系列課程體系下以問題為基礎的“機械設計”模塊化教學

王順 賈艷輝 柴博森

摘? ?要：目前工科大學“機械設計”課程基本上仍使用灌輸式教學，存在課堂氣氛沉悶、枯燥乏味、學習積極性低、教學效果差等一系列問題。文章探討了在系列課程體系下以問題為基礎的模塊化教學在“機械設計”課程中的應用問題。以機械工程本科生培養目標為出發點，把“機械設計”放在整個培養體系中改革教學模式。通過對新、舊知識的劃分，將課程內容模塊化。設計反映各模塊教學核心的問題，引導學生以探究問題答案方式，運用先修課程知識學習新知識，激發學習主動性，減少課堂講授。

關鍵詞：機械設計;以問題為基礎;模塊化;系列課程

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）01-0016-03

一、引言

“機械設計”課程的目標是培養工科本科生掌握通用機械零部件設計知識、方法和一般規律，并具備設計簡單機械的能力。在整個培養體系中，“機械設計”是機械工程專業本科生入門課程之一，是起到承前啟后作用的十分重要的專業技術基礎課。多年以來，人們不斷嘗試將各種教學方法應用到課程教學中[1-2]，使本課程教學不斷進步，跟上時代發展的步伐。

以問題為基礎的教學方法首先在醫學教育中廣泛應用[3-4]，后被推廣到健康教育、商業和法律教育等領域。國內在工程教育領域雖有應用[5-6]，但仍然存在問題設置、學生學習習慣、師資條件和教學管理等方面的一些問題[7]。主要原因在于，該方法產生于西方文化背景下的教育實踐，文化差異使得該方法顯得有些 “水土不服”，應用效果并不理想。以問題為基礎的學習方法，通過讓學生合作解決問題來學習隱含于問題背后的科學知識， 達到知識傳授、學習的目的。而且，能夠培養學生解決問題的技能，并形成自主學習的習慣，是一種主動的學習方式。該教學方法對教師和學生的要求都比傳統教學模式高。例如，學生要有較強的多渠道獲取信息的能力;要有較強的交流、合作和一定的綜合分析能力;教師要有廣博的知識，以及對課程有更高層次、更透徹的理解。

模塊化教學法產生于20世紀70年代，在歐美已經突破職業教育領域得到廣泛應用[8-9]。模塊化教學是將所講授內容分成若干個模塊，通過一個主線將各個模塊有機組合在一起的方法。每個模塊可以是一個或幾個知識點，或者是一門課程，也可以是多門課程。模塊化教學方法的鮮明特點是化繁為簡，即將一個龐雜的系統按照一定的方法或邏輯關系人為分割成若干個相對獨立的單元模塊。每個模塊的內容簡單、明晰，易于學生理解掌握。“機械設計”課程是典型多學科交叉應用型課程，模塊化教學模式有利于學生充分理解不同學科之間的區別與聯系，學會如何解決多學科融合交叉問題。

目前，我國以問題為基礎教學法的應用還處于探索階段[10]，模塊化的“機械設計”課程教學鮮有報道[11]。筆者認為，任何課程的教學模式改革都必須首先了解并明確課程的特點、性質，以及其在整個培養體系中的地位和作用，才會有正確的方向。“機械設計”課程的教學模式改革還要考慮我國目前機械行業乃至整個工業的生產方式、水平和方向等一些事關時代發展的大問題。

本文首先分析了”機械設計”課程教學中存在的一些現象，闡明解決這些問題的思路方法。提出以問題為基礎的“機械設計”課程模塊化教學模式，以及改革步驟和內容。重點強調了課程改革應該放在整個機械工程本科生培養體系下進行，適當引入相關學科最新發展成果，才會產生良好的效果。

