機械專業教學與科研的三類探索

于大國，杜慧福，王鵬翔

（1.中北大學 機械工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學 德州產業技術研究院，山東 德州 253035）

機械工業是國家的支柱產業，制造業是經濟增長的重要引擎。制造業的發展離不開先進的機械設備，中國從制造大國邁向制造強國需要大批機械專業人才。實現我國制造業戰略目標，仍面臨著各種困難［1］，華為手機芯片制造的困境，僅僅是這種困難的一種。探索機械專業教學以及科研新思路、新方法，提高教學質量和科研水平十分重要［2］。本文主要介紹作者及其團隊為培養機械專業人才、提高科研質量所進行的探索。

一、授課內容與授課方式的探索

教學方面的探索之一是：緊密聯系實際、采用蘇格拉底“助產術”授課［3］。

由于學生長期生活在學校，接觸的實際機械工程很少，教師注重從日常生活中尋找與理論相關的現象，容易引起學生學習的興趣。

“助產術”是思想家蘇格拉底教育年輕人和自己獲得知識的方法。他要求他的學生給出關于問題的答復，當他得到答復時，會進一步問更多的問題，以顯示答復的弱點和不足。通過發問與回答的形式，使問題的討論從具體事例出發，逐步深入，不斷駁倒錯誤意見，最后得到正確的知識。

實例1：從細致觀察自來水流動特點出發，講授流體力學。在“液壓傳動與控制”課程中，一個基礎而重要的知識點是：流動液體的連續性方程。在講授該方程之前，首先讓學生討論自來水的流動，讓學生回答：自來水從水嘴流出后，其橫截面面積是否有變化？如果有變化，從上到下，自來水橫截面面積是變大，還是變小？對這一問題，幾乎所有學生都感興趣，學生會給出三種答案：不變、變小、變大。討論比較熱烈，會出現辯論。多數情況下，學生難以達成一致意見。這時，教師播放自來水流動的視頻，請學生仔細觀察，再重新給出答案。當學生一致認為自來水截面面積從上到下逐漸變小時，讓學生解釋：為什么截面面積從上到下逐漸變?。坎糠謱W生首先能夠認識到：自來水流出時有一個初速度，此后，由于重力作用，具有重力加速度。因此，其流速加快，隨時間不斷變大，同時其截面面積不斷變小。在所有學生接受上述結論后，教師引導學生：流速與截面面積乘積不變。單位時間內，流過不同截面的液體的質量相同。進而得出流動液體連續性方程。

實例2：由教室里最為常用的話筒的傳聲原理，講解電容傳感器。首先提問學生：“話筒為什么能夠傳聲？”然后提問：“電容器是什么？”學生回答：“電容器是兩塊平行的金屬板及位于其中間的電介質薄層?！崩^續提問：“電容的大小取決于哪些因素？”學生答案：“電容與兩塊平行平板的面積、距離、介質有關?！苯Y合教師出示的話筒原理圖，多數學生能夠給出正確的答案：話筒中的電容傳感器，一個平行金屬板在講話聲波的作用下，發生振動，使其與另一個金屬板的相對距離發生變化，改變了電容器電容的大小。因此，其他電參數隨之改變，完成了聲音信號與電信號的轉換。

實例3：讓學生思考：“我們經常見到的樹干、竹竿都是圓柱形的，為什么？”

致力于從常見的現象尋找教學的突破口，采用蘇格拉底“助產術”，由淺入深講解，采用提問式教學有以下作用：（1）調動學生學習的積極性。（2）提高學生的學習能力，利于學生適應時代的變化和知識的快速更新。

二、改善學生薄弱環節的探索

（一）改善學生學習習慣

部分學生未能學好必修的課程，考試不及格；個別學生在考試中作弊；還有學生學習態度很端正，但是考試成績總不如意。

以下是需要提醒學生避免的3種不良學習習慣。

1.急于處理聽課過程中遇到的問題。有些學生提前采購了教材，也按時到課。但他們在聽課時，一遇到不懂的問題，馬上去翻書、去問旁邊的同學。教師的講課沒有停頓，就在他們翻書、問別人的時候，教師已在講新的內容，他們又錯過了新的內容，又會產生新的不理解。有必要提醒學生：在聽課過程中遇到不懂的內容時，可以把它們作為結論先接受下來，繼續聽課，課后再去翻書或問別人。

