 h內(nèi)要完成實驗內(nèi)容，并對實驗的各個環(huán)節(jié)有所了解，能夠解決實驗出現(xiàn)的問題，2 h遠遠不夠。因為有了以實驗結(jié)果為導向的評價標準，為了讓學生有一個滿意的成績，老師只好把操作的環(huán)節(jié)提取出來，寫成實驗操作步驟，保證學生能夠得到實驗結(jié)果，如此導致學生做實驗只是對實驗設備進行簡單的儀器操作，然后得出一組高度理想化的數(shù)據(jù)，最后，將這組數(shù)據(jù)和書上的結(jié)論抄上實驗報告完事。

驗證實驗之所以不能起到鍛煉學生能力的最大問題，不是因為實驗內(nèi)容簡單，而是因為我們以實驗結(jié)果為導向的評價方式以及追求所謂的學習效率導致了錯誤的學習方法，從這個意義上說，學生缺乏動手能力是評價標準不合理所占的比重更大，綜合實驗如果把培養(yǎng)學生的能力作為主要目標的話，要保證學生真正掌握實驗中需要的知識內(nèi)容，首先要確保實驗是學生自己循序漸進學習后動手完成的，不是模仿老師的操作完成的，這是綜合實驗中需要遵循的重要原則。另外，實驗的內(nèi)容應該循序漸進，開始不宜過多過難，要讓多數(shù)學生能夠完成，這也是實驗設計的重要原則之一。

3 學生自主選題

自主選題是綜合實驗的一個重要環(huán)節(jié)，我們的實驗給學生提供題目，但是更多的主張他們自主選題，因為綜合實驗項目對學生而言有一定的難度，實驗過程和實驗結(jié)果都不可預期，整個實驗過程就是一個不斷學習探索的過程，而選題是讓學生達到自主學習的重要一步。

最初我們綜合實驗開出的時候，給學生提供了幾個題目，也可以讓學生自己選題，自主選題是一種嘗試，后來發(fā)現(xiàn)，自主選題的學生做的比給定題目的學生效果好，他們感覺收獲也比較大，相反，做給定題目的學生倒是一直處在一種惶惑的狀態(tài)中，于是我們就大力鼓勵學生自主選題。指導實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，自主選題并不單單是因為學生對自己的選題有興趣，還因為自主選題實際上是學生學習的一個重要過程。自主選題實際上是引導學生自己尋找構(gòu)成問題的情景，而情境中的資料有助于發(fā)現(xiàn)問題，解決問題[7]。

綜合實驗項目一般形式是讓學生用一種復雜的工具進行研究，那么這個復雜的工具究竟有什么功能，往往是語言沒法表達清楚的，因為我們的語言只能類比和線性描述，當我們說大海的時候，我們會說大海是藍色的水，那么學生需要知道藍色、知道水，至于大海的其他性能則不能用一句話表述清楚，而海水其他性能之間的關系，更難以用一句話表述清楚，所以當我們的語言將復雜的概念用一條條割裂開來的簡單概念形容的時候，學生是無法理解的，復雜的概念需要學生自己通過實踐、感知才能整合出完整的概念。國外的教學中強調(diào)在實踐中以“經(jīng)驗”和“直覺”理解課程內(nèi)容[8]，自主選題是達到這一目的的很好的方式。

以“經(jīng)驗”和“直覺”理解課程內(nèi)容的合理性在我們的仿真實驗中有清晰的表現(xiàn)，在我們給學生的閱讀資料中，既有用術語寫成的關于仿真的教材，也有關于仿真的案例，但是仿真究竟是怎么回事，學生通過閱讀教材很難把那些術語理解明白，但是你直觀地告訴學生，把一個曲柄滑塊機構(gòu)用ADAMS做一個運動分析，然后找個感興趣的機構(gòu)用ADAMS研究一下，他們就會在一個個摸索的過程中逐漸體會什么是仿真，體會書本上的術語。有一組學生，仿真的開始要研究指甲刀，后來是雨傘，慢慢的，過了幾個星期，才想到研究機械手，最終，他們研究一個硬幣壓制機構(gòu)，他們在選題的過程中，通過實踐，逐步對術語了解了，而最初只有術語的描述，他們很難理解術語的含義，無法探究術語的意思，反而不知所措。所以選題實際上是給了學生學習的一個線索。

