【新工科教改·教学方法改革标杆课程】把新工科教育改革理念融入课堂内外

——《应用随机过程A》《机械设计基础Ⅱ(零件)》《专业基础实践Ⅰ》的探索实践

文:王晓刚 学生记者团 覃彩 图:教务处 / 来源:新闻中心 / 2019-11-07 / 点击量:904

【编者按】“课堂是教育的主战场。课堂一端连接学生,一端连接着民族的未来。教育改革只有进入到课堂的层面,才真正进入了深水区。课堂不变,教育就不变;教育不变,学生就不变。课堂是教育发展的核心地带。”近年来,学校坚持立德树人,持续深入推进新工科教育改革,锐意改革教学模式、考核方式和培养模式,建设高水平挑战性研究型教学体系和高水平新工科教育体系;掀起“课堂革命”,不断打造“金课”、淘汰“水课”,涌现出一批先进人物和典型案例。新闻中心开设“新工科教改”栏目,将陆续报道分享他们的好做法、好经验。本期介绍机械与电气工程学院的三门“教学方法与考核方式改革标杆课程”,以飨读者。


  如何激发学生的好奇心,增强学习的内驱力,并拓宽学生的知识面和学术视野,面向未来培养具有创新引领性潜质的新工程人才?机械与电气工程学院的《应用随机过程A》《机械设计基础Ⅱ(零件)》《专业基础实践Ⅰ》在探索实践中分别给出了自己的答案。这三门课程也获评为学校“教学方法改革标杆课程”。

《应用随机过程A》课程:

突出课程的实践性,提升学生科研和创新能力

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  随机过程方法能为随机现象的研究提供诸多数学模型和工具。由于随机现象在工业生产和服务系统的分析与决策中普遍存在,因此,掌握随机过程方法对工业工程专业的学生来说至关重要。“应用随机过程A”课程正是机电学院工业工程专业的学科基础课,共56个学时(3学分),在大二下学期开设,该课程在工业工程专业培养方案中起着极其重要的承上启下作用。

  一方面,该课程是已学的“概率论与数理统计”和“微积分”课程知识的延伸,将工业工程专业学生对随机现象的理解在时域上做扩展;另一方面,时域上的随机现象在工业生产和服务系统的分析与决策中普遍存在,只有对随机过程有了深刻认识和扎实基础,才能学好后续的“可靠性工程”等专业课程。

  课程负责人刘宇教授表示,这门课的教学目标就是要使学生能牢牢掌握各类随机过程的基本概念以及模型选择、参数求解的基本理论和方法,并紧密结合应用,培养学生利用所学知识和工具软件发现和解决实际问题的能力,从而实现学科基础课程和专业课程间的“平稳衔接”,使本专业学生具备扎实的专业基本功和专业基础,提升学生科研和创新能力。

  “应用随机过程A”本质上是一门理论性极强的数学类课程。然而,到目前为止国内并未针对工业工程专业出版相关的随机过程教材,现有的所有随机过程教材几乎都是针对数学背景的学生或是研究生教材,内容中无任何工程和实践案例,学生理解和自主学习极其困难。因此,要讲好这门课程,主要面临两个难点:

  难点一是,若完全依照现有教材进行讲授,教学内容将单纯地以公式推导和证明为主,教学模式枯燥乏味、知识抽象,学生难以将数学模型与实际问题相结合,造成所学知识与实际问题相孤立,学生综合能力无法得到锻炼。

  难点二是,学生普遍对数学类课程缺乏积极性,教学效果不及实践类课程,学生变成了以考试为目的的学习,无法将该课程所讲知识延伸到后续的多门专业课程的学习中,专业基础课程与专业课程间的衔接很“突兀”。

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  针对这两个难点,刘宇教授在课程中没有单纯地停留在推导数学公式和演绎数学模型上,而是除了帮助学生牢牢掌握各类随机过程的基本概念以及模型计算方法,还重点让学生深刻理解随机过程数学模型的本质和物理意义,更强调学生能够将随机过程数学模型应用于实际工程问题的解决上。

