《机械优化设计》课程研究性教学模式的研究

蒿丽萍

(内蒙古广播电视大学，内蒙古 呼和浩特 010011)

《机械优化设计》课程研究性教学模式的研究

蒿丽萍

(内蒙古广播电视大学，内蒙古 呼和浩特 010011)

研究性教学是融教学与研究于一体的教学模式，涉及教学内容设计、课堂教学组织、学习资源建设、实践教学组织和课程考核改革等方面。通过教学模式的研究与实践，培养学生学科研究思想、学术交流和创新思维能力，使科学研究与教育教学需求相互渗透，为学习者提供自主知识建构的学习支持服务，实现对知识的自主学习和自主建构。

机械优化设计；建构主义；研究性教学；知识建构

一、问题的提出

知识和能力、学习和研究是相互促进的，在课程教学中渗透科学研究的思想和方法，进行研究性教学是高等教育教学改革的重要内容。对于现代远程教育者来说，这是一个全新的课题。《机械优化设计》是广播电视大学机械制造及其自动化(本科)专业的统设必修课程，其特点为：涉及数学、机械设计和计算机等多个学科相关知识，课程概念抽象、理论描述多、数学公式多且推导复杂、相关知识及技能发展更新快、理论教学与实践教学并重，等等[1]。教学中不仅要把理论知识传授给学生，更重要的是通过课程的教学和实践，培养学生学习和研究能力，运用所学知识和实验技能发现问题、思考问题、分析问题和解决问题。传统教学存在的问题：注重学科知识传授，以注入式教学为主，把课程内容看成预成的、固定的，忽视了课程内容的生成性和建构性等；缺乏对学生科学研究的训练和工程思维能力的培养，忽视对学生自主学习、独立思考、自主探究能力的培养。

笔者根据多年来的教学实践，从课程教学内容设计、课堂教学组织、学习资源建设、实践教学组织和课程考核改革等方面进行教学改革与实践，提出融科研与教学于一体的研究性教学模式[2]。

二、研究性教学模式的理论指导

1．研究性教学理念

研究性教学是依据课程教学大纲和教学目标，通过教与学的过程创设的，类似科学研究的学习情境，通过一系列教学活动培养学生学科研究思想、学术交流和创新思维能力，使科学研究与教育教学需求相互渗透，促进知识积累和能力发展。研究性教学理念可概括为：自主探究的学习方式、沟通与合作的教学过程、信息化和网络化的教学环境[3]。其设计思想：提供有利于学生自主建构知识的、良好的学习环境，激发学生学习的主动性和积极性，实现对知识的自主学习和自主建构[4]。教学过程应更好地发挥教师“主导”、学生“主体”以及学习资源的支持作用，以科学研究的方法设计课程研究的问题，选择适宜的教学方法组织教学，帮助学生自主建构知识和发展知识，帮助学生学习和感悟科学研究的思想和方法。

网络技术的发展为研究性教学提供了技术支撑，为使研究性教学模式顺利实施，课程教师建设了课程学习和研究平台，为学生自主探究学习提供了丰富的学习资源，为学生与教师教学互动提供了开放的学习环境，实现师生、生生间的实时和非实时互动，也将课堂教学延伸到课堂之外，扩大学生探究学习的空间。

2．教学模式的理论指导

研究性教学模式是在建构主义学习理论指导下进行探索和实践的。建构主义学习理论强调以学生为中心的远程教育理念，认为学生是知识意义的主动建构者。

建构主义学习理论对研究性教学模式的指导作用：(1)重视探究学习。建构主义强调科学知识是暂时的、主观的和建构的，知识的正确性和先进性会随着社会进步和科学技术发展不断发展、更新，甚至被推翻。因此，不应该把知识作为预定的内容传授给学生，应由学习者基于自身的经验背景主动探求和建构。(2)创设真实的学习情境。教学模式设计不仅局限于学科知识的传播和学习方法、技能的掌握，更应注重学习情境的创设和学生对工程实践的感性认识。选择多种教学方法组织教学，如网上主题论坛、课程答疑等。引导学习者进入情境，帮助学生进行知识建构和对问题进行思考和研究，逐步提高创新意识和能力。(3)重视学习资源及环境建设。为学习者提供适合自主学习的数字化教学资源和支持研究性学习的学习平台，包括课程教学内容、教学信息、参考资料和与教学内容有关的信息资源，还包括大量工程实例以及科研成果，使研究性教学更加贴近现实工程实际。(4)基于知识专题和科研探究进行教学设计。以知识专题、问题为导向进行教学设计，采用启发式教学引导学生探索问题和分析问题，指导学生利用科学研究和创造性思维的方法进行学习，引导学生把学习收获转化为解决问题的思路和能力。(5)教学和科研相融合。根据教学进度，适时将当前机械设计学科的最新研究成果以及教师的研究成果置入教学内容中，使学生感知课程知识对科学研究的促进关系，使教学与科研相融合。