2.課堂上沒有把注意力聚焦于教師教授的重點內容。有些學生學習很認真，但不善于把握課堂授課的重點。例如，教師在講授機械制圖、機械原理、機械設計、機械制造技術基礎、金屬切削機床、夾具技術、現代深孔加工等內容時，教師會出示機械工程圖紙，圖紙上有大量零部件，教師常常只著重講授其中最重要、最相關的幾個零件，學生在課堂上應把注意力集中于教師講解的內容上。有些學生好奇心強，經常因對教師未講解的零件發生興趣，忽視了教師所講的內容。這類學生的學習熱情、鉆研精神是值得贊賞的，但是，在課后而非課堂鉆研教師未講而個人感興趣的內容，更為合適，這樣更容易通過考試、順利畢業，又能通過課后的學習，拓展知識，甚至取得研究性成果。

3.不注意及時復習。多數學生沒有聽說過“艾賓浩斯遺忘曲線”，不了解大腦記憶的規律［4］。艾賓浩斯研究表明，遺忘在聽課之后立即開始，遺忘的速度是不均勻的，具有先快后慢的特點，最初遺忘速度很快，以后逐漸緩慢，隨著時間的推移，遺忘的速度變得更慢，遺忘的數量更加減少。學得的知識在一天后，如不抓緊復習，大約只剩下原來的25%。按照艾賓浩斯的研究成果，“趁熱打鐵、及時復習”具有極端的重要性，將其與“間隔復習”“循環復習”結合起來具有更好的效果?！胺稚土暋蓖鶅炗凇凹袕土暋?，“反復閱讀結合嘗試背誦”往往優于“單純的重復閱讀”。

（二）避免問題的繁殖

在學習策略方面，除了應避免上述不良學習習慣，還應注意及時解決學習中遇到的問題。部分學生不重視及時解決學習中的問題，結果是“陰天馱稻草——越馱越重”。由于學生容易犯教條主義、絕對主義的錯誤，需要向學生說明：這里的問題主要指涉及基本概念、基本原理、基本方法方面的問題，不是指偏題、怪題。這里所謂的及時解決，不是要求在課堂上立即解決，是在不干擾整體學習計劃的前提下，及早抽出合適的時間加以解決。以下從五個方面闡述及時解決問題這一至關重要的認知策略。

1.筆者提出一個問題繁殖的圖形，如圖1所示。學生在學習的第一個階段存在一個不懂的問題，例如，對教材不理解、不清楚或存在疑點等；如果這個問題未解決，到學習的第二個階段，問題可能繁殖，出現一個以上的問題；到學習的第三個階段可能繁殖得更多，出現更多的問題。

圖1 問題繁殖圖

2.學生應爭取在第一個階段解決問題，這是最容易的，也是效果最好的，善于學習的人都會這樣做，而部分學生缺少對問題的重視和及時解決問題的習慣，要想取得滿意的學習效果是很難的。另外，教師應重視學生的提問，及時答疑，當天三分鐘的答疑可能勝過周末三十分鐘的答疑，勝過期末三個小時的輔導。

3.及時解決問題的前提是及時將問題記錄下來，因此做好標記具有重要作用，通過這些標記將已經理解的內容與不理解的內容區分開來，這樣才能有的放矢，找到學習的真正靶子，取得良好的學習效果。

4.依據前文分析，學生閱讀教材過程中出現的問題，或聽課過程中出現的問題，可能與當時所學章節有關，而在更多情況下來自對以前所學章節內容的較小的錯誤理解。這個較小的錯誤理解，會在后續學習中產生連鎖反應，造成一系列的錯誤和混亂。如果找準產生問題的根源，可以使一系列問題迎刃而解，因此學生要掌握“溫故知新”的學習法則。