  具体来说,该课程尝试性地重组教学内容和教学环节,提出了实践型教学新模式,推行“教师主导,学生深度参与”的“混合式”教学新方法,通过构建课堂、实践、交流、反思融为一体的深度学习场域,增强学生的自主学习意识,培养创新精神,提高实践能力,挖掘科研潜质。例如:

  针对教学难点一:该课程以优化教学内容为基础,采用多种教学形式,并尝试性地将“应用随机过程A”课程56个学时分配为3种教学形式(课堂讲授型教学、前言主题讨论和课程综合设计答辩),以激发学生兴趣,夯实理论基础,提高学生实践和创新能力。在课程综合设计中,要求学生不断思考、综合运用课程知识,两人一组对生产和生活中的实际问题进行实测记录、统计分析和建模优化,并在课程末期以PPT答辩形式汇报。该实践项目聚焦随机模型的关键特征进行探讨,激发和引导学生课后合作开展项目,锻炼团队合作和个人交流表达能力。

  针对教学难点二:该课程坚持以学生为中心,在教学环节中大量引入与后续课程(如:“可靠性工程”、“生产系统建模与仿真”等)相关的简单案例,让学生课后自主学习Matlab、Minitab等工具软件,建立相应的随机模型进行分析。在前沿主题讨论中,根据课程内容和学生特点,在教学计划中增加个性化和前沿内容。由主动报名或老师邀请等方式寻找学生,经过对课堂讲授以外的随机过程模型(如:伽马过程、逆高斯过程等)自学或参与科研课题研究(如:Copula函数的使用、多维分布的随机数产生等)后以报告形式在课程上与同学们讨论交流。这种教学形式既有利于多样化教学,扩大学生知识面,又可以有效地激发学生学习兴趣,培养学生研究性学习能力和知识综合运用能力。

  实践型教学新模式凸显了学生在学习中的主体性,激发学生主动学习,提高发展认知水平,锻炼多元能力,并让学生全方位地融入课程学习,逐步改变学生的学习习惯和思维方式,培养学生研究性学习能力和创新性思维。该课程将实践型教学新模式创新地应用在“随机应用过程A”课程授课中,仅在2019学年孵化出大学生创新创业训练项目3项,其案例全部入围2019年四川省大学生工业工程创新应用案例大赛决赛。

  “刘老师以细致的理论推导为我们讲清楚每一个知识点,并且将理论与实际的应用案例相结合,让我们在学习理论知识的同时也培养了运用知识解决实际问题的能力,加深对理论的理解与掌握。他还为我们设置了个性化课题,让我们自主完成对知识的深入思考与探索,进一步理解理论知识,更加深入地了解了随机过程的奥秘。”机电学院2016级张钦同学在2018-2019学年选修了这门课程,并最终获得了全班结课成绩第一名。他表示,自己通过这个课程,加强了独立思考、自主学习的能力,收获很大。

《机械设计基础Ⅱ(零件)》课程:

“问题驱动式”教学方法让学生学以致用

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  《机械设计基础Ⅱ(零件)》课程是培养学生具有机械设计能力的学科基础课程,也是机械设计制造及其自动化专业培养方案中的主干课程。其主要内容是讲授通用机械零部件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法,并进行创新设计构思和综合设计技能的基本训练。

  机电学院凌丹副教授表示,“通过本课程的学习,我们希望使学生具有设计机械部件、传动装置和简单机械系统的能力,为设计、开发机械产品,解决复杂机械工程问题打好基础。”然而,要上好这门课程,不容易。

  这门课程中的“设计”是指机械装置的实体设计,涉及零件的应力、强度的分析计算,材料的选择、结构设计,考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等很多方面,课程涉及的知识面很广,涉及的关系多、要求多、门类多、公式多、图表多。

