基于研究生创新思维方式培养的机械电子学课堂教学探索

刘春波 田勇

[摘 要]课题组以研究生学位课程机械电子学为对象，对课程内容、教学方法及考核方式进行改革，目的是通过课程的教学培养学生的创新思维方式。课题组建立了以案例为基础的课程内容体系，通过案例的讲解及优化过程强化学生知识应用的意识与能力，为创新思维的培养奠定坚实的基础。课题组按照科林·罗斯与马尔科姆·尼科尔所提出的加速学习法设计教学过程，引入“教育性”课程评价思想，鼓励学生进行有价值的创新。

[关键词]研究生;机械电子学;创新思维;教学方法;评价体系

[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）12-0171-03

科研创新思维的培养是硕士研究生教育的重要内容。科技的发展离不开创新，纵观世界的发展史，人类的一切科技成果都是创新思维的结晶，大到一个国家、民族，小到团体个人，不创新就没成就。习近平总书记关于创新思维的重要论述成为新时代中国特色社会主义思想的重要组成部分[1]。美国教育家泰勒（C.W.Taylor）曾经说过：创新活动不仅是对科学进步，而且对国家乃至全世界都有重要影响[2]。硕士研究生是国家科研创新发展的基础力量，培养硕士研究生的创新性思维是研究生教学的重要目标[3]。

近些年来，随着本科工程专业认证的推进，提高学生解决实际问题的能力、培养合格的工程师成为工科院校发展的重要目标。紧接其后的研究生教育也必须做出改进，才能顺应时代的发展要求。课堂教学是研究生教育的基础，在本科教育的基础上培养学生的创新思维是研究生教育的重要目标，因此，改革研究生的课堂教学势在必行。

创新的定义是个体根据一定目的，运用一切已有资源，生产出新颖、有价值的成果的行为。这里面有两个重要的关键词，一个是新颖，另一个是有价值。工科硕士研究生毕业后一部分会选择继续攻读博士学位，大部分学生会成为机械领域的工程师，无论是哪一种选择，创新思维对于他们来说都至关重要：攻读博士需要创新思维帮助他们创造新理论，或者发明新方法等;而成为工程师后，创新思维可以帮助他们设计开发有价值的新产品。创新思维的培养要从多个方面入手，是一个长期的过程，本文以硕士研究生学位课机械电子学为例阐述对学生创新思维的培养。

一、教学内容及方法改革

传统的机械电子学课程主要讲述的内容分成机械工程、控制系统、电子技术、电工技术和计算机技术等部分。其中有一部分课程学生在本科期间已经学过，因此，硕士研究生这门课的任务基本上是复习旧知识，学习添加部分的新知识，共32学时。由于学时较少，需要复习的内容较多，新内容的讲解非常少，效果也不理想，更谈不上对学生创新思维的培养了。

（一）课程内容优化

经过多年尝试，我们建立了以案例为基础的课程内容体系。具体内容及学时安排如表1所示。

本课程的特点是涉及内容较广，几乎涉及机械领域所有基础课程，因此所设计的考核方案为：在传统机器基础上设计一部未来的机器，包括机械、电器、控制等部分，说明每一部分所用到的本科知识，添加自己的合理想象，课上安排展示，可以分组也可以单独完成。考核结果计入期末成绩，占比30%。

课内的32学时分成三大部分，包括工程案例讲解、案例优化讨论与微机械电子系统（Micro Electric and Mechanical System， 简称MEMS）拓展。案例讲解部分共设计4个一体化系统工程设计案例，每个设计案例讲解4学时。每个案例侧重机械电子学系统的某一部分，分别为机械设计制造、控制系统、工程材料与信号检测与处理。每讲解完两个案例进行一次4个学时的课堂讨论，讨论课的内容主要是針对已经讲解过的案例进行优化创新设计。最后的8个学时用于知识拓展，即讲解目前机械电子学领域的科研热点微机械电子系统（MEMS），紧跟科技创新前沿，开阔学生眼界。

