《機械優化設計》課程研究性教學模式的研究

蒿麗萍

(內蒙古廣播電視大學，內蒙古 呼和浩特 010011)

《機械優化設計》課程研究性教學模式的研究

蒿麗萍

(內蒙古廣播電視大學，內蒙古 呼和浩特 010011)

研究性教學是融教學與研究于一體的教學模式，涉及教學內容設計、課堂教學組織、學習資源建設、實踐教學組織和課程考核改革等方面。通過教學模式的研究與實踐，培養學生學科研究思想、學術交流和創新思維能力，使科學研究與教育教學需求相互滲透，為學習者提供自主知識建構的學習支持服務，實現對知識的自主學習和自主建構。

機械優化設計；建構主義；研究性教學；知識建構

一、問題的提出

知識和能力、學習和研究是相互促進的，在課程教學中滲透科學研究的思想和方法，進行研究性教學是高等教育教學改革的重要內容。對于現代遠程教育者來說，這是一個全新的課題。《機械優化設計》是廣播電視大學機械制造及其自動化(本科)專業的統設必修課程，其特點為：涉及數學、機械設計和計算機等多個學科相關知識，課程概念抽象、理論描述多、數學公式多且推導復雜、相關知識及技能發展更新快、理論教學與實踐教學并重，等等[1]。教學中不僅要把理論知識傳授給學生，更重要的是通過課程的教學和實踐，培養學生學習和研究能力，運用所學知識和實驗技能發現問題、思考問題、分析問題和解決問題。傳統教學存在的問題：注重學科知識傳授，以注入式教學為主，把課程內容看成預成的、固定的，忽視了課程內容的生成性和建構性等；缺乏對學生科學研究的訓練和工程思維能力的培養，忽視對學生自主學習、獨立思考、自主探究能力的培養。

筆者根據多年來的教學實踐，從課程教學內容設計、課堂教學組織、學習資源建設、實踐教學組織和課程考核改革等方面進行教學改革與實踐，提出融科研與教學于一體的研究性教學模式[2]。

二、研究性教學模式的理論指導

1．研究性教學理念

研究性教學是依據課程教學大綱和教學目標，通過教與學的過程創設的，類似科學研究的學習情境，通過一系列教學活動培養學生學科研究思想、學術交流和創新思維能力，使科學研究與教育教學需求相互滲透，促進知識積累和能力發展。研究性教學理念可概括為：自主探究的學習方式、溝通與合作的教學過程、信息化和網絡化的教學環境[3]。其設計思想：提供有利于學生自主建構知識的、良好的學習環境，激發學生學習的主動性和積極性，實現對知識的自主學習和自主建構[4]。教學過程應更好地發揮教師“主導”、學生“主體”以及學習資源的支持作用，以科學研究的方法設計課程研究的問題，選擇適宜的教學方法組織教學，幫助學生自主建構知識和發展知識，幫助學生學習和感悟科學研究的思想和方法。

網絡技術的發展為研究性教學提供了技術支撐，為使研究性教學模式順利實施，課程教師建設了課程學習和研究平臺，為學生自主探究學習提供了豐富的學習資源，為學生與教師教學互動提供了開放的學習環境，實現師生、生生間的實時和非實時互動，也將課堂教學延伸到課堂之外，擴大學生探究學習的空間。

2．教學模式的理論指導

研究性教學模式是在建構主義學習理論指導下進行探索和實踐的。建構主義學習理論強調以學生為中心的遠程教育理念，認為學生是知識意義的主動建構者。

建構主義學習理論對研究性教學模式的指導作用：(1)重視探究學習。建構主義強調科學知識是暫時的、主觀的和建構的，知識的正確性和先進性會隨著社會進步和科學技術發展不斷發展、更新，甚至被推翻。因此，不應該把知識作為預定的內容傳授給學生，應由學習者基于自身的經驗背景主動探求和建構。(2)創設真實的學習情境。教學模式設計不僅局限于學科知識的傳播和學習方法、技能的掌握，更應注重學習情境的創設和學生對工程實踐的感性認識。選擇多種教學方法組織教學，如網上主題論壇、課程答疑等。引導學習者進入情境，幫助學生進行知識建構和對問題進行思考和研究，逐步提高創新意識和能力。(3)重視學習資源及環境建設。為學習者提供適合自主學習的數字化教學資源和支持研究性學習的學習平臺，包括課程教學內容、教學信息、參考資料和與教學內容有關的信息資源，還包括大量工程實例以及科研成果，使研究性教學更加貼近現實工程實際。(4)基于知識專題和科研探究進行教學設計。以知識專題、問題為導向進行教學設計，采用啟發式教學引導學生探索問題和分析問題，指導學生利用科學研究和創造性思維的方法進行學習，引導學生把學習收獲轉化為解決問題的思路和能力。(5)教學和科研相融合。根據教學進度，適時將當前機械設計學科的最新研究成果以及教師的研究成果置入教學內容中，使學生感知課程知識對科學研究的促進關系，使教學與科研相融合。

