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工学结合的理论与实践一体化课程的涵义与特征
工学结合的理论与实践一体化课程是将理论学习和实践学习结合成一体的课程,它的核心特征是“理论学习与实践学习相结合;促进学生认知能力发展和建立职业认同感相结合;科学性与实用性相结合,符合职业能力发展规律与遵循技术、社会规范相结合;学校教育与企业实践相结合”,学生通过对技术(或服务)工作的任务、过程和环境所进行的整体化感悟和反思,实现知识与技能、过程与方法、情感与价值观学习的统一。职业教育工学结合一体化课程的特点,概括为一句话就是“在工学结合的课程中,学习的内容是工作,通过工作实现学习”。即工作和学习是一体化的。
工学结合的理论与实践一体化课程改革与实践
1.以职业活动分析为基础,提炼岗位典型工作任务,明确课程目标
学校组织调查小组,实地走访了全市多个工业园区的对口企业,涉及机床制造、汽车整车生产、汽车零部件制造、饮料生产、机械零部件生产、电梯制造等20多家制造类企业,了解数控技术专业人员岗位典型工作流程、工作任务及岗位要求。在调研过程中,召开了实践专家研讨会,听取了企业专家、技术能手、往届毕业生和实习生的意见及建议。确定数控技术专业人员的典型工作任务主要有:机械工程图绘制与识读、计算机绘图、使用普通机床加工零件、使用数控机床加工零件、零件质量检测、机械零件工艺规程制定、机械装配、机械设备维护维修、机械产品设计、企业经营管理等。其中机械产品设计、机械设备维护维修、机械装配等对应课程“机械设计基础”。根据各典型工作任务的难易程度及相关性,整合归纳专业行动领域,再进一步转化为学习领域课程。
由此明确课程目标为:“使学生具有一定的机械设计及创新能力,具有机械设备安装与维护的能力。同时掌握构件的受力分析与强度计算,常用机构与传动的应用、设计与计算,常用机械部件的拆装与维护,以及典型机械系统的使用与维护知识。为学生后续专业课的学习及机械类产品的设计、制造、检测和维护等奠定基础。”
2. 以典型工作任务为依据,设计学习情境,确定学习任务
学习情境是在典型工作任务基础上,由教师设计用于学习的“情形”和“环境”,是对典型工作任务进行“教学化”处理的结果。在分析了数控技术专业学生应具备的专业能力要求的基础上,设计了“简易起重吊车构件的静力分析与尺寸确定”“牛头刨床机械传动系统分析”“ 单级直齿圆柱齿轮减速器主要零部件的设计与选用”和“机械装调”4个学习情境。学生通过对实际结构中构件强度的计算、真实机床传动机构和传动装置的观测与分析,基于构件尺寸确定、撰写机构分析报告和设计选用减速器各主要零部件的工作过程展开学习,改变了过去与任务相脱离、单纯学习知识的课程模式,循序渐进地引导学生掌握日后从事机械类工作应具备的与岗位工作相适应的综合知识和技能,达到强化学生职业能力培养的目的。
学习情境设计的重点,是设计与表述能够反映这一学习情境的学习任务。学习任务是用于学习的工作任务,全称为“工作与学习任务”,即“用来学习的工作任务,学习的内容是工作和通过工作完成的学习任务”,又称为“学习性任务”。学习任务是职业院校能实现的学习与工作任务,是学习领域课程的基本教学单元。本课程将4个学习情境具体化为22个学习性任务,如“单级直齿圆柱齿轮减速器主要零部件的设计与选用”这一学习情境就划分为齿轮传动设计、轴的设计、键连接的选用、轴承的选用、联轴器的选用、螺纹连接的选用等6个学习性任务。
3.以学习情境为出发点,设计课业,编写课业文本
