基于问题式学习在机械设计系列课程中的应用

张莉彦 张有忱

北京化工大学机电学院 北京 100029

工程素质包括工程知识、工程意识和工程能力等，这些都是工程技术人员必备的素质，也是高校工科教育的重点之一。适应新时期的要求，机械类专业的学生应该具备的工程能力包括综合设计能力、工程实践能力、创新设计能力，机械设计系列课程在这些能力的培养中起着至关重要的作用。一般机械设计过程分为4个阶段：产品规划、方案设计、技术设计、生产施工，它是一个相互关联的整体过程。其中方案设计阶段包括功能原理设计、执行机构的选型与构型、方案分析与评价、绘制机构运动简图等，这些内容主要在机械原理课程中讲述；技术设计阶段用到的零件强度设计、结构设计，主要在机械设计课程中讲述；在设计过程中用到的创新技法在机械创新设计中讲述。这些课程的内容琐碎、繁杂、工程背景强，在传统教学中，教师虽然很认真、很辛苦地讲解每个知识点，但学生却对所学知识模糊不清，不知道该如何应用。

基于问题式学习(Problem-Based Learning，PBL)是通过提出问题，引起学生的兴趣，进而展开学习的一种教学模式，强调将学生置于精心设计的问题情境中，通过共同解决实际问题学习相关的知识，形成解决问题的技能，培养理论联系实际的自觉性以及主动学习的能力，最重要的是激发学生的创新意识及创新能力。

1 基于问题式学习的教学理念

在传统的教学理念中，过分强调知识的传授和灌输，将学生的学习过程看作是对外部刺激的被动反应，忽视了学生自主学习能力及创新能力的培养。基于问题式学习的教学模式，通过精心选取实际工程问题，激发学生的兴趣，引导他们主动思考，探究问题背后的理论知识及解决方法。这种教学模式，将教学过程的主体由教师转变为学生，充分调动学生的自主学习能力，给学生提供更宽松、更广阔的思维空间，由此激发他们的创新意识，培养创新能力。当然，教师的指导作用也不容忽视，首先要分析教学目标，提出问题，启发引导学生解决问题。在教学过程中为学生树立机械产品设计的整体意识和工程概念，强调揭示各部分之间的联系及在工程设计中的应用。

2 设计问题环境

2.1 树立产品设计的整体观念和工程意识

上好绪论课十分重要，在机械原理绪论课中，笔者以一个典型的工程机械产品为例，讲解机械产品设计的全过程，提出问题，布置任务。例如，以包装机为例，通过功能分析，分解动作，提出动作如何实现？运动如何实现？可以在课堂上提问，让学生大胆想象；然后将这些问题作为课后作业，让学生查阅相关资料，写出认识机械的读书笔记。同时，教师将此实例贯穿于整个教学活动中，通过装料机构的实现引出连杆机构的设计，由热封机构的实现引出凸轮机构的设计，还包括机械设计课程的中齿轮、轴系部件、带传动、螺栓连接等。这样，学生在学习各部分内容时，就会有整体概念，知道这部分内容在产品设计中的作用，树立正确的设计观念，另外，也消除了学生由于缺乏工程背景而对机械设计产生陌生感和恐惧感，从而尽快熟悉一般机械设计的方法、步骤，提高学习的主动性、积极性。

2.2 根据专业方向设置问题环境

在教学过程中，教师提出的问题应结合学生的专业方向，这样不仅能激发学生对本专业的兴趣，有利于以后的学习，而且能更早、更快地走进实验室，接触专业教师，培养工程意识。例如，结合注塑机中的合模机构，提出如下问题：注塑机对合模机构有哪些要求？常用的合模机构有哪些？能否提出其他实现方法？学生通过查阅资料，到专业实验室观察，互相讨论，在认识了专业机械的同时，会产生很多疑问，他们带着这些疑问回到课堂中，教师因势利导，引出连杆机构的动力特性、死点、增力机构等。

以螺杆挤出机的发展为例，笔者设计的教学过程为：通过让学生了解螺杆挤出机的发展历史，以案例的形式分析在其发展中使用的创新思维及技法。学生通过查阅资料及专业书籍，向专业教师请教，发现了从单螺杆到双螺杆、从定螺距到变螺距等发展过程，总结了其中的创新技法。