  之所以说“关系多”,主要是这个课程与很多先修课程关系密切。比如,工程制图、工程材料、机械制造基础、公差配合与技术测量、理论力学、材料力学、机械原理等;之所以说“要求多”,是因为机械设计不仅要考虑强度、刚度、寿命、工艺,还要考虑重量、安全、经济性等多重因素;“门类多”是因为涉及各类零件,而且零件各有特点,设计方法各异;“公式多”是因为涉及的计算多,既有解析式,又有半解析式,还有经验的、半经验的及定义式。“图表多”是因为涉及结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图,以及标准和经验数表等。

  针对这些难点,凌丹副教授在授课过程中采用了“问题驱动式”教学方法,突破了教材目录的限制,按照学生解决减速器设计问题的过程来安排课程教学。授课采用“小班授课+小班研讨”方式,以减速器中设计问题为主线,按照减速器的设计过程来组织课堂教学、布置课后作业,学生课后进行问题研究和求解,在研讨课上各小组介绍设计过程和体会。

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  凌丹表示,“这样做的目的是让学生能够学以致用,把教材中的基本理论和方法与工程实际问题相结合,在解决问题的过程中促进对基本理论的掌握,有助于提高学生的课堂参与度和课后自学的积极性。”

  这门课的平时作业没有标准答案,分配给各组的传动系统布置形式和工作机参数不同。在设计过程中,各项参数完全由学生自主进行决策,不同的参数选择带来不同的设计结果,凌丹在布置作业时给会出设计流程,针对学生的问题进行分别指导。她还利用研讨课,让小组之间进行相互评价和问题讨论。

  课程改革后,她发现,学生的写作能力和口头表达能力都得到了锻炼。小组成员之间团结协作,共同解决设计中的参数选择、结构设计等方面的问题,很认真地撰写课程设计报告,PPT制作质量也很好。

  学生也反映,课后的作业工作量适度,很充实,除了用课本知识以外,还需要查阅设计手册查找数据。设计零件时,不仅要考虑零件本身的强度刚度问题,还需要考虑与其他零件之间的关系,需要建立机械系统的整体意识。

  在设计过程中,学生们也会遇到因参数选择不合理而重新返回修改的情况。她利用这一契机对学生进行思政教育,让学生明白“机械设计需要精益求精的工匠精神,机械产品的设计过程就是反复修改的过程,设计工作决定了产品成本的70%。设计人员需要具备扎实的专业基础知识和责任心,掌握先进的现代设计工具,才能高效高质量地完成本职工作。”

  机电学院2016级卫浩宇同学所在的小组在该课程中设计了一个可以用在传送带上的减速器。他表示,“凌丹老师的课是小班教学形式,我们分成小组完成了减速器的设计任务,整个任务贯穿了课程始终,我们需要用很多知识,才能很好地完成任务。更有趣的是,大家同时做这个任务,提出的方案都不同,不同小组相互交流借鉴,思路能够打得更开。”

《专业基础实践Ⅰ》课程:

创新实验教学激活学生的创新思维和求知热情

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  《专业基础实践Ⅰ》是机电学院机械设计制造及其自动化专业的一门学科基础实践课程,是理论力学和材料力学的综合性实践,与工程实际联系紧密,是重要的力学学科基础实践课程。通常,机电学院机械专业学生需要经过公共必修课、通识教育课及数学和自然科学基础课的学习和实践,到大二下期才进入该课程的学习。

  《专业基础实践Ⅰ》课程综合运用基本理论和工程知识,进行非均质物体转动惯量及重心测试、单自由度系统振动实验,使用微机控制电子万能试验机对金属材料进行拉伸、压缩和剪切力学性能研究和实验验证,掌握工程应力测试方法。  

  据介绍,该课程的教学目标是,希望学生能够针对机械产品及系统中的工程问题进行研究,自拟题目对质块复合运动特性及梁的强度影响与优化研究,设计实验方案,搭建实验系统,正确采集、整理和分析实验数据,能对实验结果进行处理,撰写研究报告得到有效结论。 同时,课程还致力于培养学生的团队合作意识,以及独立承担团队分配的任务,通过个人的努力实现整个团队目标,锻炼学生的团队组织管理能力。

