機械產(chǎn)品設計學專業(yè)課教學中科學素質教育的研究與實踐

曹鵬彬 湯旭青 肖敏

摘要：科學素質是大學生綜合素質的重要組成部分。本文結合《機械產(chǎn)品設計學》的課程內容和教學目標，在引導學生學習和掌握機械產(chǎn)品設計一般知識、技能和方法的同時，也結合專業(yè)教學開展了生動的科學素質教育。

關鍵詞：科學素質教育；機械產(chǎn)品設計；專業(yè)課教學；科學思想方法；科學精神

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0090-04

大學生不僅要掌握必要的科學技術知識，而且要掌握科學方法、樹立科學思想、崇尚科學精神。科學素質是大學生綜合素質的重要體現(xiàn)之一。科學素質不僅包含了科學知識和科學方法的學習、理解和應用，還包含人生觀、價值觀和現(xiàn)代道德倫理內容。提高科學素質，旨在幫助人們應用科學處理實際問題，并在處理與他人、與環(huán)境的關系時，能夠運用科學的概念、方法、技術和價值進行抉擇[1]。科學素質教育是指以科學精神為核心，知識、思想、方法和精神四個層次有機結合的綜合培養(yǎng)[2]。為此，高校教師在傳授知識的同時，應該有目的地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，進行包括科學知識、科學思維、科學方法和和科學精神等方面的全方位科學素質教育。專業(yè)教學是高等教育的重要組成部分，結合專業(yè)課課堂教學、培養(yǎng)學生科學素質是提高大學生科學素質的重要途徑。事實上，每一專業(yè)課程中不但蘊含豐富的專業(yè)思想，也蘊含著豐富的素質教育素材[3]。作為專業(yè)教師，應該在課程教學過程中融合科學素質教育的內容，主動挖掘科學素質教育素材，打破傳統(tǒng)的單純傳授專業(yè)科學知識的局限[4]。本文結合《機械產(chǎn)品設計學》的課程教學，開展了專業(yè)課教學中科學素質教育的研究與實踐。通過創(chuàng)新教學設計，改革教學方法，潛移默化地融合科學精神與人文精神，在引導學生學習和掌握機械產(chǎn)品設計一般知識、技能和方法的同時，也使學生受到了科學思想方法的訓練以及科學精神和價值觀的熏陶，提高了教學質量，取得了更好的教學效果。

一、《機械產(chǎn)品設計學》課程說明及科學素質教育的動因

1.課程說明。《機械產(chǎn)品設計學》是我校“機械設計制造及其自動化”專業(yè)的一門專業(yè)課。該課程將《機械設計學》[5]作為主要教材，整合了《機械設計方法學》[6]的部分內容，以“產(chǎn)品”為研究對象，以“功能設計”、“結構設計”和“創(chuàng)新設計”為核心內容，其目的是使學生掌握產(chǎn)品設計的基本方法、促進設計過程中機械制圖、力學以及機械設計、制造等方面基礎知識的綜合運用，啟發(fā)創(chuàng)造性，訓練和培養(yǎng)學生的機械產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力。“功能設計”是《機械產(chǎn)品設計學》的核心內容之一，也是教學重點與難點，它要求學生學會運用“功能”的觀點來看待產(chǎn)品，對產(chǎn)品進行功能分析。然而學生對于功能分析比較陌生，他們往往習慣于對機械產(chǎn)品進行結構分析和結構設計。因此在教學過程中，需要多方面探索，加強“功能原理設計”教學內容，注重培養(yǎng)學生的“功能”觀點，改變學生只重視產(chǎn)品“結構”、忽視“功能”和不習慣對產(chǎn)品進行“功能思考”的現(xiàn)狀，強化“功能設計”方面的訓練。

