基于創意實驗實踐實驗教學的創新教育

王聰慧+羅彥茹+趙大威+盧秀泉

摘要：以激發學生的探索激情、培養學生的綜合設計和創造性思維能力為目標，基于“慧魚創意組合模型實驗”構建了研究性實驗教學新模式。該模式借助網絡平臺，克服學時限制，通過設置貼合工程實際的設計任務，驅動學生主動、創造性地完成實驗作品前期準備、設計方案實施和結果整理的研究性學習全過程。新模式實踐效果較好，適合面向更多學生推廣。

關鍵詞：實驗;創新;教學模式

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）42-0229-02

一、引言

當今世界，科技創新是提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，是驅動國家發展的核心動力，為此十八大報告明確提出實施創新驅動發展的戰略。創新離不開創新型人才，創新型人才兼具知識面寬、理論基礎扎實、實踐能力強、綜合素質高、創造性思維活躍、團隊意識強等特質[1]。高等工程教育對于培養創新型人才的重大任務責無旁貸。

二、現階段創新人才培養方面存在的問題

基于創新性人才培養的目標，近10多年來高等工科院校教學改革如火如荼地進行著，并已經取得了令人欣慰的成果。比如，學科發展兼顧深度和廣度，開設跨學科公選課程拓寬學生的知識面，開設專業性強的選修課程為精英學生提高專業素養提供機會;充分認識到實踐教學在培養學生創新能力方面的重要作用[2]，配合理論教學的實驗、課程設計、實習等實踐環節在教學中的比重不斷提高;各類以服務社會為宗旨的科技類競賽層出不窮，促使學生從簡單的模仿與重復的學習方式向理論聯系實際，注重工程能力養成的學習方式轉變等等。

盡管各大工科院校的教學改革成果斐然，但若要實現創新型工程人才的培養目標，教學改革在很多方面仍需不斷深化。比如，盡管為了培養學生的工程意識和理論聯系實際的能力，實踐環節比重增加，實驗課時數增多，但實驗教學內容多數仍為匹配少數甚至是單一知識點的驗證性實驗，綜合設計型實驗比例少，難以全面鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的綜合能力;在為數不多綜合設計型實驗的教學過程中，學生往往只需按照實驗要求和操作提示完成實驗，實驗過程沒有給學生提供自由思考、發揮、創造的機會，只單純地鍛煉了學生的動手能力，卻仍然未能增強學生的創新意識，促成學生創新性思維模式的形成，提高學生創新性解決問題的能力[3]。

為充分發揮實驗教學在培養學生創新能力方面的重要作用，我校從2002年開始，面向機械類大二本科生開設了“慧魚創意組合模型”綜合實驗項目。該實驗項目設立之初旨在通過利用德國慧魚公司開發的慧魚系列產品教具創意組合、搭接出實現一定功能的完整機械系統模型的過程，使學生熟悉機械系統概念，掌握機械系統運動方案設計方法，鍛煉學生綜合設計能力，提高學生創新意識和創新能力。該創意實驗已開設10余年，然而受6學時學時數的限制，實驗教學過程一直圍繞著范例式教學開展。即學生往往只是從參考手冊中選取一個機械模型，按手冊給出的步驟搭接、調試完成。整個實驗過程只是在簡單的模仿中獲取相應的技術知識，未能體現出創意實驗開設的真正意圖，沒能充分立足學生，充分激發學生思考、學習和設計熱情，沒能全面鍛煉學生的綜合設計能力，沒有提供給學生創新創意機會，提高學生的創新能力更是無從談起。

三、以創新能力培養為目標的實驗教學新模式構建

1.“慧魚創意模型組合實驗”簡介。慧魚創意組合模型是由德國慧魚公司開發的工程技術類智趣拼接模型，部件采用優質尼龍塑膠制造，主要包括機械構件、各類傳感器、微型電機、氣動元件等。工業燕尾槽的專利設計，使得各部件能夠任意組合、反復拆裝，隨心所欲搭接實現特定功能的機械系統模型。并可以利用計算機和控制軟件，通過接口板實現對機械系統的自動控制。該模型是展示機械系統運動方案和設計原理的理想教具，是運動方案創意設計的便捷驗證手段，為創新教育和創新實驗提供了最佳的載體。為充分發揮該實驗在提高學生研究性學習能力和綜合設計能力，增強學生的創新意識和創新能力方面的優勢，克服原有實驗教學模式的不足，自2013起開始構建以學生為主，教師為輔，項任務驅動的研究性實驗教學新模式，并面向學生進行試驗性實施和逐步推廣。新教學模式以激發學生探索激情、提高學生研究性學習和創新性實踐能力為目標，在明確實驗任務是設計、搭接和運行符合主題要求的機械系統模型的前提下，促使學生自主且有計劃地進行作品前期準備、設計方案實施和結果整理，最終由教師給出成績評定結果。整個實驗過程強化學生的主體地位，教師只起輔助引導作用。