课业是根据学习情境设计的、学生在教师指导下或自主完成的综合性学习任务,是学习情境的物质化表现。它帮助学生在学习新知识技能的同时获得关键能力,特别是与自我发展最紧密的学习能力。课业需要专门的文本文件来表达,主要包括针对教师的“课业设计方案”和针对学生的“学习材料”,简称“学材”。
“课业设计方案”是教师进行教学设计与教学实施的指导性文件,是工学结合一体化课程中采用的新型教案,主要包括学习任务、学习目标、学习内容、教学资源、教学组织与教学方法、教学流程和评价方式等。
“学材”是广义的教学材料的重要组成部分,也称为“工作页”。与传统的教科书相比,它是用于“直接帮助学生学习”的教学材料。“工作页”常以引导问题的形式出现,因此也被称为“引导课文”。它应从学生的工作和生活经验出发,激发学生学习的积极性;引发学生产生问题和疑问,促进学生思考和反思;突出学生的职业活动,让学生通过在工作情境中的经验性学习,构建自己的知识体系。例如,在“牛头刨床连杆机构分析”这一任务中,可从学生们熟悉的牛头刨床切削工件的过程入手,让学生观察切削速度和退刀速度是否相同,激发学生的学习兴趣;学生很容易观察出刨刀慢速切削、快速返回这一运动特点,自然会产生疑问:这是什么特性?是如何产生的?继而设置一系列引导问题:什么样的机构会产生这种特性?速度的差异和哪些因素有关?此连杆机构的传力性能怎样?如何保证机构具有良好的传力性能?让学生藉此来学习新的知识、制定计划、完成任务,并对获得的工作成果和经历的工作过程进行总结和反思;学生通过真实的机构分析过程,构建自己的有关连杆机构特性的知识体系,在获得专业知识的同时,体验工作世界,形成职业的认同感,并通过拓展学习“根据运动要求设计一连杆机构”来扩大学生的知识面。
4.以学生为主体,采用任务驱动、教学做一体化的教学模式
学习任务以“工作任务单”的形式下达,学生在“工作页”的引导和教师指导下,自学、思考、查阅资料、收集信息、调研分析、制定计划,小组协同工作,完成工作任务,提交工作成果。每项工作任务按照资讯、计划、决策、实施、检查、评估6个步骤完成。在完成具体工作任务的过程中,让学生掌握基本的方式方法,训练学生的基本设计技能和操作技能,学生始终处于教学过程的主体地位,学习的主动性积极性较高,学习效果较好。
采用“教、学、做”一体化教学。教:教会学生静力分析和强度计算、常用机构、机械传动及通用零部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。学:让学生真正学到常用机构、机械传动等基本理论和失效形式及设计方法,掌握通用零部件的正确选用方法。做:让学生真正动手,进行简单的机械机构分析和零部件设计、装配,掌握简单传动机构及传动装置的工作性能、维修和保养知识。
学生通过任务完成过程寻求解决问题的方法,自主学习相关知识;讨论工作任务,学会与人合作,培养动手能力、职业素质和创新能力;通过汇报、答辩、演示等方式,进一步巩固所学知识,培养组织表达能力等。教师对学生完成的任务进行总结与点评,肯定成绩、找出存在的问题及解决的方法,让学生在学习的过程中体会成就感。
5.以过程控制的理念,对学生进行综合评价,突出能力本位考核
考核重点放在对学生的职业能力综合评价上,考核方式采用过程考核(70%)与期末理论考核(30%)相结合的方式,综合考核学生的知识运用能力、综合能力。其中过程考核分为平时考核与单元考核,平时考核依据平时成绩评定标准,按平时表现、出勤、作业情况进行考核,占20%;单元考核,依据单元考核评价标准,按学生完成每个学习性工作任务情况进行考核,最后计算平均成绩,占50%。期末理论考核主要考核学生对基本知识、基本概念、基本原理的理解与掌握程度,以闭卷笔试的方式进行。