2.科學素質教育的動因。《機械產(chǎn)品設計學》涉及到許多關于機械產(chǎn)品設計的方法，如系統(tǒng)工程方法、產(chǎn)品設計的一般進程、解決問題的邏輯步驟、黑箱法、功能分解、物場分析法、技術矛盾分析法等。學習和掌握機械產(chǎn)品設計的一般性、通用方法是課程的主要教學目標之一。然而，這些方法理論性較強，在學習過程中，學生往往感到比較枯燥、不容易理解，從而影響學習效果。實際上，《機械產(chǎn)品設計學》課程中講述的關于機械產(chǎn)品設計的方法，不僅是指導機械產(chǎn)品設計活動的有效方法，還可以幫助我們正確、科學地思考問題、分析問題和解決問題，從而指導日常生活、學習、工作中一些問題的有效解決。因此，如果將機械產(chǎn)品設計中的一些問題及其設計方法，映射為日常生活、學習、工作中的有關問題與解決方法，進行類比講解，將科學與人文相融合，教學內容會更加豐富、充實和生動，學生也會豁然開朗，促進所學知識的理解、掌握和實際應用。與此同時，學生也在潛移默化中學會了舉一反三、觸類旁通，并能夠在今后的日常生活、學習、工作中，自覺地運用機械產(chǎn)品設計的相關科學思想方法去思考、分析和解決問題。由此可見，《機械產(chǎn)品設計學》課程為結合專業(yè)課教學、培養(yǎng)學生的科學思想方法提供了豐沃的土壤。設計的本質是革新和創(chuàng)造。機械產(chǎn)品設計中必須突出“創(chuàng)新”的原則，通過直覺、推理、組合等途徑，探求創(chuàng)新的原理方案和結構，做到有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進。此外，機械產(chǎn)品設計是一項十分復雜的工作，也是一項嚴肅的科學活動，需要一絲不茍的求實精神。因此，教師在《機械產(chǎn)品設計學》的教學過程中，有責任和義務有意識地結合教學內容進行科學精神教育，注重啟迪學生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新精神，同時向學生強調做事、做學問必須本著嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的科學作風，培養(yǎng)學生對待科學工作和科學研究一絲不茍的求實精神。綜上所述，結合《機械產(chǎn)品設計學》專業(yè)課教學，對學生進行科學思想方法的訓練以及科學精神和價值觀的熏陶，是對大學生進行全方位科學素質教育的良好途徑。

二、培養(yǎng)學生的科學思想方法

在《機械產(chǎn)品設計學》這門課中，學生將學習和掌握很多有關機械產(chǎn)品設計的基本、一般性、通用方法。在教學過程中，本課程教師注意結合教學內容，有意識地將機械產(chǎn)品設計方法的相關知識上升到觀點、精神、方法、思想的層次上，在培養(yǎng)和提高學生產(chǎn)品設計能力的同時，也使學生受到科學思想方法的訓練，從而使學生在專業(yè)學習的過程中潛移默化地接受到科學素質教育，學會學習，并將一些方法自覺用于思考、分析和解決日常生活、學習、工作中的有關問題。下文結合系統(tǒng)工程思想方法和功能分解這兩個教學內容，介紹本課程教師如何通過專業(yè)教學與科學素質教育的融合來提升大學生的科學素質。

1.系統(tǒng)工程的思想和方法。為了使學生能夠正確、全面地理解“設計”，同時也促進學生更好地開展機械產(chǎn)品設計活動，課程教學一開始就從多個角度向學生闡釋講解“設計的基本內涵”。設計活動是一項系統(tǒng)工程，這是設計的基本內涵之一。然而對于“系統(tǒng)工程”，機械專業(yè)的學生并不了解。于是，我們進行了如下的延伸教學：首先，介紹了系統(tǒng)工程的概念，說明它是以大規(guī)模復雜系統(tǒng)為對象的一門交叉學科，而大規(guī)模復雜系統(tǒng)由許多相互作用、相互依賴、關系密切的子系統(tǒng)所組成。其次，舉例說明載人航天工程、登月工程等都是典型的系統(tǒng)工程。再次，說明系統(tǒng)工程思想的核心是整體觀念，就是要用系統(tǒng)的方法研究系統(tǒng)的對象，立足整體，統(tǒng)籌全局，全面規(guī)劃，協(xié)調處理，使系統(tǒng)的總體與部分之間、部分之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間達到辯證統(tǒng)一。然后，強調產(chǎn)品設計，尤其是大規(guī)模復雜產(chǎn)品設計，需要以系統(tǒng)工程思想和方法作為指導，這樣才能處理好產(chǎn)品局部與整體之間的關系，通過協(xié)調配合實現(xiàn)整體最優(yōu)，并有利于綜合考慮產(chǎn)品全生命周期的各個環(huán)節(jié)以及人（產(chǎn)品使用者）-機（產(chǎn)品）-環(huán)境的大系統(tǒng)關系。接著，說明系統(tǒng)工程方法是一種現(xiàn)代的科學決策方法，也是一門基本的決策技術，可以幫助我們科學、全面地分析和處理問題，也能夠有效指導解決日常生活、學習、工作中遇到的一些問題。例如，考研是高年級大學生面臨的一個重大現(xiàn)實問題，專業(yè)教師應該積極加以引導。事實上，考研的準備及其整個過程涉及到方方面面，完全就是一項系統(tǒng)工程。因此，可以引導學生有意識地運用系統(tǒng)工程的思想和方法進行分析、決策和實施，對整個考研活動進行全局規(guī)劃，對各方面需要解決的問題和矛盾進行協(xié)調考慮和處理，從而幫助學生順利、成功地完成考研。最后，借助講解閃耀著系統(tǒng)工程思想的杰出典范——都江堰水利工程，讓學生在人文知識的學習中進一步體會系統(tǒng)工程的思想和方法。