4 團隊合作，強強聯(lián)合

綜合實驗都是以小組為單位開展的，所以團隊合作特別重要，團隊合作里最重要的并不是強調(diào)學生如何協(xié)調(diào)分工，而是要求學生強強聯(lián)合。筆者最初也是覺得團員之間的分工協(xié)作最重要，但實踐中發(fā)現(xiàn)，影響一個小組成功與否的，并不是分工協(xié)作的問題，而是能力匹配的問題。有的班級，學委出于好心，讓學習不好的學生和學習好的學生在一組，如果這一組好學生比較多，那么搭一個成績不好的學生那還好辦，曾經(jīng)有一次，一個組里一個學習中上等的學生，搭了一個學習中下等的和兩個學習不好的學生，造成這個學習中上等的學生極大的負擔，整個實驗都是在指望那個學習中上的學生在做，這個組的任務完成的極其艱難，完成質(zhì)量也很不理想。學習成績不理想的學生在遇到比自己強的學生搭伴時極易產(chǎn)生依賴性，在實驗中強調(diào)強強聯(lián)合，要求學習成績不是很好的學生自己組隊，這樣有利于他們的學習。

通過實踐發(fā)現(xiàn)，強強聯(lián)合的原則有助于學生的提高，成績好的學生自然不必說，成績不是很好的學生，由于沒有了依賴思想，往往能讓自己的能力發(fā)揮出來，在課程中找到自己的信心。在教學中發(fā)現(xiàn)，所謂的成績好的學生和成績不好的學生的最大的差異，就是成績好的學生在遇到難題的時候，能夠堅忍不拔的不斷嘗試，最終找出解決辦法，而成績不好的學生，當遇到難題的時候，就放棄了，如果讓這些成績不好的學生沒了依賴思想，會讓他們的能力有極大的提高。曾經(jīng)有幾次，成績不好的學生遇到難題時來問，我們是否可以換別的題目，回答他們說：只要你有充分的理由就可以，他們想想又回去繼續(xù)做下去，最終克服了難點，能力、信心得到很大的提高[9]。

在指導綜合實驗中最具成就感的是兩個情形，一個是成績好的學生做出了出色的成果，另一個就是成績不算好的學生通過實驗感覺自己的學習能力、解決問題能力有了極大地提升，這種能力上的提升，對學生個人來說意義極大，也是我們作為教育工作者追求的終極目標。所以，這里將強強聯(lián)合作為綜合實驗中重要的環(huán)節(jié)提出，它使每個學生都在實驗中有所收獲。

5 實驗成績考核

實驗成績，不僅是評定學習成績的工具，它更是實驗方向的導向，因此，實驗成績的評定，在實驗中是非常重要的。綜合實驗是一個激發(fā)學生學習、探索、研究的過程，它的成績評定，不僅是評定學生的學習成果，還需要在激發(fā)學生上起到作用。我們的實驗成績評價，引入了過程評價和實驗結(jié)果相結(jié)合的方法[10]。

實驗成績分為3部分，平時成績、報告成績、答辯成績。報告成績根據(jù)所做研究的研究深度、工作量來定，占總成績的60%；答辯成績占總成績的10%，主要是考核是否把所做的工作匯報清楚；平時成績占總成績的30%，這30%又由15%的考勤，5%的測試成績和10%的平時表現(xiàn)組成，平時表現(xiàn)依據(jù)實驗心得和學生和老師的交流來評定。實驗鼓勵學生多和老師交流，表達自己的見解。

為了避免學生在心得中言不由衷，實驗心得評分不計入實驗成績，并給學生提出了如下標準：①真實可信；②能充分說明實驗中面臨的問題；③說明實驗中最主要的收獲；④有獨特的角度和創(chuàng)見；⑤充分說明實驗中所遇到的問題和解決經(jīng)過；⑥能充分反映實驗的過程；⑦能充分說明自己在實驗中起到的作用；⑧通過實驗對某個問題有了以前不曾有過的深刻的體會和見解。在以上幾個方面中選擇自己覺得最有特色的觀點寫出來。心得貴在以自己的視角表達自己的認識，越獨特越是好的心得。

另外，實驗周記在實驗中雖然不評分，但是實驗周記是一個非常好的督促學生規(guī)劃任務，督促自己的措施，最初擔心任務太繁重，并沒有規(guī)定寫實驗周記，但是實驗開過兩輪之后，有學生自發(fā)寫的周記效果非常好，其他沒有寫周記的學生也都后悔沒有寫周記，大家建議把寫周記納入實驗要求，于是我們就添加了這一條要求。

