機械專業教學中計算思維能力培養探索

汪步云，劉三民，趙森嚴

（1.安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖 241000；2.安徽工程大學計算機與信息學院，蕪湖 241000）

0 引言

計算思維應該是工科學生必備的思維之一，是工科學生職業素養與工程邏輯思考能力重要的培養方向。Jeannette M.Wing對計算思維的定義是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機之廣度的一系列思維活動，同時指出計算思維是每個人應具備的基本技能[1]。因此，計算思維不應該僅屬于計算機專業人才的思維方式，而是每個人都應當具備的一種思維方式，那么培養學生的計算思維能力就不應該只針對計算機專業的學生，而是應該面向理工科的所有專業學生。計算思維概念的提出是對傳統課程教學的一個巨大沖擊，要把計算思維引入到機械專業的教學中來，培養機械專業學生具有計算思維能力更是一項新的挑戰。筆者以《機械設計》這門課作為實踐，探索如何培養機械專業學生的計算思維能力。機械設計是機械專業一門重要的專業基礎課，是機械專業課程的一個重要組成部分，更是培養大學生養成用計算思維方式解決專業問題，成為復合型創新人才的專業基礎性教育課程。但培養機械專業學生具有一定的計算思維能力卻是一項復雜的工程，因為機械專業學生接觸計算機課程的機會比較少，很不利于計算思維的形成，基于傳統的機械教學模式已經不能解決這些問題，這就要求授課教師要探索研究出一套新的教學形式、新的教學內容、新的教學方法來解決這些問題，在平時的教學中有意識培養學生的計算思維能力，提升他們對問題的求解能力，同時必須深入思考如何在教學過程中培養學生的計算思維，讓機械專業學生逐步具備面對問題時自覺的應用計算思維的方法去分析問題和解決問題的能力。

1 傳統教學存在的問題

1.1 教學模式陳舊化

目前，我國高校機械專業的教學模式依然停留在原有的授課方法上，即以課堂講授為主以實驗教學為輔的這種模式，由于機械專業課程的知識內容往往是抽象復雜的，晦澀難懂的，這樣會造成授課教師在講授一個抽象復雜的問題時，學生聽不懂，長此下去學生開始對該課程失去興趣，上課玩手機，更不可能在課下對該課程的作業認真地完成，進而深入思考。由于理論知識不扎實，在實驗課中就不可能較好地完成授課教師布置的實驗任務，課后的實驗報告也只是相互抄襲，對實驗思考題部分不會深入探究，使得實驗課程不具備培養學生具有探索精神的功能。實際上這些現象是機械專業課程教學中存在的普遍問題，不利于學校的教學，更不利于學生計算思維能力的培養。因此，在機械專業教學中必須探索新的教學模式，調動學生的思維，培養他們逐步建立計算思維的體系。

1.2 課程考核內容形式陳舊化

由于原有的教學模式使學生的學習過于被動，學習積極性低下，對知識的理解流于表面。這就導致課程考核的內容及形式以“簡答”、“名詞解釋”、“填空”、“選擇”這些記憶性的題型為主，學生的學習也是以“記憶”為主，限制了學生學習的積極性和主動性。但是機械專業的課程往往是注重設計能力培養，以機械設計這門課為例，該課程是一門主干課程，具有很強的工程實踐性，涉及到機械運動學、機械設計、機器人學。若還是以先前的考核內容對學生進行測試，那么培養的學生是“死板”的，視野狹窄的同時也無法反應課程工程性和實踐性特點。因此，必須設計一套新的考核內容，摒棄原有的“簡答”、“名詞解釋”、“填空”、“選擇”題型，新的考核內容首先應考核學生對基礎理論的掌握，其次借助利用機械專業設計工具如，SolidWorks，Adams等工具實現機構運動與動力學仿真的模擬考核，最后應以項目考核的方式進行。這樣的考核內容既注重了理論又兼顧了實踐，使得學生在學習的過程中必須對遇到的問題進行探索研究，達到了培養學生的計算思維的能力要求。

