基于項目驅動的研究性教學
——機械創新設計課程的教學改革

張莉彥 張有忱 伍先安 雷 文 汪曉男

北京化工大學機電工程學院 北京 100029

20世紀60年代美國哈佛大學的心理學教授、世界著名教育學家布魯納完善了“發現學習(discovery learning)”的教育理論?！鞍l現學習”是指通過激發學生的好奇心，學生作為主體運用直覺思維和豐富的想象，獲取大量的知識。在此基礎上發展成了今天的研究性教學(research learning)，研究性教學就是指在教學過程中，設計一種類似科學研究的氛圍和途徑，例如：項目研究、問題討論、案例分析等，讓學生主動地進行探索、體驗、研究、發現，然后對信息進行收集、對現象進行分析和判斷。通過研究應用知識解決問題，從而達到開闊思路、培養創新思維、提高創造能力和實踐能力的目的[1]。

1 已有基礎及存在問題

1.1 已有基礎

創新是一個國家前進的動力，只有創新，才有發展。創新能力、創新人才的重要性已得到充分認識。蘇聯著名創新理論的奠基人阿奇舒勒說過：“既然人們能被培養成為醫生或音樂家，那么也能被訓練得具有創新性；一定存在常用的基本工具和原理，每個人都能學習它們，以提高自身的創造力和創新性?！盵2]這正是我們開設機械創新設計課程的目的。

我校自1998年開設機械創新設計課程，內容主要分為兩大部分，先通過生動的實例講述各種創新思維及創新技法；然后針對機械設計過程的不同階段，研究不同的創新方法的實施與應用，包括：方案設計的創新、機構的創新、結構的創新等。本課程的教學目標不僅是傳授知識與技能，更主要是在發現問題、解決問題中，激發學生的創新意識、拓寬思路，達到培養創新能力及工程實踐能力的目的。可以看出這門課程實踐性很強，如果只是通過傳統的課堂講授的方式，很難取得很好的效果。本課程的建設始終都是按照研究性教學的思路在進行，在課堂教學中采用了案例教學等方法，結合專業及科研項目設計案例，學生通過查閱資料，小組分析討論，寫出報告。另外結合實驗及課外科技活動建立了創新實驗室，實驗室為學生提供了一些在創新實踐中所需要的小型設備、工具及常用的零部件，如連桿、齒輪、凸輪、軸等。在此學生展開了豐富的想象力、創造力，自己動手設計并制作出一個又一個的創新作品，也在機械創新設計大賽、挑戰杯等賽事中取得了很好的成績。本課程也在2007年獲得了北京市精品課程。

1.2 存在問題

本課程是面向機電學院開設，人數很多，受各種條件限制，只能采用大班課程，因此課堂討論、案例教學等效果都很受影響，另外所選案例大部分為經典案例，重復性較高，學生參與感與積極性降低。

課程與課外科技活動及各種創新競賽沒能很好結合，沒有起到很好的相互促進作用。面對各種科技創新競賽，基本是學生憑熱情參加，教師靠義務指導，經常是報名很踴躍，遇到困難無從下手，最后不了了之。

為此我們提出了將機械創新設計課程的教學與相關的科技競賽緊密結合，增加小班討論課，以競賽題目作為項目驅動，有興趣、想投入的學生自愿報名，組隊參加項目研究。這樣可以做到提高學生的參與積極性，為不同層次的學生提供多樣的學習機會，最大限度地挖掘學生自身的能動性，培養其分析問題、解決問題的能力及發明創造能力。

2 研究性教學的設計與實施

科技競賽是吸引學生投身于創新研究，將所學知識應用于實踐，培養具有實踐創新能力人才的有效載體[3]。“全國大學生機械創新設計大賽”是教育部主持的重要賽事之一，每兩年一屆，舉辦的目的在于引導高等學校在教學中注重培養大學生的創新設計意識、綜合設計能力與團隊協作精神?！叭珖髮W生工程訓練綜合能力競賽”也是教育部高等教育司發文舉辦的全國性大學生科技創新實踐競賽活動。這些活動已經連續舉辦了多屆，得到學校、學院的大力支持，希望學生能夠積極參與，因此我們就以這兩個競賽項目作為研究項目，展開研究性教學。