實踐表明，這一套評價標準能較好的反映學生的學習情況，是比較合理的。

6 學習引導

綜合實驗是一門教學方式完全不同的課程，在學生已經(jīng)經(jīng)過的學習經(jīng)歷中，這種教學方式是全新的，所以對學生做學習方法上的引導必不可少，如果不對學生做引導，學生會覺得無從下手，而且韌性不足，難以滿意的完成實驗，所以綜合實驗的學習引導至關重要。它主要是以下幾個方面：① 解決學習方式的問題。學生最容易發(fā)生的問題就是習慣于把所有的問題都想清楚了才開始行動，他們不知道探索學習是一個一邊做一邊學的過程，所以，我們實驗之前對學生強調(diào)，不要花大量的時間去看操作手冊，復雜的操作手冊僅僅憑看是看不會的，先看功能，知道工具能做什么，然后自己給自己設定小的任務，在完成任務的過程中學習需要的命令，實踐表明，這種任務分解的提示能讓學生迅速進入學習狀態(tài)，而不是抱著手冊心中忐忑的發(fā)愁。② 教會學生學會提問。一個學生提問的方式就反映了他是否進行了思考，有的學生提的問題就反映了他是期待別人給他灌輸，而不是自己摸索，遇到這種情況，我們就分解他的問題，讓他從自己動手從提出的問題著手。③ 告訴學生自主學習的時間耗費，讓學生有一個合理的預期，這樣可以培養(yǎng)他們的韌性[11]。

7 綜合創(chuàng)新型實驗的需要避免的誤區(qū)

綜合創(chuàng)新實驗的教學目標是培養(yǎng)學生研究分析以及創(chuàng)新的能力，這是終極目標，而所研究的題目、內(nèi)容，只是實現(xiàn)這個目標的實踐平臺。但是在設計實驗之初卻可能因為難以克服的急功近利的思維方式，在開發(fā)綜合實驗的時候，把注意的焦點放在了實驗內(nèi)容是否復雜、難度是否大，實驗題目是否前沿這樣的問題上，忽視了實驗的教學方式是否能夠培養(yǎng)學生的研究分析能力這樣一個更本質(zhì)的問題上。急功近利的結(jié)果就是容易把學生掌握復雜操作內(nèi)容作為教學的主要目標，講究效率，忽視內(nèi)隱學習的特點，又回到滿堂灌的老路上。如果明確綜合創(chuàng)新實驗的主要目標是培養(yǎng)學生的研究分析能力，那么就會把重點放在讓學生發(fā)現(xiàn)、提問上，在實驗中強調(diào)學生的自主性。

其實，不論實驗的內(nèi)容是否難、是否前沿，都不妨礙我們培養(yǎng)學生的研究分析能力，因為探索研究實際上是我們?nèi)说囊环N本能，只是由于應試教育的片面導致我們的學生探索、分析能力被荒廢，只要我們把培養(yǎng)學生的研究分析能力作為我們主要的教學目標，那么在現(xiàn)有的資源下我們同樣能夠取得好的教學效果，在綜合創(chuàng)新型實驗中，教學方法比教學內(nèi)容起到更重要的作用，這一點，希望大家有足夠的認識，在我們目前教育資源有限的環(huán)境下，這一點尤其重要[12]。

8 結(jié) 語

經(jīng)過多年的實踐，綜合創(chuàng)新實驗在培養(yǎng)學生的研究能力和創(chuàng)新能力上，取得了良好的效果，基于慧魚創(chuàng)意組合模型的機電一體化實驗，有4組學生參加了第四屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大獎賽慧魚組的比賽，取得2個一等獎，2個二等獎的好成績，其中一組還獲得第四屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大獎全國二等獎。基于ADAMS的機器仿真實驗的學生中，有一組學生將實驗內(nèi)所做的仿真研究，寫成了專業(yè)論文，已在專業(yè)雜志發(fā)表。說明這種綜合創(chuàng)新型實驗的教學方式對培養(yǎng)學生的研究能力和工程能力有很大的作用。

我們這種綜合實驗的方式，在學時安排和教學內(nèi)容上，和國外的教學方式非常類似[13-14]，最為可貴的，這種方式讓成績好的學生和成績中等的學生都能有很大的收獲，成績好的學生得到了一個展示自己潛質(zhì)的平臺，做出超出自己預期的工作成果，成績中等的學生，有相當數(shù)量的學生體會到自主學習的樂趣，能力有很大的提高，但是對成績差的學生中的大多數(shù)，目前還沒有有效的辦法讓他們有較大的收獲，多數(shù)學生還是陷在完成任務的被動思維里，這是后續(xù)需要繼續(xù)探討的問題。另外，在保證學生掌握知識的基礎上，如何讓學生更有效率的學習，是今后需要繼續(xù)深入探索的。

綜合實驗的開設方式和評價綜合實驗的教學標準，還處于比較模糊的狀況，學校里做理論教學的老師是主流，他們對綜合實驗的評判和理解，往往帶有課堂教學的烙印，他們很少接觸學生做實驗的情況，滿堂灌的教學思想一時難以徹底改變，考慮內(nèi)容改革比較多，教學方法上的改革考慮比較少，教學方法上的改變不易受到認同甚至遭受誤解。當整個工程教育界對綜合實驗的教學方式達成共識之后，對實驗的設計能夠從認知心理學的角度有了比較科學的評估之后，綜合實驗教學方式的研究才能進入更深層的問題[15]。

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