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教育的根本目的是培養高素質人才[1]。對于工科專業人才的培養而言,除了要使學生掌握本專業的基本理論、方法以外,還應使其具備開拓、創新的意識、思維和能力。人才的培養模式必須與人才培養的目標相適應。德國的理工科大學人才培養目標是“工程師”,因而更加注重專業教育與工程實踐。而美國理工科大學走的是通識教育模式,主要特點是以市場需求為導向,在整個教學過程始終以學生為中心[2]。

人才培養模式受到本國社會、經濟和科技的發展以及歷史文化背景等多種因素的制約和影響。不同的教育理念和培養模式支配著相應的教學內容的調整,教學資源的配備以及教學方法的改革。專業知識的傳授是教育的主要內容之一,而創新意識、思維和能力的開發、培養則是教育更本質,更核心的內容。創新意識、思維與能力的培養是提高人才培養質量工作中不可回避的問題,也是對教學改革的深層次研究與探索。因此在教學中,不應出現重書本輕實踐、重知識輕能力、重傳授輕創新的情況,而應是“基礎、實踐、創新”教育的和諧統一。機械原理課程屬于機械專業的學科基礎課,通過對當前社會的人才需求進行分析,結合其課程以及授課對象的特點,從教學內容、教學方法、教學手段等幾個方面對機械原理教學的創新模式進行探討和詮釋。

一、教學內容的創新

創新教育的目的就是培養和提高受教育者的創新素質和創新精神。要實現此目的,首先從改變教學內容入手,重視介紹學科發展的新動態、新方向、新內容,注重激勵學生的學習欲望,調動學生的積極性,讓學生了解更多更新的理論、技術與方法。例如,在緒論部分的講述中,以往的內容主要是針對本課程的研究對象、基本概念、課程的地位和作用以及本課程的學習方法等展開的。但是,為了培養學生的創新意識,調動學生的創新積極性,除了經典部分的闡述外,還有必要結合現代科學技術的飛速發展,重點闡述機械原理學科的發展動向。如在機構的結構理論發展發面,可以讓學生了解:為了廣泛應用機電一體化技術,當今社會也迫切希望開展包括對液壓、電磁、光電等非機械傳動元件的廣義機構設計。在對機構的平衡問題進行介紹時,引申到機構的動力學研究,進而讓學生了解到大型機械設備的故障診斷和在線監測都是現代研究者關注的重點。有意識地將一些機械原理學科前沿的研究引入教學內容中,如微型機械的研究,它不是將傳統的機械直接微型化,而是已經遠遠超出了傳統機械的概念和范疇,是涉及多學科的綜合技術的應用,也推動了處于機械原理學科前沿的微型機構學分支的產生。結合一些相關視頻資料,學生在課堂上獲取到這些知識的同時,興趣也被調動了起來,拓寬了知識面和視野。讓學生意識到“創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不竭動力”,“一個沒有創新能力的民族,難以屹立于世界民族之林”[3]。

此外,在教學內容的創新改革中,還可以嘗試重心的轉移,強調創新設計能力的培養,突出計算機的應用。教師在教學過程中逐漸實現淡化圖解計算分析,強化解析法內容的教學,進一步加強學生對機械系統設計的綜合認識。這種重心轉移體現在:由圖解法為主向解析法為主轉變,使計算理論與計算機技術統一起來,提高機構設計的效率和正確性;由手動設計計算向計算機自動計算轉變,提高學生計算機應用能力;由過去重機構分析計算向重機構綜合轉變,提高學生機構方案構思與設計創新能力和綜合應用知識解決實際問題的能力。在教學中不斷地營造創新環境,大大提高了學生的創新積極性。

二、教學方法的創新

教學方法應該能夠配和教學內容的改革。創新素質就是指由知識結構、智慧品質、人格品質三種成分有機結合構成的綜合素質。創新教育就是要培養具有這種綜合創新素質的學生。在當前課堂教學中,以知識傳授為主導的教學方法并未根本改變,教與學的關系是以教師為主導、為中心的,這種方式在某種程度上制約了學生的學習主動性及其創新潛能的發揮。在機械原理課程的教學方法上,應加強與學生的互動,要將以教師為主的“灌輸式”教學向以啟發式、問題式、討論式教學為主的新的教學方法轉變,讓學生從被動學習轉變為主動學習,真正成為教學活動的主體。以學生為本的創新教育教學方法可以通過以下幾個方面來實現:鼓勵學生不迷信書本知識、不迷信權威觀點,敢于提出問題,無論課堂內外,對于任何問題都應多問幾個為什么。如對“極位夾角”的概念解釋,大部分教材上的定義是“搖桿處于兩極限位置時,相應的曲柄位置線所夾的銳角”。在教學中可以引導學生進行思考,對這個廣泛應用的定義提出質疑———是否所有的“極位夾角”都是銳角,是否有鈍角的情況存在,而不是直接給出學生更完善的定義。在這個過程中,學生開始學會發現問題,也開始嘗試如何自己解決問題。

