“身边教学法”培养学生工程意识和工程能力

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  摘 要:“身边教学法”是一种以学生身边环境为情境的教学方法。本文首先给出了该方法的涵义,然后从学生接触工程实际的时间和培养学生观察身边、关注客观世界的习惯两方面分析了采用该方法培养学生工程意识和工程能力的必要性,从客观物质基础、知识特征基础、方法论基础等三方面分析了该方法的可行性,最后着重介绍了在机械基础类课程教学中运用该方法的具体情况以及良好效果。多年来的实践证明,身边教学法是工程教育普遍适用的有效方法。
  关键词:身边教学法;情境;工程意识;工程能力;方法论
  大学生工程意识和工程能力的培养是全球教育界的一个共性问题。20世纪末,由美国麻省理工、加州伯克利、斯坦福、康奈尔等8所高校联合发起的高等工程教育改革运动,引领了世界工程教育领域“回归工程”的潮流。我国近些年也大力推广卓越工程师教育培养计划和开展工程教育专业认证工作,激励高校和企业在行业领域内联合培养“现场工程师、设计开发工程师和研究型工程师等多种类型的工程师后备人才”[1]。根据作者多年来的探索与实践,本文特别介绍一种教学中普遍适用的培养工程意识和工程能力的新方法——身边教学法。
  一、身边教学法的含义与可行性
  1. 身边教学法的含义
  身边教学法是指教学参与者(包括教师和学生)结合教学内容和要求,将学生日常学习和生活环境中的任何相关事物作为教学对象,对其进行分析、研究和设计,使学生养成关注身边事物、将抽象的理论知识与形象的工程实物联系起来的习惯,实现由科学知识到工程知识的迁移和跨越,形成感性认识和工程经验,最终凝练成观察、分析和解决工程实际问题的能力。
  美国工程院研究报告《2020的工程师:新世纪工程展望》描绘了未来工程师应该具备的品质:很强的分析能力、实践能力、创新意识和创新能力;较高的伦理道德标准以及职业素养;动态、机敏、具有弹性、灵活地更新并应用知识的能力;终身学习能力;良好的沟通能力;商务与管理技能;领导才能等[2]。工程教育的产品——“工程师后备人才”需要具备一定的分析解决工程实际问题的能力。不同高校的不同专业在人才培养计划中都有课程实验、十几周到二十几周不等的课程设计实践、工程训练实践、认识实习加生产实习和毕业实习等实践教学环节,世界工程教育“回归工程”的改革,我国卓越工程师教育培养计划与工程教育专业认证的推广,都旨在不断扩大学生与工程本身的接触力度。
  尽管如此,在校学生真正接触工程实际的时间仍然很短,更多的时间都是在课程教学的课堂、课外自习的图书馆或教室、自由活动的宿舍以及其他生活场所。在绝大多数时间里,他们主要还是在进行抽象的理性思考,学习书面上的知识,很难自主地将学习与工程实际联系起来。所以,在日常课程教学中有必要研究一种能随时随地将工程实际引入教学、日积月累培养工程意识和工程能力的教学方法。
  国家“十二五”规划特别强调关注民生,从近几届全国大学生机械创新设计大赛广泛征求主题所反馈的意见也折射出,机械工程教育界在不断引导学生关注生活、关注社会。工程师旨在造福人类,是一个需要承担高度社会责任的职业,其“社会性”属性特别突出[3]。培养学生的社会责任感、为社会解决工程问题,需要让他们养成观察周围、关心社会的良好习惯。随着我国社会的进步和生活水平的大幅提高,现在大多数学生物质生活条件都比较优越,日子过得比较舒坦,对身边环境习以为常,很少去仔细分析、推敲、琢磨,即使有不满意也熟视无睹,很少有设法去改变它的理想。如何在日常教学中培养学生观察身边事物、关注真实世界问题的习惯,如何培养学生的社会责任感,是大多数教师很少关注的。
  身边教学法旨在对上述问题的解决进行探索。
  2. 身边教学法的可行性
  (1)客观物质基础。现代社会里,人们工作学习和生活都已经脱离了纯自然的环境,身边“抬头不见低头见”的都是工程的产物,随时随地都身处在人类自我制造的环境当中,尤其是居住在城市里的人们,时刻都被这些工程实物所包围。对于学生,日常学习和生活的衣食住行用都离不开不同工程领域各种类型的工程产品,所以,身边教学法取材非常方便,从而为该方法的实施提供了很好的物质前提。