二、教學模式改革的提出

以設計適合于工程使用的安全可靠的通用機械零部件為目的的“機械設計”課程，是涉及數學、力學、材料、電子、摩擦學、工程制圖等眾多學科知識交叉的專業應用技術基礎課程。由于先修課程知識的遺忘、零部件工程應用背景缺乏、灌輸式教學等，學生大都對課程感到繁雜、難、枯燥乏味等，許多學生學習主動性差，課堂沉悶，甚至逃課現象時有發生。切實改革教學模式，研究符合教學內容、適合現代學生特點、能夠吸引學生主動學習的教學模式，是“機械設計”教學改革的首要任務，也是提高教育教學質量，培養適應社會發展與國際化背景下，具備交流、合作、綜合分析能力的 “新工科”人才的必由之路。

近些年隨著信息網絡技術的不斷發展，信息化、網絡化、人工智能和大數據逐漸走進社會生產和人們生活的各個領域，其影響范圍越來越廣。目前，我國工業生產方式和人們生活正處于向自動化、網絡化和智能化轉型的過渡階段，課程教學內容和方法應充分利用相關技術發展成果以適應社會和工業發展，這是課程改革需要面對的首要問題。另外，學生對知識的獲取變得愈發容易，渠道也呈現多樣化趨勢，知識的學習不再僅限于課堂上教師的傳授，學生們更希望擁有越來越形象化的個性化的多元化的學習方式。這些變化給傳統灌輸式教學提出了挑戰，也為課程模式改革提供了良好的外部條件和動力。開展能夠切合課程特點、緊跟時代、符合我國實際的 “機械設計”教學模式已顯得越來越迫切。

三、教學模式改革的主要步驟與內容

實現以問題為基礎的模塊化“機械設計”教學模式，首先將課程內容按照先修課程知識、同時修課程知識和本課程新知識進行劃分，再將本課程知識根據內容類別進一步劃分模塊。將每一模塊根據教學重點和改革思路，設定一個或多個問題。用模塊化的核心問題將教學內容貫穿，通過對問題求解，引導學生主動學習。主要包括如下6個步驟：確定課程內容主線;重新梳理與分類課程內容;調研先修課程和同時修課程;教學內容的模塊化構建;模塊問題的設計和擬定;實踐互動，完善教學模式。

確定課程內容主線。依托培養體系和目標，明確“機械設計”課程的地位和性質，確定教學內容的中心主題，且應貫穿整個教學始終，并在教學實踐中不斷強化。“機械設計”屬于專業技術基礎課，課程教學旨在培養學生如何利用先修課程知識解決通用零部件的設計問題。同時，向學生傳授機械設計行業的一些基本概念和方法。因此，教學內容應在一定工程背景下展開，教學模式的基本思路是從工程應用中提煉科學或技術問題，用理論知識解決工程設計問題。重新梳理與分類課程內容。根據“機械設計”課程的主線、教學內容及其要求，對課程中的先修課程內容、同時修課程和本課程新內容三大類進行劃分，然后對每一類內容具體涉及的學科知識再進行總結歸類。這些工作是為后面的模塊化及問題擬定設計奠定基礎。調研先修課程和同時修課程。調研與本課程相關的先修和同時修課程內容與教學要求，為本課程內容的分類梳理提供基礎和依據。主要調研課程包括高等數學、線性代數、工程圖學、理論力學、材料力學、機械原理和工程材料等。教學內容的模塊化構建。圍繞課程中心主題，將每一個通用零部件的教學內容按照結構介紹、失效形式、材料選用、設計計算、工程應用的順序劃分為若干模塊。各模塊的知識既相對獨立，每個模塊體現了不同學科課程知識，學生復習時可以根據需要隨意選擇模塊進行復習，又相互關聯，都是課程中心主線的節點。一般地，模塊之間的關系是知識學習的先后順序關系。模塊問題的設計和擬定。以教學大綱中教學基本內容和基本要求，以及涉及的先修課程、同時修課程和本課程的教學基本要求為依據，對分好的每個模塊都設計一個或者幾個能夠更好地理解和應用“機械設計”課程中知識點的問題。設定的問題可以是學生先修課程中為學習本課程新知識做準備的內容，或者是同時修課程中的新知識，或者是“機械設計”課程中的新知識，抑或是來源于工程實際。實踐互動，完善教學模式。在課堂教學實踐中，根據模塊問題的類型和性質，將問題課前或課后布置給學生，或者課中通過互動環節，完成模塊內容授課、解答。對于布置的問題，學生以個人或者小組形式在課前或課后完成解答，可以組成小組在課堂上講解討論，教師和其他學生補充、提問和評論。學生對教學模式各個環節的反饋意見是完善教學模式非常重要的一部分，使教學模式形成一個完整的良好的閉環結構。互動環節可以通過建立實時通信機制或調查問卷等形式實現，及時獲取來自學生的信息，尤其要聽取他們對模塊教學重點、問題擬定的建議。教師在教學過程中要及時總結，提出修改完善教學模式意見，在本課程組的教學會議上討論確定最終方案。