鼓勵學生的求異思維和發散思維,開闊學生的思路。當然,創新離不開科學的根基,引導學生要堅持科學的思維,在提出自己獨特見解的同時,也應該能用科學的理論對其進行解釋和驗證。鼓勵學生多參加親身實踐,只有親自動手驗證了創新思維的正確性,才能真正達到創新的目的。機械原理是一門既有高度的抽象性,又有很強實踐性的課程。如機構運動簡圖、機構運動分析與力分析模型等都是從實際機械中抽象出來的,許多的概念需要通過動態過程才能得到準確描述。原來的教學方法大多通過教師手工繪制或將靜態圖展示給學生,教學效果并不理想。因此,現在的教學方法中采用多媒體手段教學,課件中涵蓋了豐富的三維動畫、趣味的圖片、簡潔的文字等。通過教師講解、動態演示與板書相結合的方式,使學生在學習中可直觀地了解機構的運動過程及其所具有的特性、產生的各種現象,加快了學生對諸如“死點”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激發起學生的好奇心,強化了直覺思維,加深了學生對這些概念所表達物理意義的理解程度。

三、教學手段的創新

在教學手段上,著重培養學生對機械系統的整體認識,注重學生的參與,與機械原理課程設計、機械原理創新實驗相結合,加強學生對所學基礎理論知識的理解。培養學生應用所學過的知識,獨立解決工程實際問題的能力,培養學生的創新設計能力,使學生得到一次較完整的設計方法的基本訓練。在機械原理課程設計中,教師通過介紹創新設計的方法和展示創造發明實例,啟迪學生創新的思維,讓學生了解設計過程,掌握設計方法。在設計過程中,能在認真思考的基礎上提出自己的見解,充分發揮自己的創造性,不是簡單的抄襲或沒有根據的臆造。教師僅指明設計思路,主要啟發學生獨立思考。設計方案確定后,安排學生向小組成員介紹自己的方案,并與其他成員討論,這樣既提高了學生學習興趣,調動了學習主動性,又破除學生對創新設計的神秘感,有助于讓學生對自己的設計方案有全面的認識,使學生受益匪淺。

機械原理創新實驗是一個針對機械類或相關專業學生的開放性動手實驗。它是一個很好地培養學生主動學習能力、獨立工作能力、創造能力以及團隊協作能力的平臺。學生自己擬定、設計機構運動方案,根據機構組成原理對桿組進行拆分,再將構件正確拼裝實現機構的運動,這個過程就要求學生必須將所學的理論知識充分地運用到具體的實驗中去。例如,學生要設計并實現一個具有急回特性的送料機構,該機構就有多種搭建方案,實驗過程中學生首先提交自己根據要求擬定的設計方案,繪制該平面機構的運動簡圖,再計算所有的桿長、角度、位移等數據,然后在此基礎上將運動簡圖搭建為能夠正確運動的實驗機構。設計過程中學生將會接觸到機械原理的各大機構,也會進一步深入了解各大機構的運動特點,而搭建過程又會涉及到機械設計及零件的知識。將學生分為多組,同組學生共同擬定實驗方案、協同完成實驗,最后各自撰寫實驗報告。在設計和拼接過程中學生會遇到各種在理論學習中很少遇到的問題,在發現問題、解決問題的過程中學生各方面的能力也得到了很好的綜合培養。該創新實驗用問題法、探究式教育來培養學生的創新意識和科研能力,讓學生學習到了許多課本上學不到或曾經被忽略的知識,參加過創新實驗的學生都深有體會。

四、結語

總之,機械原理教學集理論與實踐于一身,而如何在此過程中體現并實現對學生創新意識、創新能力的培養是一個長期復雜的工程。要實現培養和造就大批具有創新精神和創新能力的高素質創新人才的目標,充分發揮教師教書育人的作用,還需要高等教育工作者們做更多的工作,付出更多的努力。