2.由“功能分解”學會“任務分解”。“功能設計”是《機械產(chǎn)品設計學》的核心內容之一，也是教學重點與難點。所謂“功能設計”是指“功能原理設計”，包括“功能分析”和“工作原理設計”兩個方面。“功能分解”是“功能分析”的重要內容，是指由產(chǎn)品的總功能分解得到各個分功能。“功能樹”表示了總功能的分解情況，是描述產(chǎn)品的總功能、分功能以及對總功能進行逐層分解的一種圖形工具，它既體現(xiàn)了功能分解的過程，也是功能分解的結果。因此，“功能分解”這一教學內容的講解和學習是圍繞“功能樹”進行的。教學過程中，“功能樹”的教學從什么是功能樹（What）、為什么要對總功能進行功能分解得到功能樹（Why）以及如何進行功能分解（How）這三個方面逐步展開。對于“功能樹”的“What”方面，除了相關定義、概念的講授外，重點是通過類比，講解功能樹中“上級功能”和“下級功能”之間“目的”和“手段”的關系，使學生能夠輕松理解和很好地把握“功能樹”的概念，在幫助學生學會看懂“功能樹”的同時，也啟發(fā)了功能分解的思路。在講解“Why”的時候，首先從“抽象和具體”、“復雜和簡單”的關系出發(fā)，向學生說明：功能分解是將產(chǎn)品抽象的總功能逐步具體化的過程，從而使得產(chǎn)品的功能易于實現(xiàn)；并且通過功能分解得到的各個分功能，其復雜程度相比總功能小得多，更容易實現(xiàn)。其次，通過舉例，進一步說明功能分解的目的和意義，也讓學生在直觀講解中更好地理解。最后，說明“功能分解是設計過程從抽象到具體的一種體現(xiàn)”，讓學生更好地理解設計過程和進行產(chǎn)品設計。“功能分解”既是教學重點，也是難點。為此，在“How”的教學中，為了幫助學生適應和逐步習慣“功能思考”方式，掌握功能分解的方法，并能夠靈活運用，我們反復向學生強調掌握分解思路的重要性，也非常重視思路、方法的啟發(fā)教學，并注意多種教學方法的綜合運用。例如，通過各種典型功能分解的案例分析，歸納總結出4條思路，幫助學生根據(jù)不同產(chǎn)品的特點，按照一定的邏輯步驟完成分解工作；通過大量案例教學，引導學生熟練掌握功能分解方法。此外，在“how”的教學中，注意采用師生互動的教學方法，調動學生的積極性，提高學習熱情。首先，布置開放式作業(yè)，選取學生比較熟悉的產(chǎn)品對象和日常生活中的小家電產(chǎn)品，如減速器、吸塵器、榨汁機、咖啡壺、加濕器等，讓學生進行功能分析，畫出功能樹，并了解和分析產(chǎn)品的工作原理。然后，鼓勵學生制作PPT和走上講臺，以PPT的形式對作業(yè)進行匯報，并組織同學們一起討論。在匯報、討論的過程中，教師注意捕捉學生思維中的閃光點，對于新穎、巧妙的解答方案及時鼓勵。設計問題不同于計算問題，具有多解性，沒有標準答案。開放式作業(yè)可以促進學生開動腦筋、積極思考，通過查閱資料、產(chǎn)品拆裝、咨詢討論等多種途徑探求解答方案，通過自主學習、探究學習和趣味學習，進一步鞏固掌握所學的知識、方法，提高產(chǎn)品設計與分析的能力。教學過程中，學生們普遍反映，開放式作業(yè)和匯報、討論的師生互動教學激發(fā)了他們學習的主動性和積極性，也為他們提供了自我展示的機會，各方面能力得到了綜合鍛煉。“功能分解”是將抽象、復雜的總功能逐層分解得到具體、簡單的各個分功能，從而使產(chǎn)品的功能更容易實現(xiàn)，其思想實際上體現(xiàn)了“任務分解”的思想：對于一個復雜問題，直接對它進行求解往往很困難，一個通常的辦法是先將原來的任務進行逐層分解，得到多個相對簡單、具體的子任務，然后對這些子任務進行求解，從而完成對原來復雜問題的求解。由此，在教學過程中，教師會很自然地由“功能分解”聯(lián)想和引出“任務分解”，并引導學生運用“任務分解”的思想、方法分析和解決日常生活、學習、工作中的一些復雜問題。例如，考研不僅是一項系統(tǒng)工程，也是一項十分復雜的重大任務，如果同學們在對考研進行全局規(guī)劃的基礎上，利用“任務分解”的思想，將考研任務逐層分解為若干個子任務，然后各個擊破，考研過程將會更加科學、有序。從上述“功能分解”知識點的教學過程中可以看出，教師十分注意思路、方法的分析、歸納和引導，同時也注意將知識上升到觀點、精神、方法、思想的層次上，從而結合專業(yè)教學，很好地對學生實施了科學素質教育。