本文提出的教學模式在以下兩個方面非常關鍵：一個是構建模塊的依據。采用科學合理、符合課程內容特點、適合學生學習的方法構建教學內容模塊是整個教學模式成功的基礎。一般地，“機械設計”課程除緒論、機械強度及摩擦學等基礎知識外，通用零部件部分所講授內容的教學思路大體相同，模塊化方法也都趨于一致。模塊內容涉及知識不可過多過廣，以利于具體明確問題的提出。但模塊也不要過小，以免使知識學習零散化、碎片化，導致擬定問題重點不突出，不利于學生有效學習，無法體現模塊化教學的優點。另一個是問題設計擬定。每一模塊的問題擬定是影響教學模式質量和效果的關鍵，直接關系到能夠激發學生興趣乃至教學內容掌握情況。問題設計擬定一般遵循如下原則。

1.問題小、具體且明確，難度適中。小而明確的問題有助于學生對定義概念等的理解，便于抓住重點，特別是新學知識模塊的問題，更要具備這個特點。問題可以是來自先修課程調研總結的與本門課程相關的知識、教師教學總結以及工程實踐總結等。對這些問題的探索解答，主要通過網絡媒體、實驗室和圖書館等方式實現，大部分學生都能夠通過簡短的回答完成。

2.體現模塊核心內容及教學要求。設定的問題不能偏離課程教學主線以及教學大綱基本要求，即緊緊把握通用零部件設計的理論、方法及應用這一主題設計模塊問題。否則，學生無法通過問題有效學會新知識和新方法，甚至會誤導他們。學生能夠解答問題，意味著掌握了該模塊的教學內容，達到了教學大綱的基本要求。

3.一部分問題應涉及先修課程知識。運用先修課程知識解決學習中的問題，從而學到新知識，不但能激發學生的學習興趣，培養學科交叉融合應用能力，還有助于學生理解本專業各門課程在整個培養體系中的相互關系、地位和作用。關于先修課程知識的問題要側重于反應與本課程密切相關的知識點。例如，高等數學中微積分、力學分析、工程制圖標注等方面的知識。

4.適當體現最新設計方法和理念。教師通過不斷的學習和科研實踐，了解本學科和相關學科的最新發展，提煉出與課程教學密切相關的知識和應用，融合到教學實踐中，讓學生體會到本課程能夠緊跟時代科技發展步伐。比如，在設計方法方面，可以引入可靠性設計概念，與“機械設計”課程中的設計方法進行對比;多參數的設計計算引導學生懂得，機械設計應該是一個不斷優化的過程。

四、結語

為適應科技和社會的不斷發展進步，工科大學“機械設計”課程的教學模式亟待改變傳統的灌輸式被動學習模式，轉為以問題為基礎的主動式教學。本文提出的基于系列課程體系下以問題為基礎的模塊化教學方法，使得課程知識脈絡更加清晰明朗、教與學的目標更明確，問題導向使學生學習主動性更強。當然，這也對教師的綜合素質和學生的自學能力提出了更高的要求。特別是給教學管理和教師課堂教學的把控與引導帶來了不小的難度。教師應綜合考慮個人素質、專業特點、學生水平以及教學條件等因素，合理運用教學方法，才能收到良好的課堂教學效果。

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