2.1 總體設計

機械創新設計課程總學時32，受限于教師資源等問題，主要采用大班課堂教學形式30學時，2學時實驗。此次教改增加小班研討課4次，每次4學時左右，以組為單位自由報名，具體安排如表1所示。

表1 研討課安排

研討課由多名專長不同的教師共同參與指導，這樣能夠發揮每個教師的優勢，另外大大提高了指導效率。實際上每組學生遇到的問題經常是相似的，在解決問題的過程中能夠相互啟發，同時受益。研討課的形式可以多種多樣，可以在教室按組討論，在小黑板上以簡單圖表展示；也可以在實驗室，針對樣機，現場分析。

2.2 科學指導

第七屆全國大學生機械創新設計大賽(2016年)的主題為“服務社會—高效、便利、個性化”；內容為“錢幣的分類、清點、整理機械裝置；不同材質、形狀和尺寸商品的包裝機械裝置；商品載運及助力機械裝置”。參賽學生需根據主題內容自選題目，題目的創新性十分重要。首先將大賽主題通報學生，組織動員學生查閱資料、市場調查、深入研究，然后在第一次討論課上，各組學生以各種創新技法，尋找創新點，確定參賽題目。其中一組學生，以載運助力機械為主題，應用卡片式集智法確定參賽題目[4]。小組5名學生在自己的卡片上寫出3個創意，然后傳閱，每人看到他人的創意后，完善或提出新的創意，經過4次傳閱后，每個學生都與在另外4個學生的創意相互激勵，得到了30幾個創意，最后經過篩選確定為“自裝卸快遞兩輪手推車”，該題目的創新點是：自動夾持搬上搬下貨物，省時省力；可根據貨物大小改變夾持范圍。

全國大學生工程訓練綜合能力競賽的題目為“無碳小車”，學生仔細查閱資料，分析之前作品的優缺點，建立了無碳小車的形態矩陣(見表2)，通過對所得方案進行詳細評價，得到最優方案。

表2 無碳小車的形態矩陣

2.3 考核與評價

參加項目研究討論課的學生，可以申請免期末考試，實行面向過程的考核與評價。面向過程的評價不只是對已成事實的檢驗，而且是變成促進學習的工具，評價標準見表3。評價體系起著重要的導向作用，本評價體系有3個特點：(1)為了鼓勵學生的積極參與和質疑精神，在評價指標中增加了質疑提問的項目；(2)為了提高學生的參與積極性，評價由教師和學生共同完成，教師占70%，學生互評占30%；(3)為了避免組內平均主義，按照貢獻大小每個學生可以有不同的權重系數，這由同組學生討論決定。

表3 評價指標

3 收獲與總結

此次研究性教學試點已完成了三屆，每屆參加人數30人左右，學生普遍反映良好，雖然花費了更多的時間，但是收獲很大。

首先，學生學會了完成一個項目的方法，從文獻查閱、市場調研到方案設計、創新，再到仿真模擬、詳細設計計算，最后加工制作、裝配調試。其次，學生有意識地在各個環節應用創新技法，培養了其創新能力，將學過的知識融會貫通，用來解決工程實際問題，在實踐中得以應用、總結、提升；再次，學生在團隊合作、與人溝通、資料準備及成果展示等多方面都得到了很大的鍛煉。最后，學生在各種學科競賽中取得了很好的成績。自2014年以來，機械創新設計大賽共獲得國家級二等獎1項，北京市一等獎3項，北京市二等獎7項，北京市三等獎3項；大學生工程訓練綜合能力大賽共獲國家級二等獎1項，北京市一等獎1項，北京市二等獎8項，北京市三等獎6項。

參考文獻

[1]張莉彥,張有忱.以學生為主體的研究性教學的探索與實施[J].天津工業大學學報,2014,6(33):205-207.

[2]根里奇?阿奇舒勒.創新算法[M].譚培波,茹海燕,譯.武漢:華中科技大學出版社,2008.

[3]李寧.科技競賽培養大學生創新能力研究[D].湘潭:湖南科技大學,2013.

[4]張有忱,張莉彥.機械創新設計[M].北京:清華大學出版社,2011.