三、提升學生的科學精神

科學精神是指由科學性質所決定并貫穿于科學活動之中的基本的精神狀態(tài)和思維方式，是體現(xiàn)在科學知識中的思想或理念。科學精神的提升不僅能夠幫助大學生培養(yǎng)正確的科學觀，與此同時也影響著大學生的世界觀、人生觀、價值觀。事實上，科學精神和人文精神是有機融合、相互滲透的。結合專業(yè)教學，以人文知識、人文精神為橋梁，讓學生體會和感受科學精神、受到熏陶，是提升學生科學精神的良好途徑。創(chuàng)新是機械產(chǎn)品設計的本質要求，而嚴謹求實、一絲不茍則是設計者所必須具備的科學態(tài)度和科學作風，其二者都是科學精神的重要體現(xiàn)。下文以創(chuàng)新精神和嚴謹求實精神為例，介紹本課程教師在《機械產(chǎn)品設計學》的教學過程中，如何有目的地結合教學內容，適當引入學生感興趣的人文知識，使學生通過人文精神和科學精神的有機融合，在開闊眼界、豐富知識、陶冶情操的同時，體會和感受科學精神并進行自我提升。

1.培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。“創(chuàng)新設計”是《機械產(chǎn)品設計學》的核心內容之一，而啟發(fā)創(chuàng)造性、訓練和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力是課程的重要教學目標。圍繞“創(chuàng)新設計”的相關教學內容，本課程教師在教學過程中注意深入淺出、循序漸進，專業(yè)教學與創(chuàng)新教育融為一體。首先，從設計內涵出發(fā)，說明“設計的本質是革新與創(chuàng)造”，讓學生認識到創(chuàng)新在機械產(chǎn)品設計中的地位和重要性。其次，講解考慮產(chǎn)品的不同屬性（包括功能、原理方案、結構、外觀等），從不同的角度和方面進行創(chuàng)新設計，并強調功能創(chuàng)新、工作原理創(chuàng)新，這是產(chǎn)品創(chuàng)新的根本所在。鑒于學生對“功能原理”以及“功能原理創(chuàng)新”的教學內容比較陌生，在對比分析講解了激光加工機床和金屬切削機床的工作原理之后，梳理分析講解了火車和打印機功能原理的演進過程，接著對各種鐘表、顯示設備的不同功能原理進行發(fā)散、分析，從而在生動活潑的趣味講解中，引導學生更好地理解和鞏固掌握“功能原理”的概念，同時啟發(fā)思維，開闊思路。然后，結合典型創(chuàng)新設計案例的分析，對創(chuàng)新思維特點、創(chuàng)造性思維方法、創(chuàng)造技法等進行講解，讓學生對創(chuàng)新設計的有關知識、原理、方法、思想獲得整體、全面的了解和認識，同時通過案例分析法，深入淺出、虛實結合，讓學生對理性的知識、思想、方法獲得直觀、感性的認識，提高講授效果。最后，補充講解全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽的相關內容。通過介紹歷屆大賽的主題、內容以及比賽程序，使學生對全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽有比較全面的了解和認識，便于學生為參加比賽做好相應的準備工作。此外，選取部分獲獎優(yōu)秀設計作品，分析其設計目的、工作原理、設計方案、功能及特點、主要創(chuàng)新點，并播放作品演示的視頻錄像，從而使學生獲得對機械創(chuàng)新設計的感性認識，消除對創(chuàng)新設計的神秘感，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新熱情，同時在一定程度上為學生的機械創(chuàng)新設計活動提供啟發(fā)思路。創(chuàng)新教育的目的是提高學生的創(chuàng)新素質，使他們能夠打破常規(guī)、突破傳統(tǒng)，具有敏銳的洞察力、直覺力、豐富的想象力、預測力和捕捉機會的能力等等，從而使思維具有一種超前性、變通性。科學家的故事可以幫助人們了解科學家的成長經(jīng)歷和科學研究以及科學發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的過程，從中學習科學家的科學思維方法，感受和學習科學家的情感、品德和價值觀，受到鼓舞。在“創(chuàng)新設計”教學過程中，結合相關教學內容，和學生一起分享科學家的故事，這是結合創(chuàng)新設計專業(yè)教學開展創(chuàng)新教育、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神的重要途徑。為此，我們在授課過程中穿插講解了許多科學家關于創(chuàng)新的故事。例如，分享德國科學家魏格納的個人經(jīng)歷，以及他面對世界地圖，通過奇妙聯(lián)想提出了著名的“大陸漂移學說”，幫助學生認識和重視聯(lián)想、想象等感性思維對于創(chuàng)新的重要性。分享了富蘭克林揭示雷電秘密、發(fā)明避雷針的過程以及著名的“費城實驗”，讓學生認識到強烈的好奇心和濃厚的興趣對于創(chuàng)新的巨大推動力，感性地了解到通過聯(lián)想、推想、假設、實驗、驗證等一系列步驟進行發(fā)明、創(chuàng)造的創(chuàng)新思維方法和過程，強烈感受到科學家不畏艱難、勇于探索、執(zhí)著追求真理的科學精神，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情和創(chuàng)新意識。又例如，iPhone、iPad等是風靡全球的電子產(chǎn)品，也深受大學生喜愛。于是分享了美國蘋果公司創(chuàng)始人、前首席執(zhí)行官斯蒂夫·喬布斯這位貼上“創(chuàng)新”標簽的傳奇人物的人生經(jīng)歷，展示了他給現(xiàn)代通訊、娛樂、生活方式等帶來的深刻改變，并通過他對世界的貢獻以及世人對他的評價，讓學生強烈認識到喬布斯擁有的那種全人類共同珍視和稀缺的財富：“創(chuàng)新精神和富有想象力的心靈”，由此激發(fā)、鼓勵學生的創(chuàng)新。

