基于广义实践环境的教学模式*——《机械设计学》教学模式探讨

申儒林，龚艳玲

(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

基于广义实践环境的教学模式*
——《机械设计学》教学模式探讨

申儒林，龚艳玲

(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)

实践条件的不足是困扰学习机械学的重要因素之一，在机械生产企业以外存在许多可以利用的实践环节——本文称之为广义实践环境，可以部分弥补这种缺失。广义实践环境相对于企业的实习环节而言，没有时间和空间的限制，学生可发挥的余地也大得多。通过教师的正确引导，可以利用广义实践环境培养学生的学习兴趣，激发学生的学习动机;促进学生各学科知识的正向迁移;建构适合自己的知识体系。

广义实践环境;学习兴趣;学习动机;正向迁移;建构

机械学是一门高度实践的学科，要求有良好的实践环境，学生对机械要有足够的体验。然而，高校的实践条件却远不能满足这种需要。另一方面，我们的日常生活中处处都有机械的影子，尽管办公室的计算机是通过软件控制和运行的，但它却是机械产品，不但其本身出自机械生产线，而且在使用的时候其硬盘或光驱也在做高速的机械运动。冰箱、空调、洗衣机、交通工具等都是机械产品，尤其是现在我国大兴基础建设，道路、桥隧、楼堂馆所等的建设更是离不开大型机械。行走在大街小巷，各种工程机械随处可见，大小汽车修理店星罗棋布，这些都可以成为接触机械、学习机械、研究机械的广义实践环境。此外，互联网上可以找到许多关于各种机械产品原理的图片、甚至生产制造工艺的动画和视频，等等。对这些资源的有效利用将为学生提供一种不同于到企业实习的实践方式，本文称之为“广义实践环境”，并对如何利用这种广义实践环境提高教学质量展开研究探讨。

一、机械学的学科特点

机械学的目标是服务于工程应用，由于应用条件、环境、工况等要求千差万别，使得人们不断完善和更新机械学的理论和技术，工程应用则是检验理论和技术的方法和标准。因此，机械学是一门高度依赖于实践的学科。杠杆可能是人们最早学会使用的机械工具，是什么促使人类发现杠杆原理并成功利用杠杆呢?恐怕无从考察，但肯定是受到某些实践活动的激发，也许来源于人和动物四肢屈伸的启发吧。轮轴的发明则将人类使用机械的水平提升了一大步。不知道轮轴这项伟大的发明是如何完成的，但其中肯定包含了创造的成分。杠杆和轮轴的不同组合，诞生了千差万别的机械产品。随着功能要求和应用环境的复杂化，一般的工匠已不能胜任复杂机械产品的设计和制作，运动学和动力学的适时发展，解决了一道又一道设计和制造的难题，由此形成了机械学科。因此，机械学的特点是来源于实践，服务于实践，并指理论的指导下升华，其学习特点也大抵如此，多实践，理论联系实践，在掌握扎实基础知识的同时勇于创新。

二、广义实践环境是对企业实习机会的有力补充

良好实习条件的重要性对机械学科学生的作用是不言而喻的，但是实际上企业能提供的实习机会却远远不能满足需要。造成这种局面的原因可能有两个:一是迫于市场化的压力，大部分企业把追求生产效率作为自己的第一要务，出于知识产权保护方面的考虑，对本企业的关键生产技术和生产工艺严格保密，因此不愿意为学生提供太多的实习机会;同时高校大幅度扩招使得本来就稀缺的实习机会更显得供不应求。高校本身能提供的实验和实践机会也是有限的。鉴于此，有必要拓展企业和高校以外的实践条件。事实上，通过教师的正确引导，可以创造更多的实践机会。例如，现在的计算机普及率很高，几乎每个学生都有接触的机会，未必每个人都意识到计算机本身也是一个机械产品，尤其是计算机硬盘和光驱，每一次读写运动都伴随着两个高精度表面的高速相对运动，引导学生对废弃硬盘的拆装和研究就是一次低成本的无空间和时间限制的实践活动。从这一实践活动中可以引出一系列问题:硬盘是如何工作的?对硬盘的驱动系统有什要求?对硬盘的工作表面有什么要求?怎样加工可以获得这种高精度表面?硬盘的存储密度可以无限提高吗?能不能设计一种比硬盘存储密度更高，读写速度更快的存储器?有没有个人或机构已经在开展类似的研究?你认为这种研究的前景如何?等等。其他如工程机械的挖掘机、旋挖钻、潜孔钻等，都可以有工地现场可以仔细观察了解。围绕一个机械产品展开讨论和研究，会促使学生自动自发地从身边获取实践的机会，增进学习兴趣，促进自身知识体系的构建。