1.3 教材內容聯系不緊密

目前，機械類在機械設計方面的專業基礎程主要包括《機械原理》、《機械設計》、《精密儀器設計》等，這些課程的相關教材內容專注方向不一致，課程教材之間的聯系性較差。學生對教材知識的學習只是書本方面的認識，與工程實際聯系不夠緊密，缺乏實際工程問題對空間計算與邏輯抽象思維的深層次拔高。例如，《機械原理》中對機構的運動形式，低副高副自由度配置，《機械設計》中四連桿、曲柄滑塊等機構設計缺乏連貫一致的知識梳理，而且這些知識內容比較抽象；圖1是在機械原理或機械設計中對曲柄滑塊機構的典型圖示及其運動分析，對于剛開始學習的學生來說，對其理解是比較困難的，對其約束條件與運動的形成也是不夠清晰的。如果只是按照書本知識點灌輸，學生很難明白其中的知識解決工程問題的本質，不能形成自己的思維，難以形成認識問題到解決問題的能力。因此，必須探索編寫基于計算思維能力培養的教材。

2 計算思維能力培養

2.1 引導式教學

引導式教學目的在于讓學生積極參與教學過程，要求授課教師轉變教學思想，確立學生在課堂的主體地位，將原先的以教師為主體轉變為以學生為主體。引導式教學還必須注重引導學生自覺地探索研究問題，在這一過程中教師的作用只是引導學生學習，結合問題相關理論進行講授，讓學生按照自己的思維去解決問題，使學生經歷從認識問題到思考問題再到解決問題的自主思維過程。在這一過程中學生的對問題的認識度不斷提高，從而能從多方面，多角度以及從更抽象的級別認識、分析、解決問題。引導式教學還要求授課教師在理論基礎的講授時強調理論的應用性，引導學生知道所授理論對實際生產是有指導作用的同時在教學內容上敢于取舍，突出重點，無須面面俱到。因此，引導式教學是著重培養學生思考以及探索研究問題能力，這與計算思維的核心即對學生求解能力的培養是相一致的。

圖1 下肢外骨骼髖關節結構設計-傳統機械設計教學對曲柄滑塊的解釋

圖2 下肢外骨骼機器人機械本體結構設計

2.2 項目式教學

項目式教學是教學模式的一個創新，即把授課教師所擁有的科研項目引入課堂教學，讓學生覺得知識的獲取并不僅僅是來自書本上，而是通過對書本知識的學習達到學以致用，讓學生感覺課本的知識是有用的不是空泛抽象的理論。

筆者在進行教學改革時把其獲批的“下肢外骨骼助力機器人本體結構設計與運動學分析”省科技攻關項目中的一部分引入到《機械設計》這門課的課堂教學來。例如筆者在講授《機械設計》的四連桿機構、高副低副機構、自由度配置、驅動配置等知識點時，傳統做法先給出機構的圖示或抽象出來的運動模型，再介紹受力公式，對公式進行推導證明，很顯然學生當看到一大堆抽象的公式時，學習是非常枯燥，對不利于培養學生們的學習興趣。

例如：相關課程的教材、設計手冊上對曲柄-滑塊機構的解釋，大多數如圖1所示，筆者運用具體的科研項目即安徽省科技攻關“可穿戴型下肢外骨骼助力機器人”引入到課程教學中，結合項目過程中的設計實例，如圖2所示下肢外骨骼助力機器人整體結構設計，圖3所示下肢外骨骼助力機器人關節結構設計；首先通過展示實物樣機設計及匹配人體下肢關節結構的具體要求，讓學生有一個感性認識的過程；通過項目實踐，如外骨骼關節結構設計中液壓缸與機構配置所形成的曲柄滑塊機構，擬人化結構設計對關節運動的自由度分配形式要求，通過實際項目融入知識點介紹給學生，可以極大提高學生的學習興趣，通過實際的工程項目將學生與自己熟悉的機械設計知識點相結合，可以極大提高對相關課程的理解，進而培養他們的計算與空間抽象的思維能力。這也是與計算思維的核心即對學生求解能力的培養是相一致的。

3 結語

培養機械專業學生計算思維能力首先需要充分調動學生認識與實踐的主觀能動性，本文總結了機械專業傳統教學中存在的一些問題，提出了引導式教學、項目式教學等多種教學方式，旨在讓授課教師在課堂教授知識的同時，著重培養學生遇到問題時學會用計算思維的方式去分析問題以及解決問題，為畢業后工作或進一步學習打下一定的基礎。經過長期的實踐，將這些教學方式融合于機械設計教學中去，有效地培養學生的計算思維能力和探究問題的精神，學生的計算思維體系逐步形成，能夠自覺的把這種思維方式應用到其他機械類專業課及非機械類課程中，教學效果較好。

圖3 下肢外骨骼機器人關節結構設計

參考文獻：

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