三、研究性教学模式设计与实践

基于网络的研究性教学模式如图1所示。

图1 《机械优化设计》课程研究性教学模式

1.教学设计

(1)教学内容设计。研究性教学应保障知识传授的主体地位，重点是教学方法的改革,注重知识的生成过程和应用过程，把握知识点的独立性、关联性和应用性。根据课程教学目标和课程特点，科学合理选择和组织教学内容是教学模式的顶层设计[5]。研究性教学模式的教学内容组织，打破以往按课程章节顺序开展教学活动的惯例，根据学生学习能力和知识层次的差异，将教学内容分为多个层级，即基础理论知识学习、工程实践能力培养和研究能力提高等，由浅入深地提出一系列问题以及知识专题，通过知识专题教学以及问题的研究、分析和解决，进行课程教学内容的讲授。本课程教学内容包括优化设计基本概述和基本理论、优化设计涉及的数学基础、无约束多维问题的最优化方法、约束问题的最优化方法、多目标函数的最优化方法、优化设计数学模型、优化设计实例，等等[6]。

(2)知识专题设计。根据课程教学内容确定了五个知识专题：优化设计基本概念、优化设计方法、优化设计数学模型、优化设计软件在机械优化设计中的应用、机械优化设计实例。

(3)探究问题提出。根据知识专题提出五个探究问题：优化设计在机械设计中的应用、常用算法的特点及其能解决的工程问题、约束优化与非约束优化的关联、工程实际中多目标优化设计实例、优化设计工具MATLAB的特点及使用等，根据教学进度进一步细化为若干个子问题进行讨论和分析。

2.课堂教学

(1)教学方法选择。通过与科学研究相似的教学过程，使学生学习和体验科学探究方法，拓展思考问题的深度和广度。本课程主要采用的教学方法：第一，问题驱动教学法[7]。针对知识专题设计一系列启发式问题，通过问题的提出、分析和解答，揭示课程知识的内在联系。第二，案例教学法。通过案例选择、分析和总结等，提高学生对学科知识的感性认识。首先，案例选择，选择与教学内容密切相关或学生熟悉的工程设计项目作为案例。笔者以近年科研课题和收集整理的知名专家研究成果作为案例进行教学，如：2012年科研课题“三级斜齿圆柱齿轮减速器优化设计”。其次，案例分析和讨论，引导学生分析、理解案例的设计条件、设计要求，以及优化设计涉及到的知识点，鼓励学生积极参与讨论，并提出个人见解。对案例分析和讨论进行归纳和总结，指导学生进行目标函数的建立、确定设计变量，指导学生使用MATLAB进行优化设计，分析优化设计结果。最后，案例总结，使学生由感性的、零散的分析上升到理性的、完整的认识。第三，理论教学与实践教学相结合教学法。实践教学贯穿课程教学全过程，通过实践促进理论知识的深度理解和掌握。第四，探究教学法。引导学生依据教学目标，自主确定研究主题(小设计或大作业)，运用科学研究方法，通过多维互动，使学生主动探究问题，建构性地获取知识和技能的发展。

(2)混合式教学。研究性教学并不是取缔课堂教学，它强调课堂教学方法的改革，既把专业基础知识系统地传授给学生，又能培养学生掌握科学研究方法和思想、进行自主学习和自我管理。开放教育研究性教学过程是基于网络环境的多媒体教学、课堂面授、网上互动教学和学生自主学习相结合的混合式教学模式。