三、利用广义实践环境激发学生的学习动机

根据动机起源的角度，可以将其分为生理性动机和社会性动机。生理性动机是以生物需要为基础的动机，如饥饿、渴、性、睡眠等。与学习有关的动机主要是社会性动机，社会性动机又称为继发性动机、习得性动机或心理性动机。社会性动机内容十分广泛，兴趣、成就动机、权力动机和交往动机等都属于社会性动机。伟大的科学家爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师。”一旦学生对某学科有了浓厚的兴趣，就会主动去求知、去探索、去实践，并在求知、探索、实践中产生愉快的情绪和体验。多数人通常对身边常见事物的原理不甚了解，尽管他们有潜在的强烈的洞悉其机理的欲望，一旦他们成功地揭示其中某些奥秘，就可能会再度尝试各种发现。房屋建筑工地上，塔吊是如何随着楼层的增高而增加高度的;汽车变速的原理以及在运行中如何实现换档;计算机如何实现数据的存储与读取;火星探测器如何着陆、展开以及工作;摩擦搅拌焊接、超声波焊接等工作原理，坦克厚装甲板采用传统焊接工艺和摩擦搅拌焊接工艺其焊接质量各有什么特点;水轮机、汽轮机叶片如何加工;风力发电原理及其技术关键技术等。看似简单的问题，却未必知道正确答案，其实很多问题都可以找到观察的对象，有些问题还可以通过互联网找到详细的图解或动画、视频。有一次，我在上第一节《机械设计学》课时提出一个问题:房屋建筑工地上，塔吊是如何随着楼层的增高而增加自身的高度?当时没有一个同学能回答，我把这个问题作为课后作业留给同学们，下次讨论。讨论课上，大部分同学们都找到了答案，有些同学跑到建筑工地去实地观察，有些同学通过互联网找到了解释塔吊增高原理的动画，同学们兴致很高，在讨论交往中，一些同学觉得自己的发现被认可，被重视，也很有成就感，同时促进了全班同学们讨论交流的热潮。也初步在同学心目中建立了本门课程的教学模式，为课程的顺利进行奠定了基础。

四、利用广义实践环境促进知识的正向迁移

在讲授功能原理设计时，讲到汽车变速技术的发展:最初的汽车减速时需要踩两脚离合器;后来随着减速技术的发展，可以踩一脚离合器，但是要拨档;现在很多汽车不需要拨档，只要加油即可。提出:同学们是否知道汽车变速技术的发展。当时也没有同学知道答案，我布置任务，一周后讨论。讨论的场面非常热烈，看得出大部分同学们都作了大量工作。有一部分同学专门跑到汽车维修店去寻找答案，尽管修理店不是很容易看到打开的减速箱，但同学们还是感觉颇有收获，有同学还请教修理店的师傅。还是有点不太明白，就上网搜索，找到了很多相关的资料，文字的、图片的、动画的、视频的。有同学还特意作了PPT，以备讨论讲解用。讨论后清晰的知道:汽车减速箱有手动和自动之分，手动变速箱采用双联滑移齿轮，在齿轮滑动时，两个运动的齿轮需要同步，以免碰齿，最初的减速箱没有采用同步技术，所以要踩两脚离合器。还有同学在参加机械设计创新比赛时，参考了汽车变速箱的同步技术。自动变速箱又有不同类型，如液力自动变速器(AT)、机械无级自动变速器(CVT)、电控机械自动变速器(AMT)、双离合自动变速器(DSG)等，其中AT应用范围最广。为了搞懂液力变矩器的原理，同学们把液压传动书翻出来。为理解泵轮、涡轮、导轮的作用原理，还用两个电风扇作了流体涡轮传动的实验。也有同学重温了行星轮系传动比的计算;CVT是属于摩擦传动类型，不用齿轮组合变速传动，而采用两组带轮传动，通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径进行变速。摩擦传动变速更加平顺，没有换挡的突跳感。同学们又对摩擦传动、皮带传动等进一步作了探讨，还查了其它相关资料。AMT则是在普通手动变速器的基础上，增加了电脑控制的电动装置，实现自动选档、换档。DSG变速箱则是巧妙地采用两组离合器对应两组啮合齿轮，把手动变速器的灵活性和传统自动变速器的方便性结合在一起。在这里，摩擦片离合器是已有技术，两组相啮合的滑移齿轮也是手动档的成熟技术，把它们以一种特有的方式结合起来就可以实现平稳地自动变速。体现出知识的灵活运用，也反映出创新大部分源于已有的技术，没有空中楼阁，惟有平时多积累。最后，我提出一个问题:汽车是不是一定要用变速器?同学们对这个问题感到很突然。接着我分析:采用变速箱是因为原动机的转速太高，调速范围有限，因此是因为原动机存在的固有缺陷所造成的局面，如果这种局面改变了，变速器就不需要了。提示同学们发散思维，考虑没有这种固有缺陷的原动机。讨论后有同学提出看法:如果采用分布式的电动机，而电动机的转速又可以很大的调速范围，则问题可以得到解决。于是，课后又有同学根据已经学过的大学物理知识去研究电动机。整个过程多门课程的知识交叉、汇集，相互促进和提高，实现了正向迁移。