  (2)知识特征基础。当代知识社会学和科学社会学的研究表明,包括科学知识和工程知识在内的所有知识在其产生的过程中都有建构的因素存在[4]。科学知识是由科学家采用逐步剔除不必要信息的做法“收集数据→分析数据→提出理论→描述结果”所提炼出来的,而工程知识则是由工程师以恰恰相反的对简单需要不断增加详细信息的做法“收集信息→制作计划→建立模型→反复操作→走向市场”所得出的。单纯的科学知识可以在实验室里获得、靠推理演算来求证,但工程知识是以人类环境为目的的人造物设计、构建及操作的全过程,需要调查工程的约定条件、确定工程的目标、设计工程方案、做出明智的决策、预见工程后果等。在很大程度上它是与行动挂钩、在工程现场得到检验的,其综合性大于分析性,具有很强的模拟性和情境性。工程知识的这些特性反映到课程教学,要求更加重视工程环境、工程实践以及工程伦理。身边教学法遵循这些客观规律,充分利用身边人造的实物、现场环境的约束、任务和目标的要求等工程知识要素,与科学知识的教学有机结合,交替运用科学家和工程师的不同做法,从局限性的书本知识转移到身边现实中更加宽泛的视野,实现知识迁移与知识跨越,使学生易于构建出感性认识,积累工程经验。所以,身边教学法满足工程知识传授的客观规律要求。
  (3)方法论基础。工程知识具有明言性和默会性两种特征。明言性的工程知识是可以通过传统的学习过程获得的,而默会性的工程知识则必须在工程活动的体验中才能领悟,是一种隐性学习过程。在隐性学习过程中,学习者所处的环境和他在这个环境中的身心状态(如投入程度、情绪等)都是影响学习效果的特别重要的因素,所以,必须注重学习的情境性。融入了认知科学诸多前沿研究成果的“环境教学”是一种已被广泛证实非常有效的工程教育方法[5]。根据环境教学理论,只有当新的知识在学生已拥有的参考系中具有意义时,他们才能主动有效地学习。该理论认为,大脑会自然地在学习者所处环境中搜索知识的意义,寻找知识与应用的关系。若认识到知识的实际形态,认识到有现实问题对知识的需要,那么在学习理论知识时真正有效的学习就自然而然地发生了。环境教学植根于建构学习理论和认知学习理论,采用如下做法:在学生熟悉的真实环境和经验中教授新的概念;在学生已知的环境中展示概念;在应用的环境中展示问题和习题;在情景中暗示,让学生相信相关概念现在或今后在其生活中很重要;所提供的学习经验能鼓励学生在有用环境中应用,将其带入可预想的未来,比如可能从事的职业、尚未熟悉的场所(如工作地点)等。身边教学法冲破课堂教学界限,将职场环境引入教育环境,用学生熟悉的身边环境做场景,选择环境中的工程产物为对象,展示课程理论知识,针对此对象进行分析,让学生明白这个理论知识可以“如此”用到“这样”的实际问题中,今后类似的问题就可以如此解决了。显然,身边教学法营造了特殊的情境,具有鲜明的环境教学特点。   二、身边教学法在机械基础课程教学中的实践
  机械基础类课程教学作为机械工程教育的重要阶段,在人才培养计划中历来占据举足轻重的地位。这类课程虽然属于基础理论课程,但又不是纯粹的理论课,其工程特点突出,是从理论知识过渡到工程实际、从基础课程过渡到专业课程的关键和桥梁。这类课程的教学方法,对机械工程人才培养质量起着至关重要的作用,历来是相关教师不断探索和改革的重点。在教学过程中,常常遇到这样的现象:有的学生做理论性的课后习题可以完成得非常正确,但遇到现实中或者略为接近工程一点的问题时却束手无策。例如机械制图课程中讲了各类零件以及装配图的画法之后,很多学生不能从一个简单装配图中将所有零件找出来、正确指出其中的标准件和通用零部件。又如机械原理课程中机构结构的分析,很多学生可以将非常复杂的机构自由度计算正确,对其中的虚约束、局部自由度、复合铰链辨别清楚,却画不对井边手摇唧筒的机构运动简图。齿轮轮缘参数的计算,十多个关于结构参数和各种系数的计算公式学生都能记住,计算结果一个不错,但是,当问到手表中齿轮的模数大概是哪个数量级时,很多同学摇头不知道。再如机械设计课程中螺纹连接的设计,大多数同学都能记得螺栓几种不同受力情况下应力的计算公式,但让他们设计一扇门上铰链螺栓的结构布局时,很多同学不知道要怎么去考虑设计方案。
  针对诸如此类的问题,笔者近些年来采用身边教学法,在课堂举例和课后作业中不断引导学生将课程中的理论知识与身边的相关实物结合在一起。使他们认识到工程现场并不是遥不可及,而是就在自己身边,充分调动他们的各类感觉器官,甚至还投入情感,以增强其对知识的感应强度,对工程产生兴趣,训练他们将纯粹的科学知识运用到现实工程中进行分析和设计,实现理论知识到工程知识的转移和跨越。