课程体系综合设计研究
将机械原理、机械设计课程设计内容进行整合,探索机械原理、机械设计课程设计中如何培养学生的机械运动方案设计、机械创新设计和解决工程实际问题的能力,提出适合创新人才培养目标的机械原理、机械设计课程设计实施方案,并完成2008级机制班机械基础课程综合设计教学实践。同时,考虑机制、模具、汽车、机电方向的不同,选择适合不同方向的综合设计题目,以设计对象为主线,尝试在综合课程设计中引入机构运动演示,要求学生用计算机仿真验证机构运动设计的合理性[4],尝试在综合课程设计中引入机械方案创意设计模拟实验,要求学生利用运动方案进行模型拼装创新实验,验证机构运动设计的科学性、合理性。通过机械基础设计课程改革,加强学生创新能力培养。把机械原理、机械设计课程设计时间由原来的分开设计整合为一,机械原理、机械设计两门课程的课程设计题目选择范围加大,同时增加设计时间,激励学生对这类题目产生较大的兴趣,每一位学生都积极思考,差不多每人都提出一到几种运动方案,然后通过小组讨论,挑出最佳方案后,由各组确定自己的最终机械系统运动方案。通过这些创意设计活动,可大提高学生的创新设计能力,改革课程体系综合设计手段,加强CAD、CAM、CAE等技术应用[5]。运用虚拟样机技术,可以大大缩短产品的开发周期,因而受到了制造厂商、科研机构、大学、公司的极大重视。其中ADAMS是美国MDI开发的非常着名的虚拟样机分析软件。尝试以ADAMS为工具,让学生对自己设计出的机构进行建模与仿真,真实地仿真机构的运动过程。改革设计手段,将给课程设计赋予新的活力。
课程体系综合设计的实践及应用
1改革设计题目,注重学生素质的培养
机械CAD能力、综合应用与设计能力和创新设计能力是新世纪高素质机械工程技术人才的重要素质。因此,机械基础课程综合设计训练主线则是以典型机械系统设计为内容,并将机械原理和机械设计的两课程设计贯通,由根据设计要求到机械运动方案及其运动与动力设计(即机械运动简图设计),再到机械系统结构设计和工作能力设计(即装配图及零件工程图的设计),从而形成一条加强机械系统设计和综合设计能力训练的设计训练主线[6]。使学生经过原理方案的设计、执行机构的设计、传动方案的设计、结构设计等过程,加深对机械系统的整体认识,加强设计中的工程意识,培养综合创新设计的能力。目前各高校都在进行课程设计改革实践,但两门课程设计合在一起的课程设计指导书还很少见[7]。因此,根据我校实际情况,编写了适合于本科机械类的机械基础课程综合设计指导书,指导老师可根据不同方向教学班次选用设计题目。
2机械传动方案设计,培养学生创新能力
机械传动方案设计是一个重要的环节。在这一环节中应充分体现以学生为主体,以教师为主导的指导思想。教师在指导时,应因材施教、因人施教,对不同层次的同学要有所区别。在选题方面,提倡设计能力较强的同学选择指导书以外的题目。在指导方面,对这些同学应适当增加设计的难度和深度。方案设计时重点是要把握创新点[8]。在方案分析过程中,为了实现一个确定的设计目标,要求学生至少提出3种可行的方案,并对方案进行分析、比较,总结出其优点与不足。然后确定出设计者认为最优方案作为本次课程设计方案。最后对此方案进行详细设计,包括其运动过程和运动尺寸的确定,进行结构设计和强度设计直至计算。
3引入虚拟样机技术进行机构分析
虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。运用虚拟样机技术,可以大大缩短产品的开发周期,受到了制造厂商、科研机构、大学、公司的极大重视。其中ADAMS是美国MDI开发的非常着名的虚拟样机分析软件。基于贯彻实施培养卓越工程师思想,在机械基础课程综合设计中引入ADAMS软件对插床导杆机构、冲压机构、摆动式运输机机构、牛头刨床摆动导杆机构等进行运动学和动力学分析,自动绘制刀具的位移、速度、加速度曲线,自动绘制曲柄受到的平衡力矩曲线图等,能通过后期处理绘制最大动态剩余功曲线图,使曲线结果清晰、精确。导杆机构动态仿真时,观察在各位置时所对应曲线含义,加深对课本关于机构有关运动学、动力学相关参数优化设计的理解。ADAMS软件还能对机构采取参数化建模,学生可以通过输入机构不同原始参数,进一步比较不同结果。与过去用图解法或自编程序法进行机械原理课程设计相比,利用计算机对机械进行辅助设计,实现了教学创新,学生普遍反映用ADAMS软件进行课程设计快捷、方便、直观,课程设计能达到满意效果。
4理论联系实际,修改设计对象
在实际工程应用领域中,推荐采用的大多数齿轮减速器都是采用硬齿面。随着工业的发展,新技术新工艺不断涌现,在齿轮行业,特别是随着硬齿面齿轮加工技术的成熟,加工设备的完善,硬齿面齿轮减速器已经成为齿轮减速装置的主流,得到了广泛的实际工程应用,而软齿面齿轮减速装置有被逐步淘汰的趋势。因此,应结合实际,采用硬齿面齿轮减速器设计的题目来进行实践环节的训练。由于硬齿面齿轮减速器的设计与实际结合紧密,学生的自觉性与积极性得到了很大提高[9]。与此同时,有关硬齿面齿轮设计的资料无法从现有资料中直接利用,这迫使学生主动查找相关资料,询问老师,学生的实际设计能力得到了更大的提高。从改用硬齿面齿轮减速器设计结果来看,整机的重量减轻、体积缩小,使用材料大幅减少,相应的造价也随之下降。这使学生认识到科技的进步给生产实际应用带来的巨大影响。
关键词 创新设计能力 以教促学 讨论式学习 考核方式
中图分类号:G712文献标识码:A
创新能力则是人们改造旧事物和创造新事物的能力,它包括发现问题、分析问题、发现矛盾、提出假设、论证假设、解决问题及在解决问题的过程中进一步发现新问题、新方法从而推动事物向前发展的一种能力。创新能力的培养离不开收集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、协作能力等等,也包括较扎实的基础知识、基本技能、较宽的知识面、较强的实践能力和丰富的实践经验。①②
在我国建设创新性大国的历史背景下,高职学生担负着生产一线的技术创新和管理创新的重任,即工艺流程的革新、加工方法的改良、新产品的开发试验、管理形式的变革等都是高技能型人才应具备的创新能力。机械设计基础是机械专业的专业基础课,涵盖了工程力学、机械零件、机械原理、机械设计以及机械课程设计等课程,内容广、综合性强,在机械类课程中起到了承上启下的作用。而目前的机械设计课程重视理论讲授、学生学习起来非常吃力、难以提高学习兴趣,内容过于陈旧且抽象单一、联系工程实际不够紧密、实践环节薄弱、并且忽视了对学生创新意识和创新能力的培养。因此,对该课程进行以培养学生创新能力和实践能力为目标的改革十分必要,必将对机械专业学生的创新意识和创新能力的培养起到十分关键的作用。③
1 以培养机械创新设计能力的培养为主线的项训练目整合课程内容