三、研究性教學模式設計與實踐

基于網絡的研究性教學模式如圖1所示。

圖1 《機械優化設計》課程研究性教學模式

1.教學設計

(1)教學內容設計。研究性教學應保障知識傳授的主體地位，重點是教學方法的改革,注重知識的生成過程和應用過程，把握知識點的獨立性、關聯性和應用性。根據課程教學目標和課程特點，科學合理選擇和組織教學內容是教學模式的頂層設計[5]。研究性教學模式的教學內容組織，打破以往按課程章節順序開展教學活動的慣例，根據學生學習能力和知識層次的差異，將教學內容分為多個層級，即基礎理論知識學習、工程實踐能力培養和研究能力提高等，由淺入深地提出一系列問題以及知識專題，通過知識專題教學以及問題的研究、分析和解決，進行課程教學內容的講授。本課程教學內容包括優化設計基本概述和基本理論、優化設計涉及的數學基礎、無約束多維問題的最優化方法、約束問題的最優化方法、多目標函數的最優化方法、優化設計數學模型、優化設計實例，等等[6]。

(2)知識專題設計。根據課程教學內容確定了五個知識專題：優化設計基本概念、優化設計方法、優化設計數學模型、優化設計軟件在機械優化設計中的應用、機械優化設計實例。

(3)探究問題提出。根據知識專題提出五個探究問題：優化設計在機械設計中的應用、常用算法的特點及其能解決的工程問題、約束優化與非約束優化的關聯、工程實際中多目標優化設計實例、優化設計工具MATLAB的特點及使用等，根據教學進度進一步細化為若干個子問題進行討論和分析。

2.課堂教學

(1)教學方法選擇。通過與科學研究相似的教學過程，使學生學習和體驗科學探究方法，拓展思考問題的深度和廣度。本課程主要采用的教學方法：第一，問題驅動教學法[7]。針對知識專題設計一系列啟發式問題，通過問題的提出、分析和解答，揭示課程知識的內在聯系。第二，案例教學法。通過案例選擇、分析和總結等，提高學生對學科知識的感性認識。首先，案例選擇，選擇與教學內容密切相關或學生熟悉的工程設計項目作為案例。筆者以近年科研課題和收集整理的知名專家研究成果作為案例進行教學，如：2012年科研課題“三級斜齒圓柱齒輪減速器優化設計”。其次，案例分析和討論，引導學生分析、理解案例的設計條件、設計要求，以及優化設計涉及到的知識點，鼓勵學生積極參與討論，并提出個人見解。對案例分析和討論進行歸納和總結，指導學生進行目標函數的建立、確定設計變量，指導學生使用MATLAB進行優化設計，分析優化設計結果。最后，案例總結，使學生由感性的、零散的分析上升到理性的、完整的認識。第三，理論教學與實踐教學相結合教學法。實踐教學貫穿課程教學全過程，通過實踐促進理論知識的深度理解和掌握。第四，探究教學法。引導學生依據教學目標，自主確定研究主題(小設計或大作業)，運用科學研究方法，通過多維互動，使學生主動探究問題，建構性地獲取知識和技能的發展。

(2)混合式教學。研究性教學并不是取締課堂教學，它強調課堂教學方法的改革，既把專業基礎知識系統地傳授給學生，又能培養學生掌握科學研究方法和思想、進行自主學習和自我管理。開放教育研究性教學過程是基于網絡環境的多媒體教學、課堂面授、網上互動教學和學生自主學習相結合的混合式教學模式。