  然而,在传统的教学模式下,很多实践教学尤其是基础实践教学多以验证性实验为主,没有启发学生的创新思维和自主探索的内涵,学生按照指导书操作,被动地完成实验,机械地记录数据,抄写千篇一律的实验报告。

  这种传统的教学模式,容易导致学生被动接受知识、应付考试,难以激发起学生学习的主动性,使学生的动手能力、分析和解决问题能力及创新意识得不到锻炼,制约了理论与实际结合对工程问题进行分析研究的能力,导致学生在面对工程实际问题时不能应对。因此,实践教学亟待推进研究型教学方法,培养学生扎实的基础知识和良好的科学素质。

  为此,机电学院牟萍高级工程师尝试从实验教学的内容和强化学生学习的主体地位出发,对实验教学记性了创新改革,力争使实验内容、方法向工程实际和科学研究靠近,培养学生综合运用科学技术知识解决实际问题的能力及创造性思维的能力。

  在教学方法方面,她改变了传统的实验教学模式,紧扣专业特点,以师生互动、问题研讨、交流答辩为手段,提高学生学习兴趣,强化学生的主体地位和研究性学习意识;同时,采用启发式、讨论式以及示范教学法、项目教学法等创新教学方法,让学生在教学中扮演工程师的角色,使其积极探求新知、主动建构知识体系,培养学生研究性学习能力和创新能力。

  在教学内容方面,她改革了常规试验,开发了可扩展实验,并探索创新了考核方式。例如,常规实验淡化了标准答案,突出了问题分析。教师提出实验要求和目标,由学生制定实验方案,分工协作完成实验,小组同学共享原始实验数据,课后根据自己的思路独立处理实验数据,撰写实验报告,留给学生自由操作的空间和分析数据的灵活度。

  再如,可扩展实验以设计性研究性为宗旨,开发了“质块在复合运动过程中的拟题研究”、“实验梁贴片设计及实现”和“梁的强度影响与优化设计综合实验”。利用实验室现有设备,结合学生知识结构,教师只需给出实验研究主题,学生按小组进行拟题研究实验,自行设计实验方案,进行实验测试,对数据处理后进行分析研究,得出结论,每个学生课后独立撰写研究报告。

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  非标准答案实验强化学生的主体地位和研究性学习意识,以问题探索为基础,在实验中思考问题,带着问题再回到书本中解决,使其建立起用相关理论知识解决实际工程问题的思维习惯,引领学生研究性学习,逐步建立自主探索式学习习惯,让学生富有成就感,更有自信心和对专业的认同感。

  在考核方式上,课程的考核主要包括平时考核和期末考核两部分。平时考核包括实验预习及研讨(或实验方案设计答辩)、实验参与程度、实验操作与安全规范、团队协作四个环节;期末考核包括实验报告和研究报告二个环节。由于突出了实验过程,每个小组都专注于自己的实验和数据分析,从而启发了学生创新思维和自主探索。

  在实验教学模式上创新,把抽象的知识在实验教学中形象化,打破单向传递的教学方式,变枯燥的填鸭式教学为师生互动式教学,培养学生发现问题、分析问题、探究求解的能力;培养学生的工程思维、科研素质和团队精神。研究性教学方法让学生主动性增强,实验兴趣浓厚,认真专注。

  机电学院2017级郝鹏锋同学表示,“培养了我综合分析问题与研究解决问题的能力,以及与队友之间的团队协作能力。学会了用知网来获取资源的方法,撰写期刊论文的标准格式以及规范的语言。”2017级武对娣同学表示,“有助于培养团队合作意识和对复杂工程任务的分解计划实施的能力。我相信在这门课中的实践经历和一些思维意识将对以后的学习有极大帮助和深远意义。”2017级罗一宽同学表示,“让学生自己设计方案,并不是一味照着书本按部就班地做实验,不再是以前的依葫芦画瓢,而是鼓励我们自己设计实验,让我们受益很大。希望学校多多开展这样的课程。”



编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