2.3 将验证性实验转变为设计性实验，学生自己发现问题

传统实验项目中包括很多验证性实验，课堂上，教师先讲解基本原理，然后到实验室验证，学生做实验的兴趣不大，收获也不大。在机械原理中，齿轮根切是学生较难理解的部分，我们将范成实验教学进行了改进，先让学生自学齿轮加工一节，自己设计实验，通过加工不同齿数的齿轮，自己发现根切的问题，找出其原因。学生自己先做实验，对所学的知识有了直观认识，激发了学习兴趣，再回到课堂上学习，就会对新知识深刻理解而且容易掌握。

2.4 结合课程设计提出问题

将实践教学环节与课堂教学紧密结合，会产生事半功倍的效果。课程设计是学生综合应用学过的机械基础系列课程知识，解决工程设计问题，它最贴近工程实际，是培养学生综合设计能力、创新设计能力的重要环节。为了培养学生机械产品设计的整体意识，我们已经将机械原理和机械设计的课程设计合二为一，学生需要完成从产品的功能分析、原理实现、执行机构的选型构型，到传动方案的制订、传动零部件的强度计算、结构设计的机械产品设计全过程，再到编制计算说明书，绘制机械系统运动方案简图、传动部件装配图、典型零件工作图等全过程的学习。这样带来的问题是间隔时间长，学生在前面学习的知识有的忘记了，再加上没有现成的步骤可以参考，等靠现象严重、前松后紧，质量难以保证。针对这种情况，我们将课程设计题目作为问题提前布置给学生，前面提到的包装机就是我们课程设计的题目之一。在课程开始时，学生就明确了课程设计的任务，要解决的问题，授课的过程变成了解决问题的过程。学生学习的积极性被调动起来，提问的多了，提出的想法也多了，达到了预期的目的。

2.5 结合学生课外科技创新活动提出问题

问题的提出还可以结合学生课外科技创新活动，特别是两年一次的大学生机械创新大赛。尽早将主题发布给学生，并展开讨论，在机械创新设计课上作为大作业，完成方案设计，评比后优秀的方案可以作为课程设计的自选题目，在课程设计期间继续完善并准备参加大赛。通过这样长时间的酝酿准备、教师引导、规范训练，激发了学生的创新意识，而且这些意识不再是模糊一片，学生知道如何捕捉这些创意，如何记录、表达、实现这些创意。因此，学生的创新作品设计新颖，并且紧密结合所学知识，设计方法完整规范，在创新大赛中取得了好成绩，如在第一届全国大学生创新设计大赛中获一等奖一项，第二届获二等奖两项，第三届获一等奖一项。

3 对教师的要求

采用PBL教学模式要求教师必须具有很丰富的工程经验，厚积薄发，才能设计出针对性强的问题情境，引导学生全面深入地理解知识，灵活应用，解决问题。因此教师必须积极参加相关的科研活动，深入工程实践，提高自身的工程素质，积累工程案例，并与基本教学内容相结合，这样才能讲得更深、更透，学生也更有学习兴趣。如果教师没有合适的科研项目，可以进入实验室动手完成实验项目，深入研究，积极改进，也能从中积累工程经验。另外，实验设备的安装、调试、检修都是很好的实践活动。只要教师具有了工程意识，处处留心，就会积累很多实践工程案例。

4 结束语

基于问题式学习的教学模式已经过几年实践，打破了原来灌输式、被动学习的模式，受到学生的普遍欢迎，调动了学生学习的积极性、自觉性，培养和挖掘了他们潜在的创新能力。另外，学生更加热爱机械专业，树立了机械设计的总体意识，增强了工程素质，完成了从基础课到专业课的过渡。这种模式对学生提出了更高的要求，要投入更多的时间、精力，查阅资料，主动思考。

[1] 唐晓雯,任艳荣.基于问题式学习教学模式的探究与实践[J].教学研究,2006(1):24-25.

[2] 李钢.基于问题解决模式的机械设计课程创新素质教育[J].中国现代教育装备,2009(5):93-95.

[3] 徐林林,陈家庆,朱江.基于任务驱动的机械设计基础教学改革[J].化工高等教育,2009(6):72-73.

[4] 赵京,赖德华,门淑贵.以认知学习理论指导机械原理和机械设计课程的教学改革[J].大学教育科学,2004(2):50-52.