學科競賽和基礎課程建設的互促“雙贏”

廖凱　趙青　張紅　胡勁松

【摘要】本文針對學科競賽中的成功與教訓，結合教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見要求，對現有基礎課程在教學方法和教學實踐形式進行了深刻思考：在基礎教學側重點、施教形式和跨學科知識融合等方面，理論教學應該面向實際工程問題，應強調工程教育逐步貫穿在整個基礎教學環節的重要性。這種學科競賽與課程建設的互促，不僅提高了學生的專業水平和實踐能力，而且啟發了學生進行工程思維訓練，在學習實踐中嘗試解決實際工程問題，這對學生深刻理解專業基礎知識，豐富知識結構意義重大。

【關鍵詞】學科競賽 基礎課程 教學改革 工程實踐

【基金項目】湖南省級教改項目“以學科競賽推動大學生創新實踐能力的培養與實踐”，湘教通[2013]223；中南林業科技大學校級教改項目“基于工程訓練的機械類專業實踐教學培養模式探討”。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）09-0003-02

2012年，教育部、財政部聯合下發了教技〔2012〕6號文件《教育部財政部關于實施高等學校創新能力提升的意見》，以及教育部下發的教高〔2012〕4號文件《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》，《意見》著力指出，提高大學生創新能力離不開實踐創新教育，離不開新的創新教育理念和方法，在此基礎上，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務[1-2]。以此為契機，我院抓住機械學科競賽這個中心環節，就如何提高學生學習興趣、激發學生創新思維、鍛煉學生實踐能力、培養學生社會責任和工程意識等方面[3-5]，對機械類基礎課程進行了教學改革和摸索嘗試。尤其是以學科競賽為契機，通過競賽尋找差距和不足，并總結學生在知識運用和知識廣度上不足的原因，以此來對現有教學內容和教學方法及形式進行探討和調整。

1. 學科競賽收獲的成績和總結的教訓

2年來，我院在全國機械創新設計大賽上收獲了2個一等獎，在省級機械創新設計大賽和綜合工程訓練能力大賽上共收獲了5個一等獎，8個二等獎，同時，還立項了1個國家級大學生創新創業訓練計劃項目，2個省級大學生創新創業訓練計劃項目。學科競賽極大地提高了學生的實踐創新能力和解決實際工程問題的能力，逐步地培養了工程素養，在大學生就業和研究生升學方面，這些學生都取得了令人滿意的結果。

在學科競賽的指導過程中，以及與同行比賽交流的學習中，一些問題逐漸地發現和暴露，由此，課題組針對理論與實踐教學進行了深刻反思：

1）學生基礎知識掌握的深度和廣度還有待提高。學科競賽對機械原理、工程制圖和機械設計等這些基礎課程的知識運用要求很高，例如凸輪機構的動力學分析、連桿機構的動力學分析、變速箱裝配等，涉及這些知識的作品要取得好的成績，則要求學生必須對這類機構的機理和特點掌握得很好，否則作品的表現力和臨場問答就無法過關。不僅如此，幾乎所有的作品都涉及到力學知識和弱電控制技術，這些似乎應該是機械類學生掌握的重點，但是學生片面的以為機械知識學好最重要，其他知識是補充，然而多元化作品以及社會實際的需要恰恰是要求學生知識的廣度要大，要能夠對作品的用途、功能和表現力做全盤的設計和展示，這對學生提出了更高的要求。

2）應對理論設計與實際應用出現偏差時的處理能力有待提高，換句話說，就是解決工程實際問題的能力有待提高。設計與仿真模擬確實鍛煉了學生的設計創新能力，然而在制造并組裝成實際產品后，學生對出現的問題，應對時往往不知所措，不清楚問題出在哪里，慌亂中往往認為是設計有缺陷，需要重新再來，事實上這恰恰反映了大學生們實際動手能力和工程思考能力的不足。工程問題總是存在的，關鍵是運用所學的知識和身邊的資源解決問題，而非一味地設計與制作，這里重要的是解決實際工程問題的能力，核心是思考和應變，學科競賽中確實深深的感到這方面存在的不足。