2.培養(yǎng)嚴謹求實精神。機械產(chǎn)品設計需要創(chuàng)新精神，也需要嚴謹求實、一絲不茍則的科學態(tài)度和科學作風。為了強調產(chǎn)品設計是一項復雜而嚴肅的科學活動，引導學生重視養(yǎng)成優(yōu)良的科學習慣、培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學精神，給學生講解了“蝴蝶效應”（The Butterfly Effect）。通過“蝴蝶效應”這一種混沌現(xiàn)象，學生不僅接觸到了新的科學知識、理論，而且更加直觀地理解和認識到機械產(chǎn)品設計需要遵循一定的科學步驟和方法，同時也存在不可測的“變數(shù)”。這個“變數(shù)”可能來自一個微小的設計失誤而引發(fā)的蝴蝶效應，從而可能導致不可挽回的設計錯誤，產(chǎn)生嚴重的后果，造成徹底的設計失敗。為了說明設計失誤可能造成的嚴重后果，進一步分享了一個關于加拿大魁北克大橋的真實故事。由于計算有誤，魁北克大橋在施工過程中發(fā)生過2次倒塌，造成80多人喪生。在大橋竣工后，加拿大的七大工程學院從此每年都給從工程系畢業(yè)的學生發(fā)一枚戒指，作為對每個工程師的一種警示，這就是在工程界聞名的“工程師之戒”（Iron Ring）。這個真實的故事，無疑給每一位同學進行了一次生動的科學精神教育，讓他們懂得嚴謹求實的重要性，從而以嚴肅認真、一絲不茍的態(tài)度和精神科學對待今后的機械產(chǎn)品設計工作。

教師的職責不僅僅是“傳道、授業(yè)、解惑”，還要開發(fā)學生的潛能，注意培養(yǎng)、提高學生的綜合素質與能力。專業(yè)課程中不但蘊含豐富的專業(yè)思想，也蘊含著豐富的素質教育素材。科學素質是大學生綜合素質的重要組成部分。根據(jù)《機械產(chǎn)品設計學》的課程內容、教學目標以及學生實際情況，課程教師積極思考和開展教學改革，主動挖掘素質教育素材，創(chuàng)新教學設計，精心組織，把對學生的科學素質教育融入到日常的課堂教學中去，在提高學生的科學素質和綜合能力的同時，也提高了教學效果和教學質量。通過《機械產(chǎn)品設計學》專業(yè)課教學中科學素質教育的研究與實踐，教師們更好地抓住了本課程的本質與精髓，課堂更加生動活潑，教師自己也充分體會了“教書又育人”的成就感。

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