基于创意实验实践实验教学的创新教育

王聪慧+罗彦茹+赵大威+卢秀泉

摘要：以激发学生的探索激情、培养学生的综合设计和创造性思维能力为目标，基于“慧鱼创意组合模型实验”构建了研究性实验教学新模式。该模式借助网络平台，克服学时限制，通过设置贴合工程实际的设计任务，驱动学生主动、创造性地完成实验作品前期准备、设计方案实施和结果整理的研究性学习全过程。新模式实践效果较好，适合面向更多学生推广。

关键词：实验;创新;教学模式

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）42-0229-02

一、引言

当今世界，科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，是驱动国家发展的核心动力，为此十八大报告明确提出实施创新驱动发展的战略。创新离不开创新型人才，创新型人才兼具知识面宽、理论基础扎实、实践能力强、综合素质高、创造性思维活跃、团队意识强等特质[1]。高等工程教育对于培养创新型人才的重大任务责无旁贷。

二、现阶段创新人才培养方面存在的问题

基于创新性人才培养的目标，近10多年来高等工科院校教学改革如火如荼地进行着，并已经取得了令人欣慰的成果。比如，学科发展兼顾深度和广度，开设跨学科公选课程拓宽学生的知识面，开设专业性强的选修课程为精英学生提高专业素养提供机会;充分认识到实践教学在培养学生创新能力方面的重要作用[2]，配合理论教学的实验、课程设计、实习等实践环节在教学中的比重不断提高;各类以服务社会为宗旨的科技类竞赛层出不穷，促使学生从简单的模仿与重复的学习方式向理论联系实际，注重工程能力养成的学习方式转变等等。

尽管各大工科院校的教学改革成果斐然，但若要实现创新型工程人才的培养目标，教学改革在很多方面仍需不断深化。比如，尽管为了培养学生的工程意识和理论联系实际的能力，实践环节比重增加，实验课时数增多，但实验教学内容多数仍为匹配少数甚至是单一知识点的验证性实验，综合设计型实验比例少，难以全面锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力;在为数不多综合设计型实验的教学过程中，学生往往只需按照实验要求和操作提示完成实验，实验过程没有给学生提供自由思考、发挥、创造的机会，只单纯地锻炼了学生的动手能力，却仍然未能增强学生的创新意识，促成学生创新性思维模式的形成，提高学生创新性解决问题的能力[3]。

为充分发挥实验教学在培养学生创新能力方面的重要作用，我校从2002年开始，面向机械类大二本科生开设了“慧鱼创意组合模型”综合实验项目。该实验项目设立之初旨在通过利用德国慧鱼公司开发的慧鱼系列产品教具创意组合、搭接出实现一定功能的完整机械系统模型的过程，使学生熟悉机械系统概念，掌握机械系统运动方案设计方法，锻炼学生综合设计能力，提高学生创新意识和创新能力。该创意实验已开设10余年，然而受6学时学时数的限制，实验教学过程一直围绕着范例式教学开展。即学生往往只是从参考手册中选取一个机械模型，按手册给出的步骤搭接、调试完成。整个实验过程只是在简单的模仿中获取相应的技术知识，未能体现出创意实验开设的真正意图，没能充分立足学生，充分激发学生思考、学习和设计热情，没能全面锻炼学生的综合设计能力，没有提供给学生创新创意机会，提高学生的创新能力更是无从谈起。

三、以创新能力培养为目标的实验教学新模式构建

1.“慧鱼创意模型组合实验”简介。慧鱼创意组合模型是由德国慧鱼公司开发的工程技术类智趣拼接模型，部件采用优质尼龙塑胶制造，主要包括机械构件、各类传感器、微型电机、气动元件等。工业燕尾槽的专利设计，使得各部件能够任意组合、反复拆装，随心所欲搭接实现特定功能的机械系统模型。并可以利用计算机和控制软件，通过接口板实现对机械系统的自动控制。该模型是展示机械系统运动方案和设计原理的理想教具，是运动方案创意设计的便捷验证手段，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。为充分发挥该实验在提高学生研究性学习能力和综合设计能力，增强学生的创新意识和创新能力方面的优势，克服原有实验教学模式的不足，自2013起开始构建以学生为主，教师为辅，项任务驱动的研究性实验教学新模式，并面向学生进行试验性实施和逐步推广。新教学模式以激发学生探索激情、提高学生研究性学习和创新性实践能力为目标，在明确实验任务是设计、搭接和运行符合主题要求的机械系统模型的前提下，促使学生自主且有计划地进行作品前期准备、设计方案实施和结果整理，最终由教师给出成绩评定结果。整个实验过程强化学生的主体地位，教师只起辅助引导作用。