第一，多媒体教学。多媒体教学是研究性教学的主要手段，多媒体教学不仅实现了课程知识的直觉思维与逻辑思维的相互结合，还实现了知识的主动建构。利用机械设计过程和机械产品运动过程的场景实录、模拟和仿真等课件，使一些概念抽象且难懂的知识、传统教学中无法展示的工程现象变得直观且形象。教学中，教师充分发挥多媒体教学形式多样、信息量大的优势，正确选择教学媒体，科学处理教学媒体与教学内容、教学媒体与教学过程的相互关系，提高了教学效率，增强了学生的学习兴趣，收到良好的教学效果。

第二，课堂面授。课程根据知识专题安排了五次面授教学。教学中，开门见山地提出每节课的知识专题、需要解决的问题和教学目标；采用启发式、问题式教学方法进行重难点讲授，讲清思路、讲清概念，尽量避免公式推导和微观抽象概念的讲授，适时引入案例对教学内容进行丰富和补充，使学生对理论知识和问题理解更加深刻；对本节课进行小结，提出下节课探究的问题，启发学生课下思考和讨论。

第三，网上互动教学。一是开展网上主题讨论，培养学生的发散思维和主动获取知识的能力。根据课程知识专题，设计了五个讨论主题并提出具体要求，各讨论主题既相互独立又相互关联。在此基础上，引导学生与教师进行讨论，每次主题讨论结束，教师均进行认真总结，并将相关内容上传教学平台。二是互动教学。教师将教学中提炼出的共性问题发布在课程论坛中，在师生讨论的基础上，教师对一些难点、热点问题进行讲解和答疑。通过互动，教师了解学习者的学习效果和存在问题，及时调整教学策略。三是协作学习。在教师的指导下，由多个学习者基于网络共同完成某个学习内容或个案学习。

第四，自主学习。学生利用网络平台和多媒体教学资源，清晰地了解课程的教学内容、考核方式和学习方法等，制订适合自己的自主学习计划，并进行自主学习。

3.学习资源建设

学习资源建设是研究性教学开展的重要支撑，应充分考虑学习主体的多元性和学习需求的多样性，开发多样化、可选择的学习资源，以适应不同学习需求和知识起点的学习者自主学习的需求。本课程学习资源包括数字化学习资源和网络学习平台两部分。

(1)数字化学习资源。包括文本资源、多媒体资源和教学案例。其中，文本资源包括课程说明、教学大纲、教学实施方案等教学指导性文件，还包括课程重难点讲授、共性问题答疑等辅助学习材料；多媒体资源包括网络课程、CAI课件、VOD视频和微课程等。教师将教学实践活动中总结出来的案例、科研成果以及收集整理的知名专家科研成果等上传教学平台。

(2)网络学习平台。网络学习平台承载着海量数字化学习资源传输和大规模在线学习。为了跟踪学科研究前沿和便于师生交流，该教学平台还设有学术动态和师生互动两个模块。教师通过网络教学平台，动态建设学习资源、组织网上教学活动，把课堂教学延伸到某一工程应用案例或问题中。学生通过网络平台进行自主学习和自我管理。

4.实践教学

《机械优化设计》是一门实践性较强的课程，通过实践教学可以加深对本课程理论知识的理解，培养学生运用优化设计方法解决工程实际问题。本课程实践教学包括三部分：一是开放性生产实训。学生到工程技术单位参与技术人员设计项目，或配合教师完成机械设计科研项目，通过生产实训，使学生了解机械产品优化设计过程，培养学生动手能力。二是课程实验。课程实验是本课程最主要的实践教学环节，实验内容的深度和难度循序渐进。课程实验分必做、选做两部分。必做实验是教学大纲规定的实验项目，主要是基础实验和验证性实验；选做实验是为拓展学生知识面，锻炼学生工程设计能力设计和提出的实验，主要是探究性、设计性和综合性实验。三是课程设计(大作业)。综合运用课程理论知识，科学制定设计方案，正确处理实验数据、编程和调程、独立解决工程实际问题。通过课程设计，使学生得到运用所学知识解决工程技术问题的训练。