机械创新设计能力的提高需要一个长期的培养过程,而且需要扎实的机械设计理论知识、较强的创新意识和创新实践能力。因此,建立一个以培养创新能力为主线的机械设计课程内容,对有效培养高职学生机械创新设计能力的起着至关重要的作用。课程内容的设置遵循了学生认知、专业知识学习和创新能力成长的规律,从简单到复杂、从初级到高级,设置了一条以创新设计项目为引领、以认知项目和常规训练项目为理论知识掌握和应用的课程内容新体系,把相关理论知识的学些融入具体的项目训练中。④例如,在训练“脚踏式健身自行车的创新设计”时,先让同学们认识和操作牛头刨床和缝纫机的曲柄摇杆机构实物模型;其次,讲解与此相关的理论知识:曲柄摇杆机构的工作原理、曲柄摇杆机构的自由度计算以及弯矩强度和弯曲刚度的力学计算;然后以相关项目“颚式破碎机机构分析”训练与强化曲柄摇杆机构相关知识和分析与设计该类机构的能力;最后,让同学们分组设计“脚踏式健身自行车”,并强调其原理设计不能局限于曲柄摇杆机构,可以考虑棘轮机构、液压或气压传动系统、以及其他富有想象力的设计方案。
2 推行以教促学和讨论式学习为一体的教学方法改革
“以教促学”和“讨论式学习”均是以学习者为中心的教学方法,能够有效提高学生的独立思考能力、协作能力和创新能力,把二者融为一体,势必会产生更加有效学效果。
2.1 通过教而学的教学方法
“以教促学”的教学方法是基于建构主义理论之上的一种教学创新,基本的教学方法是真正以学习者为中心的交际教学法和以学习为中心的任务教学法。最终的目标是提高学生的自主学习和合作学习的能力,提高学生获取知识的能力、独立思考的能力和创新的能力。⑤在机械设计的教学过程中,让每组同学至少负责一节课的讲解,包括PPT制作、讲稿,该节课要求是基于项目或任务驱动,项目或任务的内容自选,应突出项目的创新性,并讲授与之相关的理论知识。
2.2 小组讨论式教学方法
小组讨论是合作学习中教学环境最宽松、学生参与度最高的互动学习方式。美国教育学家布卢姆认为:当学习转化为一种合作过程,人人都从中受益时,小组学习是十分有效的。⑥
目前的任务实施主要采用小组讨论的方法完成任务,分组往往很随意,要么是按学号分,要么按宿舍分,要么按上课时的习惯座次分,讨论后由一个学生总结。这样会使其他通同学偷懒,而且效率低,或者成绩较差的小组不讨论或讨论的进度很慢。高效的小组讨论具备这样的特征:一是分工明确,二是小组成员积极参与,三是时间被高效利用,四是学生之间能够互相帮助。这里提出通过教而学的小组学习法。在分组时,首先使每组中都有成绩差的学生和成绩好的学生,让成绩好的学生带动和指导成绩差的学生,以提高讨论的质量和效率;其次,应尽量使小组的数量比小组成员的数量多一个。在任务或项目分配时,每个小组的任务应尽量不同。当一个小组讨论完后,让该组每个的成员分别到其他小组去讲解或演示其任务内容,直至把其他小组成员全部讲会。在讲解时,要说明其任务完成的创新点和具体实施方案及结构实现。
3 以创新制作为主导改革实践环节
由于相关的零部件的强度和刚度的计算和校核在理论学习时已有训练,而且市场上大量已有成熟的相关计算软件,因此,该环节应注重方案和结构设计,掌握相关的强度和刚度的计算和校核方法和过程,但不必花费大量的时间去计算。项目的设计时给出的诸如减速器的设计范例只是参考,学生需要完成的项目应是减速器意外的其他项目,这些项目要么来自于生产实际,如旋转式多工位机械手、差速输送机、用于烟丝输送的垂直提升机等;要么是同学们感兴趣的能够解决实际生活问题的项目,如简易立体车库、健身自行车、新型高楼逃生窗帘、轻便式高楼逃生器、多功能野外手术床、自动鲜肉切片机等。在该环节,仍然要突出学生的自选自拟题目。在实物的制作过程中,对于体积较大的项目,做出模型即可,对体积较小或创新性较强的项目可做出1:1的实物。
4 建立以机械创新设计大赛内容为导向的机械创新设计协会