  这些身边实物包括学生看得见、摸得着的任何物体,如课堂上老师举例的对象可以是教室里的、学生身上的、书包里的、课桌椅上的所有东西,课后作业对象可以是宿舍里的、商场中的、公园里的和马路上的任何实物。例如讲机械原理的机构时,告诉学生身边任何人造的可以动的东西就有我们说的机构,教室里的门、窗、座椅、同学带来的雨伞、文具盒、自动铅笔、活页夹、指甲钳、剪刀、手上戴的手表、同学每天骑的自行车……学生对于这些司空见惯的实物开始认真起来,随着学习的进程不断有新的发现:原来熟视无睹的那个小玩意居然就是书上讲的这个深奥的东西!他们往往会有一些兴奋和激动,甚至恍然大悟地感叹:“哦,原来就是这个啊!”“哇,真巧妙!”“噢,这么简单啊。”亲切感和成就感油然而生,抽象的理论知识与形象的工程实物之间的知识迁移即刻完成,从而实现了从抽象世界向现实世界的转变。
  身边教学法的推进形式也是各种各样。有的是在引出概念之前展示身边实物,例如拿出手表,让学生认识到知识的实际形态,认识到有现实问题对轮系知识的需要,然后再讲轮系的概念和功用。有的是在抽象的概念、公式讲述之后拿身边实物进行分析形成感性认识,例如讲到转动副时,不蠹的门枢、桌面的铰链都是身边的例子,又如讲完一连串枯燥的齿轮参数计算公式之后,让学生伸出手来,刚开始他们很诧异、互相张望,精神开始高度集中,接着让他们比划模数等于1mm的齿有多厚、多高,这时课堂上开始热闹起来,答案出来后,他们脑子里对模数这一齿轮中最重要的参数就有了深刻的感性认识。又接着问讲台上齿轮模型的模数大概是多少、手上戴的手表的模数又是多少,学生们开始对工程现场情境中的问题进行思考、分析,自主地将刚才的模数概念和理论公式与身边实物联系起来,理论知识向工程知识转化、迁移,逐渐形成理论知识与工程现象的联系。有的时候,身边教学是针对身边的某些问题进行分析,例如机械设计中的超越离合器,抛出问题:假如你的自行车没有了飞轮会怎样?学生开始想象各种场景,最终从现实中的要求和限制中逐渐提炼出对工程设计的需求和约束(如材料性质、四周环境、使用情况等),再映射到结构设计的理论实现方式,让学生学会寻找解决现实问题的思路和理论方法。更多的时候,身边教学通过课后练习、大作业和开放性项目推进,例如连杆机构的一个大作业就是让学生测绘某路公交车前后门开门机构,并分析它是如何从四杆机构的基本形式演化而来的、为什么不会夹到车里的乘客或碰到门外的人;螺纹连接的大作业是设计教室里墙报支架与墙面的连接;链传动的大作业是分析自己的自行车链条的受力情况,等等。通过以上不同形式的身边教学训练,学生逐渐养成观察身边、关注真实世界的良好习惯,将课程理论知识和工程知识综合成经验形态的知识,形成工程意识,提高解决现场工程问题的能力。
  以上做法,可以推广到其他工程专业的教学之中,因为:各类工程产品就在我们身边。
  身边教学法是一种拥有深刻内涵的教学方法,符合工程教育的需要,具有可行的物质基础、知识特征基础和方法论基础,在机械类基础课程教学中的探索与实践证明,该方法效果良好,是一种工程教育普遍适用的、培养学生工程意识和工程能力的有效方法。
  参考文献:
  [1]http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5179/201102/115066.html.教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见(教高[2011]1号文).
  [2]http://www.nae.edu/Programs/Education/Activities10374/Engineerof2020.aspx.The National Academy of Engineering,“The Engineer of 2020”,2004.
  [3]段新明.工程哲学视野下的工程教育[J].高等工程教育研究,2007(1):28-31.
  [4]盛晓明,王华平.我们需要什么样的工程哲学[J].浙江大学学报(人文社会科学版),2005,35(5):27-33.
  [5]Edward F.Crawley,查建中,Johan Malmqvist,Doris R.Brodeur.工程教育的环境[J].高等工程教育研究,2008(4):13-21.
  [责任编辑:文和平]
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