5.课程考核

《机械优化设计》课程理论知识多、概念抽象、公式多且推导复杂，大部分学生感觉本课程难度大、很难通过考试。自2012年以来，笔者根据多年的教学实践对课程考核方式进行了改革，加大对学生知识理解及应用能力的考核。新的考核模式由终结考核和形成性考核两部分构成[8]，各部分比例为7∶3。其中，终结考试采用半开卷形式，考前给学生发一张专用草稿纸，通过自主学习，学生把自己认为比较重要的公式、概念写在纸上，带到考场，学生不用花费大量的时间背公式、记概念，将主要精力放在对课程理论知识的理解、应用所学知识分析问题和解决问题上；形成性考核包括平时作业、课程设计、上机实验和平时成绩四部分，各部分比例3∶2∶3∶2。平时作业考核学生是否按教学进度进行自主学习；课程设计，开课前布置1-2个机械优化小设计，学生根据教学进度逐步完成，结课时提交；上机实验考核学生实验能力和水平；平时成绩考核学生出勤情况和平时表现，等等。

6.教学评价

(1)学生评价。第一，学习效果评价。对学生理论知识掌握情况和工程实践动手能力进行评价。理论知识掌握情况通过作业完成情况、终结考试成绩和基于课程教学平台的在线测试等进行评价。工程实践能力评价通过学生实践动手能力、课程设计能力及水平等进行综合评价。第二，学习过程评价。通过教学平台的“学生学习过程统计”模块对学生学习资源使用情况、网上教学参与情况等进行监控、评价和反馈。第三，学生自我管理。根据上述评价，学习者进行自我管理和调整。

(2)教师评价。根据教学日志、网上教学平台相关信息等对教师教学资源建设、互动教学组织与管理等进行全面、综合性评价，教师根据评价信息，及时进行教学策略调整。

实践证明，研究性教学模式促进了学习者对学习内容的深刻理解与掌握，使学生主动感知和探究课程相关知识和技能，收到了良好的教学效果。与2011年相比，2012年本课程期末考试平均成绩提高2.3分、2013年提高3.5分，而且毕业设计中学生动手能力、分析和解决问题能力明显提高。

四、结束语

《机械优化设计》研究性教学模式将科学研究方法和思想融入课程教学中，充分发挥教师的主导作用和学生的主体地位，使学生通过与科学研究相似的教学活动，提高对本课程学习的积极性和主动性，使学生逐步形成观察问题、提出问题、分析问题和解决问题的思路，实现知识和能力的互动发展。

[1]武照云，刘晓霞，等.《机械优化设计》课程教学研究与改革[J].机械管理开发,2011(1):190-191.

[2]马履中,杨启志，等.“机械优化设计”课程教学改革[J].江苏大学学报(高教研究版),2003(4):95-97．

[3]许晓东,卞良.本科工程教育研究性教学探索与实践 [J].高等工程教育研究,2014(2):43-47.

[4]屈波,程哲，等.基于自主性学习和研究性教学的本科教学模式的研究与实践[J].中国高教研究,2011(4):85-87.

[5]王林军,吴海华.机械优化设计双语教学的研究与实践[J].中国电力教育,2013(4):104-107.

[6]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社,1994:65-135.

[7]刘子建,赵翠，等.“机械CAD技术”课程研究性教学探讨[J].中国大学教学,2010(1):46-48.

[8]弯艳玲,丛茜.教学与科研相结合研究型教学体系构建与实践[J].长春理工大学学报,2013(4):222-224.

ResearchonInquiryTeachingModeloftheCourseMechanicalOptimizationDesign

HAO Liping

(Inner Mongolia Radio & TV University, Hohhot, Inner Mongolia 010011, China)

Inquiry teaching model integrates research and teaching into one, involving teaching content design, organization of classroom teaching and learning resources construction, reform of practice teaching organization and course examination. Students’ disciplinary research, academic exchange and innovative thinking ability can be cultivated by means of the research and practice of teaching mode, making mutual penetration of scientific research and education teaching needs, providing learning support services for learners based on independent knowledge construction, realizing the autonomous learning for knowledge and independent construction.

mechanical optimization design; constructivism; inquiry teaching; knowledge construction

2014-10-11

蒿丽萍(1960-)，女，内蒙古呼和浩特人，副教授，主要从事远程教育、计算机教学研究。

G642

A

1008-469X(2014)06-0081-04