第一，多媒體教學。多媒體教學是研究性教學的主要手段，多媒體教學不僅實現了課程知識的直覺思維與邏輯思維的相互結合，還實現了知識的主動建構。利用機械設計過程和機械產品運動過程的場景實錄、模擬和仿真等課件，使一些概念抽象且難懂的知識、傳統教學中無法展示的工程現象變得直觀且形象。教學中，教師充分發揮多媒體教學形式多樣、信息量大的優勢，正確選擇教學媒體，科學處理教學媒體與教學內容、教學媒體與教學過程的相互關系，提高了教學效率，增強了學生的學習興趣，收到良好的教學效果。

第二，課堂面授。課程根據知識專題安排了五次面授教學。教學中，開門見山地提出每節課的知識專題、需要解決的問題和教學目標；采用啟發式、問題式教學方法進行重難點講授，講清思路、講清概念，盡量避免公式推導和微觀抽象概念的講授，適時引入案例對教學內容進行豐富和補充，使學生對理論知識和問題理解更加深刻；對本節課進行小結，提出下節課探究的問題，啟發學生課下思考和討論。

第三，網上互動教學。一是開展網上主題討論，培養學生的發散思維和主動獲取知識的能力。根據課程知識專題，設計了五個討論主題并提出具體要求，各討論主題既相互獨立又相互關聯。在此基礎上，引導學生與教師進行討論，每次主題討論結束，教師均進行認真總結，并將相關內容上傳教學平臺。二是互動教學。教師將教學中提煉出的共性問題發布在課程論壇中，在師生討論的基礎上，教師對一些難點、熱點問題進行講解和答疑。通過互動，教師了解學習者的學習效果和存在問題，及時調整教學策略。三是協作學習。在教師的指導下，由多個學習者基于網絡共同完成某個學習內容或個案學習。

第四，自主學習。學生利用網絡平臺和多媒體教學資源，清晰地了解課程的教學內容、考核方式和學習方法等，制訂適合自己的自主學習計劃，并進行自主學習。

3.學習資源建設

學習資源建設是研究性教學開展的重要支撐，應充分考慮學習主體的多元性和學習需求的多樣性，開發多樣化、可選擇的學習資源，以適應不同學習需求和知識起點的學習者自主學習的需求。本課程學習資源包括數字化學習資源和網絡學習平臺兩部分。

(1)數字化學習資源。包括文本資源、多媒體資源和教學案例。其中，文本資源包括課程說明、教學大綱、教學實施方案等教學指導性文件，還包括課程重難點講授、共性問題答疑等輔助學習材料；多媒體資源包括網絡課程、CAI課件、VOD視頻和微課程等。教師將教學實踐活動中總結出來的案例、科研成果以及收集整理的知名專家科研成果等上傳教學平臺。

(2)網絡學習平臺。網絡學習平臺承載著海量數字化學習資源傳輸和大規模在線學習。為了跟蹤學科研究前沿和便于師生交流，該教學平臺還設有學術動態和師生互動兩個模塊。教師通過網絡教學平臺，動態建設學習資源、組織網上教學活動，把課堂教學延伸到某一工程應用案例或問題中。學生通過網絡平臺進行自主學習和自我管理。

4.實踐教學

《機械優化設計》是一門實踐性較強的課程，通過實踐教學可以加深對本課程理論知識的理解，培養學生運用優化設計方法解決工程實際問題。本課程實踐教學包括三部分：一是開放性生產實訓。學生到工程技術單位參與技術人員設計項目，或配合教師完成機械設計科研項目，通過生產實訓，使學生了解機械產品優化設計過程，培養學生動手能力。二是課程實驗。課程實驗是本課程最主要的實踐教學環節，實驗內容的深度和難度循序漸進。課程實驗分必做、選做兩部分。必做實驗是教學大綱規定的實驗項目，主要是基礎實驗和驗證性實驗；選做實驗是為拓展學生知識面，鍛煉學生工程設計能力設計和提出的實驗，主要是探究性、設計性和綜合性實驗。三是課程設計(大作業)。綜合運用課程理論知識，科學制定設計方案，正確處理實驗數據、編程和調程、獨立解決工程實際問題。通過課程設計，使學生得到運用所學知識解決工程技術問題的訓練。