3）對設計作品缺乏評價，對機構設計缺乏分析。一件作品應該從很多的角度去給予評價，例如說性能、成本、工藝和市場等，其采用的機構組件也應該從很多角度去分析，例如說這種機構的采用是不是最好，產生的誤差會不會影響到運行的效果，如何去控制和量化這種誤差等。在學科競賽中，很多的評委提出的問題越來越明確的表示了這種傾向，即作者對自己的作品到底了解到什么程度，是不是只是為了比賽而比賽，是否對自己作品的優缺點了解。這確實需要更深層次的教學思考和實踐歷練，在我們目前的教學中這一方面的內容還遠遠不夠。

2.教學改革的方向

學科競賽中確實涌現了很多讓人耳目一新的設計作品，同時，也讓課題組深深的覺得我校基礎教學與重點兄弟院校存在的差距，為此，在進行反思和研討后，對以后基礎教學的內容和形式所要開展的教學改革方向進行了分析，認為教研室立足于提高學生實踐創新能力這一核心要求，提出以學科競賽帶動基礎教學課程的建設與改革，在競賽中找差距，在競賽中找方法，以教學過程中啟發學生發現問題和解決問題的思維，讓枯燥的教學過程變得生動，在潛移默化中培養學生的工程認知、工程實踐、工程適用能力[4-5]。教學改革方向表現在：

1）基礎課程教學應該引入案例講解，由案例引申知識點的廣度和深度。

基礎課程原理性和概念性很強，學生不容易掌握，如果相互割裂開來獨立進行講學而不建立起聯系，則學生很容易造成“知道了后面的又忘記前面的”，這在我們的教學中經常發生，究其原因，主要是理論與實踐的聯系太少，學生無法建立起感性的認識。即使進行相關的課程設計，也由于缺乏感性的認識，學生根本不知道或者不能建立起理論設計到工程應用的概念。因此，最為可行的辦法是在實際教學中引入案例教學，將學生設計作品的思路和采取的辦法，結合理論重點予以講解，并在講解中針對機構的裝配和調試探討工程問題的出現和解決，這樣教學的效果比單純做一個課程設計要有效得多。例如在《機械原理》教學中就可以引入本次學生創新設計的一個作品“凸輪從動件運動規律測繪儀”，如圖1所示。

圖1 凸輪從動件運動規律繪制儀

這個作品涉及連桿機構、齒輪機構、凸輪機構等純機械原理的方法，將凸輪運動時從動件的位移曲線、速度曲線和加速度曲線用多連桿機構繪制出來。這個案例可以從兩個方面來進行教學演示，一是，引導學生深入理解相關機械原理課程的知識點，連桿機構如何在實際中演變、執行桿件如何與函數構成關聯、齒輪傳動如何實現同步作圖等。二是，啟發和引導學生處理在制造裝配中所遇到的問題，以及如何來分析和解決這些問題，這就與《機械設計》課程的傳動、《互換性》中的配合、《機械制造》中的測試與工藝等知識點交叉關聯。這種以學科競賽作品案例教學的方式，由于本身是學生的設計作品，因此很能讓學生接收，不覺得原理基礎性的知識掌握起來困難，在學生的心理上建立起了興趣。

2）結合案例進行提問式教學，沒有提問就沒有思考。

被動的接受知識有如填鴨式教學，學得快忘得更快，而經過思考和實踐解決的問題會很深刻地記憶在腦海里，這就是需要進行提問式教學的主要原因。針對一個問題有很多種解決的辦法，而工程問題解決的方案往往不止一種，只要符合當時的實際條件就具有合理性，這也就鼓勵學生進行積極的思考和探究，在學習中找到工程問題被解決的成就感和滿足感。例如我校學生設計作品“六自由度可調書桌”就是采用超越離合器來實現位置變換，如圖2所示，那么還有沒有更簡單的方法呢？還有沒有更貼近人們習慣的設計想法呢？這些問題的解決在學生所涉及的現階段學習中完全可以找到滿意的答案，關鍵是課堂的引導式提問，鼓勵學生積極地思考，運用所學的知識來解決問題。這種方式的教學在以往也經常采用，但是案例往往離學生比較遠，看不到實例，而結合學科競賽的學生自己設計的作品，就會給學生帶來競爭性創新思維激發，學生們就會競相提出自己的思路和解決辦法。答案并不是我們追究的最終目標，在討論分析的過程中學生就會自發的對所學的知識進行消化吸收，學習效果往往事半功倍。