（三）改善學生作品質量

研究生、本科生參與科研項目和設計工作，存在一些共同的學術性問題［5］。（1）零件圖常見錯誤有：沒有標明零件的材料；僅標注尺寸公差，忘記標注形狀和位置公差；粗糙度符號的方向存在錯誤；圖上數字、文字字號不統一；技術要求內容不足。（2）裝配圖的常見錯誤有：沒有標注零件的配合要求，標題欄格式正確。（3）技術說明書的常見錯誤有：因為不會使用文檔結構圖，文檔目錄、各級標題層次不清晰。插入說明書中的圖片發生了變形，例如圓變成了橢圓。圖上的數字、文字太小不合適，打印后不易識別。截圖后復制、粘貼的圖片，打印后模糊不清。（4）在學生編制的機械加工工藝卡片中，插圖也會出現變形、模糊、難以識別等不足。

采用以下方法，可減少科研成果的上述學術性問題，提高技術資料的規范化程度和科研水平。（1）教師將學生的常見錯誤，進行全面、系統的歸納總結，打印發放給學生，讓學生學習。（2）除教師檢查技術資料外，組織學生對圖紙、說明書進行自查、互查。（3）對于正式使用的技術資料，要求學生對照各類技術資料規范模版，填寫形式審查記錄表。

三、機械工程科研探索

（一）實驗室與工作室管理的探索

研究室和實驗室很容易出現“臟、亂、差”的狀態。實行7S管理是避免混亂的有效措施［6］。7S管理起源于日本，在多個企業得到成功應用。7S由整理（Seiri）、整頓（Seiton）、清掃（Seiso）、清潔（Seiketsu）、素養（Shitsuke）、安全（Safety）和節約（Save）7個詞的首字母組成。7S現場管理是現代企業文明生產，提高產量、質量，降低成本的有效途徑，也可用于高?？蒲泄ぷ鳌Ｆ鋬群缦?。

1.整理。區分要與不要的物品；將必要與不必要的工作分開。

2.整頓。要用的物品依規定擺放整齊，并有清楚的標示。

3.清掃。維持前2個S所做成的狀態，清除雜物、異物。

4.清潔。將工作場所及物品清洗或擦拭干凈，保持工作場所干凈、亮麗，創造良好的工作環境。

5.素養。努力提高人員的素養，養成遵守規章制度的習慣，這是7S活動的關鍵。沒有人員素質的提高，各項活動都難以順利開展，開展了也難以堅持。所以，7S活動要著眼于提高人員素質。

6.安全。重視安全教育，防患于未然。

7.節約。合理利用時間、空間、物品，發揮最大效能，避免浪費。

（二）科研工作綜合管理探索

為了提高科研質量和效率，還進行以下方面的嘗試。

1.加強文檔管理。筆者2018年發表《大學教師科研教學文檔管理研究》一文［7］，討論了文檔分類數字化的意義、文檔管理制度化的原則、文檔命名統一化的辦法。

2.編寫用于培訓本課題組學生的內部教材。其內容包括：辦事流程，學校信息，物品采購、報賬辦法，等等。

3.開展思想政治與愿景、使命、價值觀教育。師生提高個人修養的方向：多點勤奮，少點懈怠；師生相互體諒、相互支持；約束過分欲望，具有利他思維；勇于承認自己的錯誤和不足；等等。

結語

尋找與科學理論密切相關的事件，以此為出發點授課，能調動學生的學習興趣，進行主動學習。采用蘇格拉底的“助產術”授課，讓學生在啟發下，自己得出結論，可提高學生的學習能力。幫助學生培養良好的學習習慣，并給予認知策略的指導，可以讓學生少走彎路。研究室、實驗室容易出現各種混亂現象，應用7S管理這種先進的企業現場管理方式，能減少混亂。通過編寫內部培訓教材，對研究生進行科研工作規范、流程的教育，能提高人才綜合素質和科研工作質量。筆者團隊在教學、科研方面的上述探索，可供機械及其他工科專業師生參考。