5.課程考核

《機械優化設計》課程理論知識多、概念抽象、公式多且推導復雜，大部分學生感覺本課程難度大、很難通過考試。自2012年以來，筆者根據多年的教學實踐對課程考核方式進行了改革，加大對學生知識理解及應用能力的考核。新的考核模式由終結考核和形成性考核兩部分構成[8]，各部分比例為7∶3。其中，終結考試采用半開卷形式，考前給學生發一張專用草稿紙，通過自主學習，學生把自己認為比較重要的公式、概念寫在紙上，帶到考場，學生不用花費大量的時間背公式、記概念，將主要精力放在對課程理論知識的理解、應用所學知識分析問題和解決問題上；形成性考核包括平時作業、課程設計、上機實驗和平時成績四部分，各部分比例3∶2∶3∶2。平時作業考核學生是否按教學進度進行自主學習；課程設計，開課前布置1-2個機械優化小設計，學生根據教學進度逐步完成，結課時提交；上機實驗考核學生實驗能力和水平；平時成績考核學生出勤情況和平時表現，等等。

6.教學評價

(1)學生評價。第一，學習效果評價。對學生理論知識掌握情況和工程實踐動手能力進行評價。理論知識掌握情況通過作業完成情況、終結考試成績和基于課程教學平臺的在線測試等進行評價。工程實踐能力評價通過學生實踐動手能力、課程設計能力及水平等進行綜合評價。第二，學習過程評價。通過教學平臺的“學生學習過程統計”模塊對學生學習資源使用情況、網上教學參與情況等進行監控、評價和反饋。第三，學生自我管理。根據上述評價，學習者進行自我管理和調整。

(2)教師評價。根據教學日志、網上教學平臺相關信息等對教師教學資源建設、互動教學組織與管理等進行全面、綜合性評價，教師根據評價信息，及時進行教學策略調整。

實踐證明，研究性教學模式促進了學習者對學習內容的深刻理解與掌握，使學生主動感知和探究課程相關知識和技能，收到了良好的教學效果。與2011年相比，2012年本課程期末考試平均成績提高2.3分、2013年提高3.5分，而且畢業設計中學生動手能力、分析和解決問題能力明顯提高。

四、結束語

《機械優化設計》研究性教學模式將科學研究方法和思想融入課程教學中，充分發揮教師的主導作用和學生的主體地位，使學生通過與科學研究相似的教學活動，提高對本課程學習的積極性和主動性，使學生逐步形成觀察問題、提出問題、分析問題和解決問題的思路，實現知識和能力的互動發展。

[1]武照云，劉曉霞，等.《機械優化設計》課程教學研究與改革[J].機械管理開發,2011(1):190-191.

[2]馬履中,楊啟志，等.“機械優化設計”課程教學改革[J].江蘇大學學報(高教研究版),2003(4):95-97．

[3]許曉東,卞良.本科工程教育研究性教學探索與實踐 [J].高等工程教育研究,2014(2):43-47.

[4]屈波,程哲，等.基于自主性學習和研究性教學的本科教學模式的研究與實踐[J].中國高教研究,2011(4):85-87.

[5]王林軍,吳海華.機械優化設計雙語教學的研究與實踐[J].中國電力教育,2013(4):104-107.

[6]劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社,1994:65-135.

[7]劉子建,趙翠，等.“機械CAD技術”課程研究性教學探討[J].中國大學教學,2010(1):46-48.

[8]彎艷玲,叢茜.教學與科研相結合研究型教學體系構建與實踐[J].長春理工大學學報,2013(4):222-224.

ResearchonInquiryTeachingModeloftheCourseMechanicalOptimizationDesign

HAO Liping

(Inner Mongolia Radio & TV University, Hohhot, Inner Mongolia 010011, China)

Inquiry teaching model integrates research and teaching into one, involving teaching content design, organization of classroom teaching and learning resources construction, reform of practice teaching organization and course examination. Students’ disciplinary research, academic exchange and innovative thinking ability can be cultivated by means of the research and practice of teaching mode, making mutual penetration of scientific research and education teaching needs, providing learning support services for learners based on independent knowledge construction, realizing the autonomous learning for knowledge and independent construction.

mechanical optimization design; constructivism; inquiry teaching; knowledge construction

2014-10-11

蒿麗萍(1960-)，女，內蒙古呼和浩特人，副教授，主要從事遠程教育、計算機教學研究。

G642

A

1008-469X(2014)06-0081-04