机械创新大赛为全国大学生提供了培养创新能力和科技转化成果能力的舞台。但以往的大赛只是少数同学参加,覆盖面很小 ,受益的同学不多。为此,我们成立了机械创新设计协会,下设十个小组,由一批有实践经验且创新能力较强的教师指导,并由组织能力、创新意识和创新意识较强的学生负责,分工协作,目的明确。以协会的形式开展活动,不仅利于学生充分合理安排时间,更能锻炼学生的组织管理能力,加强团队合作精神。每学期组织一次院内机械创新设计大赛,并给获奖的团体以奖励,比赛内容不限,比赛的题目以学生自拟为主,老师给与指导;每两年组织一次江苏省暨校内选拔赛,比赛内容以全国机械创新设计大赛的内容导向,题目可以是老师给出,也可以是学生自拟。此举极大地地激发了学生学习机械知识的热情和创新意识,较大地提高了学生的机械创新设计能力,且参与的学生数量得到了很多的提高,也取得了较好的比赛成绩,先后获得了自动黑板擦、万向液压救灾等二等奖8项、机械摩擦式高楼逃生装置、液压救灾剪等三等奖15项,并于2010年获得了江苏省机械创新大赛优秀组织奖。而且,相关机械创新设计获得发明专利2项,新型实用专利8项,并有3项正在审理中。
5 考核方式改革突出创新能力考核
考核方式的改革与课程体系、教学方法、实践教学改革相辅相成,相互促进,而且,后者是前者的基础,前者对后者具有较强的导向作用。
机械设计改变了以往重知识轻能力的“一卷定终身”考核方式,实行理论考核与实践考核相结合,采取过程评价与结果评价相结合的方式,强化学生综合实践能力,重点评价学生的职业能力,突出学生创新能力的考核。课程考核成绩包括形成性考核(60%)和期末考试(40%),其中形成性考核包括以下内容:
(1)平时成绩(10%)。主要包括平时课后作业和上课纪律考核。
(2)课堂项目或任务(30%)。针对高职生理论分析能力较差、定性分析能力和创新意识较强的特点,课堂任务考核主要包括机械设计的创新点、团队的协作精神和能力、学习态度和任务完成情况的考核其中创新点占课堂任务考核的30%。对于理论创新设计项目,其方案设计应占最大分值,其次是结构设计,最后是相关理论计算。
(3)课外实践创新项目(20%)。课外实践创新项目主要包括方案创新设计、机构创新设计、理论分析和实物制作。其中实物制作占40%,主要考察期功能是否实现、结构是否合理、制作质量是否达标;方案创新设计、机构设计和理论分析各占20%。
(4)期末考试(40%)。期末考试除了考核学生对课程知识掌握程度和一般应用能力外,还考核期创新设计能力,要求学生在规定的时间内,根据创新题目的要求,拟定出可行性方案,并画出机械系统的运动和结构简图,该题目占期末考试的20%。
6 结论
通过以培养学生创新能力为主线,对机械设计的课程内容体系、教学方法、实践环节和考核方式的的改革,提高了学生们的学习兴趣和学习效果、提高了学生的知识应用能力、增强了创新意识和创新能力。教学改革实施使我们看到,虽然高职生的理论分析和计算能力较弱,但学生们的定性分析能力、实践能力和创新思维能力是很强的。如果(下转第60页)(上接第44页)我们在借鉴他人成功经验的基础上,对机械设计教学过程中不断探索和实践,必将会摸索出更加适合培养高职生工程应用能力和创新能力的课程内容和教学方法来。
注释
① 汪刘生.教学论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1996:32-45.
② 杨志勤.等机械类高职创新能力培养“2332”教学模式的探索.中国职业技术教育,2010.2.
③ 李阳星等.机械设计基础课程体系改革与学生创新能力培养的研究与实践.黑龙江教育,2007(7、8).
④ 翁蓉等.高职高专机械设计课程教学改革研究.科技信息,2010.23.