五、利用广义实践环境促进知识体系的建构

在谈到微机械设计时，我提出一个问题:计算机硬盘如何实现存储与读写，要求课后准备，然后讨论。同学们课后拆卸了硬盘，发现不同年代、不同厂家的硬盘结构上有所差别，体现了技术的进步和技术专利的保护策略，但是基本原理是一致的。上网查资料，发现有介绍硬盘工作原理的图片、动画和视频，也有介绍其发展趋势的文章。经过认真的准备和讨论，获得了丰富的认识:硬盘读写原理是利用电磁效应;磁畴要足够小才能获得大的存储面密度;磁畴足够小则要求磁头和磁盘的间距足够小;足够小的间距则要求表面粗度足够小，表面形貌足够平整;由于磁头有极限尺寸、磁头/硬盘表面有极限距离，其存储密度存在极限值;硬盘盘片的转速越高，磁头的反应越灵敏，则读写速度越快;硬盘盘片必须平稳运行，不发生上下跳动，否则磁头与盘片会发生碰撞。基于这些认识，同学们各抒己见，有同学就磁畴的排列方式提出自己的看法;有同学就磁畴的极限尺寸提出观点;有同学就磁头和硬盘表面的加工方式和加工精度发表意见;也有同学认为磁记录技术终归有其极限密度，不能满足信息爆炸的需要，探索磁记录以外的存储方式，有同学查到IBM公司的千足虫芯片技术，其原理是利用一种微阵列杠杆机构在一种具有热变形特性的介质上标记凹坑的方式记录信息，消除凹坑来删除信息;还有同学研究磁头和硬盘盘片的驱动机构，有同学将拆下的音圈电机制作其它小工艺品。讨论结束后，不少同学根据自己有知识结构的特点以及自己的兴趣特点，丰富了自己的知识体系，达到知识建构的目的。

六、总结

利用广义实践环境的一般模式是，首先提出问题，布置学生去寻找答案，可以解剖身边能找到的实物对象，也可以上互联网搜索;然后就问题展开一次多向讨论，邀请有代表性的学生上讲台介绍其研究结果;最后教师就问题作总结。这时，其实问题的答案已不是最重要的，最重要的是学生通过这一过程，兴趣被激发，获得成就感，在讨论交往的被认可中得到心灵的满足;通过这一过程，学过的知识将被从大脑中再一次“调出来”，同时增加新的相关知识，促进知识的正向前移;广义实践环境的利用，也帮助学生逐步建立和完善自己的知识体系，达到知识建构的目的。

［1］湖南省教育厅组编.高等教育心理学［M］.长沙:湖南大学出版社，2007.

［2］冯忠良，等.教育心理学［M］.北京:人民教育出版社，2000.

［3］申儒林.摩擦学教学中学习迁移理论运用的探讨［J］.长沙铁道学院学报，2009，(1):90 －91.

2012－04－16

中南大学校级教改课题(713010003)

申儒林(1968－)，湖南邵东人，副教授，博士。