圖2 六自由度可調書桌

3）基礎課程不局限于本專業，而應該鼓勵學生跨專業多方位涉獵，使自身知識結構更豐富。

機械專業離不開電子、自動化、通信和材料等學科緊密聯系，目前學生的學習更多的關注于自身專業，而對其他專業知識則抱有屬于選修或可學可不學的態度。從目前的學科競賽形式和社會工程發展趨勢來看，單一專業知識是遠遠不夠的，一個作品往往涉及到機械和電（液）控制，甚至還有自動化要求，因此往往需要學生同時具備幾個專業學習背景。這次我校競賽作品中就有“零件三視圖投影儀”和“P-V方程演示作圖儀”，這些作品就不僅僅是機械制作設計，還涉及到液壓控制和PLC控制。因此，在基礎課程教學中，教師應該對其他專業知識有所儲備，并啟發學生如何將機械和控制方法結合起來，進行有關機電一體化設計指導。這種教學方法可以極大拓寬學生的視野，讓學生站在一個廣泛的工程問題角度思考解決問題的可能性和具體方法，同時，也向學生傳遞出重要的信息，就是專業之間從來都是互補和互成，不要只滿足于現有的知識，而要主動的去豐富自己的學習結構，提高了學習的主動性。

3. 教改的成效和發展方向

學科競賽確實使我校學生工程實踐能力得到了極大的提升，學生踴躍報名參與，以及參賽作品的突出表現，都說明了這一點。2014年我校獲得了全國大學生創新設計參賽資格一個，獲得省級大學生機械創新設計大賽一等獎2項，二等獎3項，這是我校歷年來成績最好的一次。這個成績說明了圍繞學科競賽推動基礎課程教學體系的優化改革已經取得初步成效，參賽作品中學生的很多想法和實踐水平讓指導教師們都稱贊，目前準備將其中3個參賽作品直接進行專利申報保護和教具開發應用，直接搬上講臺進行分拆講解。

教改方向可以在三個方面展開：一是，充分利用學科競賽培育平臺，以賽促改，以賽促建，即圍繞當前學科競賽和工程發展的主題，以案例式教學模式，將理論知識點穿插在案例中對學生進行傳授。二是，以解決實際工程問題的方式對知識點進行剖析，引導啟發學生進行思維訓練，培養學生靈活運用知識的能力，將外部知識內化為自己的自覺思維，在不自覺中已經在運用著工程思維方式解決實際的工程問題。三是，競賽不是目的，關鍵是以競賽形式作為學生學習-創新-實踐過程的興趣點，教師引導-啟發-推動式的教學模式無疑會給學生耳目一新的學習感受和學習體驗，為基礎和專業學習打下堅實基礎，實現學科競賽和基礎課程建設的互促 “雙贏”。

參考文獻：

[1]李成. 機械類學生工程實踐與創新競賽能力培養研究. 教育理論與心理學， 2012， 11： 279-280.

[2]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010年-2020年）.

[3]云忠， 王艾倫， 湯曉燕. 基于創新大賽的機械工程拓展型人才培養模式的研究與實踐. 高等教育研究學報， 2010， 33： 172-178.

[4]尹仕， 肖看. 構建大學生多學科競賽體系-培養新型拔尖人才. 實驗技術與管理， 2009， 26（5）： 121-124.

[5]張瑞成， 陳至坤， 王福斌. 學科競賽內容向大學生實踐教學轉化的探討. 實驗室研究， 2010， 27（7）： 130-132.

作者簡介：

廖凱 （1977-），男，博士，副教授，主要從事大學生機械基礎課程和工程訓練教學工作。