2.實驗教學新模式實施。（1）作品前期準備：這是整個實驗過程最核心、最關鍵的一步，卻不占用分配的實驗學時，需在正式進入實驗室之前完成。學生從已建設好的實驗課程網站中獲取實驗任務、主題，了解作品要求和成績評定方法、準則，下載需自學的相關知識的文檔和視頻資料。學生自由成組，建議4～6人，確定設計主題，貼近工程實際設定功能要求，自行查閱參考資料、討論功能實現原理，發散思維，綜合運用和拓展各學科知識，創造新方案，也可對現有方案進行合理科學地改進，初步完成機械系統的運動方案設計，繪制出系統運動方案草圖。（2）設計方案實施：正式進入實驗室，領取慧魚組件，按設計方案進行模型搭接、程序編制和系統調試，在此過程中不斷修改、完善初始設計，及時捕捉創意性想法，實踐檢驗其可行性和合理性，完成系統運行演示，確定機械系統的最終運動方案。（3）整理設計資料，撰寫實驗報告并提交。實驗報告中需詳細陳述作品的設計背景、功能、原理、運動方案、創新點、成果和應用意義。

3.教師輔助工作。為保證實驗過程每一環節的順利實施，實驗指導教師須在相應環節做足準備工作，包括：建設實驗課程網站。將實驗任務、主題、實施前準備內容、作品要求、成績評定方法和準則以及范例參考等在網站上公布，網站上同時提供自學內容下載，充分利用網絡平臺克服實驗學時限制。開學初，理論課教師要提示學生到課程網站上了解實驗相關內容，尤其是實驗任務、主題和作品要求，下載并學習需自學的相關文件。設計作品主題。作品主題設計是實驗能否順利實施的關鍵問題之一，既要結合我校的學科優勢（如工程機械、裝備制造、汽車構造、仿生機械等），又要貼合工程實際，兼顧實驗面向機械工程類學生的適應性，同時還要考慮學時限制。利用《機械原理》課堂教學（30分鐘之內），教師或參加過創新大賽的學生進行基本技能講解（包括搭接模型和軟件編程）和主題作品準備輔導，引導學生貼近工程實際發現和分析問題，創新性解決問題，幫助學生對初步設計的機械系統運動方案進行可行性分析。關注項目實施過程，及時啟發學生進行創意性思考。如搭接挖掘機工作裝置，學生設計方案時通過自由度計算確定需要3個原動件，這時可以啟發學生用2個能不能實現挖掘功能？工作性能差別在哪里？這一過程對啟發學生的創新思維，提高學生的創新能力十分重要。指導教師對實驗作品進行成績評定，需綜合考慮作品的完成情況、創新性、實驗報告的撰寫情況和學生個體在作品設計、實施和調試過程中的參與情況，最終給出每個學生的實驗成績。

4.實驗教學新模式實踐效果。實驗教學新模式首先在機械工程專業的卓越班中進行了實踐，圖1為學生作品示例。

完成本實驗后，學生普遍反映熟悉了機械系統運動方案設計的全過程，理解了機電一體化系統的內涵，了解了自己知識結構中的不足之處，深刻認識到創新在產品設計中的重要性，是應用所學理論知識解決工程問題的一次有效實踐，是一次從大量信息中提取有用信息，并進行發散性思考、升華、演化成創意性設計的有益嘗試，同時深刻意識到團隊合作、分工協調的重要性。

四、結束語

從上述論述可以看出，基于“慧魚創意組合模型實驗”構建的研究性實驗教學新模式，真正突出了學生在實踐過程中的主體地位，通過明確的貼合工程實際的設計任務驅動學生積極主動地完成從資料信息收集、創意構思、運動方案設計、可行性分析、方案實施到結果整理的研究性學習全過程。激發了學生的探索激情，培養了學生的綜合設計能力，啟發了學生的創新思維，增強了學生的創新意識，實踐效果較好，適合推廣，使更多學生受益。

參考文獻：

[1]楊洪濤，張新.慧魚模型在機電類創新型人才培養中的應用[J].科技信息，2010，（20）：420-422.

[2]張仕娥，繆蕓蕓.機械工程類學生創新教育調查與探析[J].江蘇科技大學學報：社會科學版，2006，6（4）：101-104.

[3]陳國松.我國重點大學本科工程教育實踐教學改革研究[D].武漢：華中科技大學，2012：7-9.endprint