2.实验教学新模式实施。（1）作品前期准备：这是整个实验过程最核心、最关键的一步，却不占用分配的实验学时，需在正式进入实验室之前完成。学生从已建设好的实验课程网站中获取实验任务、主题，了解作品要求和成绩评定方法、准则，下载需自学的相关知识的文档和视频资料。学生自由成组，建议4～6人，确定设计主题，贴近工程实际设定功能要求，自行查阅参考资料、讨论功能实现原理，发散思维，综合运用和拓展各学科知识，创造新方案，也可对现有方案进行合理科学地改进，初步完成机械系统的运动方案设计，绘制出系统运动方案草图。（2）设计方案实施：正式进入实验室，领取慧鱼组件，按设计方案进行模型搭接、程序编制和系统调试，在此过程中不断修改、完善初始设计，及时捕捉创意性想法，实践检验其可行性和合理性，完成系统运行演示，确定机械系统的最终运动方案。（3）整理设计资料，撰写实验报告并提交。实验报告中需详细陈述作品的设计背景、功能、原理、运动方案、创新点、成果和应用意义。

3.教师辅助工作。为保证实验过程每一环节的顺利实施，实验指导教师须在相应环节做足准备工作，包括：建设实验课程网站。将实验任务、主题、实施前准备内容、作品要求、成绩评定方法和准则以及范例参考等在网站上公布，网站上同时提供自学内容下载，充分利用网络平台克服实验学时限制。开学初，理论课教师要提示学生到课程网站上了解实验相关内容，尤其是实验任务、主题和作品要求，下载并学习需自学的相关文件。设计作品主题。作品主题设计是实验能否顺利实施的关键问题之一，既要结合我校的学科优势（如工程机械、装备制造、汽车构造、仿生机械等），又要贴合工程实际，兼顾实验面向机械工程类学生的适应性，同时还要考虑学时限制。利用《机械原理》课堂教学（30分钟之内），教师或参加过创新大赛的学生进行基本技能讲解（包括搭接模型和软件编程）和主题作品准备辅导，引导学生贴近工程实际发现和分析问题，创新性解决问题，帮助学生对初步设计的机械系统运动方案进行可行性分析。关注项目实施过程，及时启发学生进行创意性思考。如搭接挖掘机工作装置，学生设计方案时通过自由度计算确定需要3个原动件，这时可以启发学生用2个能不能实现挖掘功能？工作性能差别在哪里？这一过程对启发学生的创新思维，提高学生的创新能力十分重要。指导教师对实验作品进行成绩评定，需综合考虑作品的完成情况、创新性、实验报告的撰写情况和学生个体在作品设计、实施和调试过程中的参与情况，最终给出每个学生的实验成绩。

4.实验教学新模式实践效果。实验教学新模式首先在机械工程专业的卓越班中进行了实践，图1为学生作品示例。

完成本实验后，学生普遍反映熟悉了机械系统运动方案设计的全过程，理解了机电一体化系统的内涵，了解了自己知识结构中的不足之处，深刻认识到创新在产品设计中的重要性，是应用所学理论知识解决工程问题的一次有效实践，是一次从大量信息中提取有用信息，并进行发散性思考、升华、演化成创意性设计的有益尝试，同时深刻意识到团队合作、分工协调的重要性。

四、结束语

从上述论述可以看出，基于“慧鱼创意组合模型实验”构建的研究性实验教学新模式，真正突出了学生在实践过程中的主体地位，通过明确的贴合工程实际的设计任务驱动学生积极主动地完成从资料信息收集、创意构思、运动方案设计、可行性分析、方案实施到结果整理的研究性学习全过程。激发了学生的探索激情，培养了学生的综合设计能力，启发了学生的创新思维，增强了学生的创新意识，实践效果较好，适合推广，使更多学生受益。

参考文献：

[1]杨洪涛，张新.慧鱼模型在机电类创新型人才培养中的应用[J].科技信息，2010，（20）：420-422.

[2]张仕娥，缪芸芸.机械工程类学生创新教育调查与探析[J].江苏科技大学学报：社会科学版，2006，6（4）：101-104.

[3]陈国松.我国重点大学本科工程教育实践教学改革研究[D].武汉：华中科技大学，2012：7-9.endprint