（二）教学方式改革

芭芭拉·沃尔伍德认为所有教师都要面临两个共同任务：让学生掌握课程内容和学会应用这些内容[4]。总的来说，掌握课程内容是应用的基础，而应用是检验所掌握内容是否有价值的手段，创新则是在前两项基础上的升华，教师只有在传授前两项内容过程中注重培养学生的创新思维，才有可能激发学生的创新意识，使其完成从无到有的创新升华。

1.基础知识部分放在课外

一直以来教师都在试图完成第一个任务（传授内容）上花费了大量的时间，因此留给第二个任务的时间是非常有限的。本课程仅有32学时，而机械电子学又是一门兼容并包的综合性课程，面面俱到地讲解的授课模式是非常不适合的，经过实践发现效果也非常差。考虑到本课程的一部分内容学生在本科时已经有所接触，例如与机械相关的机械设计、机械制造等，与控制和计算机技术相关的控制工程基础、机械工程测试等，与机械材料相关的机械工程材料、材料成型基础等以及基础的电工电子技术等。因此，完全可以把复习这部分内容转移到课外。同时，可将原理性较弱、应用性较强的信号采集与处理、单片机技术等内容嵌入工程案例分析部分讲解，将应用与应用性知识有机结合，可以让学生增强知识应用的记忆。由于学生在本科阶段已经具备了自学这些应用性较强课程的能力，教师所需要的就是列出部分相关参考资料，学生完全能够在课下通过自主学习或同学之间讨论的方式来解决。

2.工程案例讲解部分

当学生带着复习、自习过的基础知识进入课堂，教师可以在简单总结的基础上直接进入第二个任务阶段，即通过工程案例讲解基础知识的应用。课堂采用小组形式进行教学，通过小组成员之间的讨论可以弥补课下学习程度的差异，不同学生对不同部分内容的掌握程度可以通过讨论来平衡，取长补短。每个工程案例安排4个学时，其中前2个学时对案例中用到的基础知识进行总结，后2个学时则注重将总结过的知识综合应用于搭建案例工程。这个过程可以让学生了解所学基础知识的工程应用价值，也就是前述创新的第一个价值要素。这是创新的基础，也是培养学生创新思维的必经过程，当然这个过程需要学生与教师配合，其效果也取决于这种配合的程度。其中，学生要做的是课下进行充分的复习及自学，学习效果可以通过作业的形式展现并计入最终成绩。教师的任务则是通过寻找合适的工程案例全面展示基础知识的工程价值。

3.案例优化再设计部分

本部分的教学采用以问题为基础的模式，以工程案例讲解部分的内容为基础，学生以小组为单位总结各个案例的优缺点，提出优化设计方案并以PPT的形式向全班展示。从主动学习的整体观来看，学生在这种以问题为基础的教学模式下更容易发挥学习主动性，从一个现实的问题开始，进行了实质上的“做”的过程。最后通过PPT展示可以实现对学习过程及成果的反思。这个过程对学生创新思维的培养是至关重要的，只有以实际工程为基础的创新才是有价值的。

4.教学方式与加速学习法的对应关系

科林·罗斯与马尔科姆·尼科尔借鉴对大脑多元智能的研究成果，创造了加速学习法，包括图2所示的学习经历，呈现信息与观点和反思三大过程。本文针对机械电子学所设计的教学内容与方法可以准确对应加速学习的三个过程，具体对照内容如图1所示，课外基础知识学习阶段（包括本科阶段学习）属于经历部分，这一阶段学生可以在教师的帮助下获得必要的信息，探索信息的意义并运用不同的记忆策略进行联系、分类;工程案例讲解部分与信息和观点相对应，这里提供了详细陈述的机会，可以将经历阶段所获得的信息用于案例的设计与讲解，并与组内人员进行沟通交流、分享，完成知识应用及社会化的过程;最后案例优化部分与反思相对应，完成如何做才能变得更好这一步骤。加速学习法可以加速学生对新知识的学习，间接地奠定了创新思维培养的基础。

二、考核方式改革

著名教育家Walvoord 与Anderson 在他们的著作《有效评分》中提出了“认证性”评估和“教育性”评估的概念。典型的“认证性”评估包括一次期中考试与一次期末考试，最终按一定比例合成最终成绩。用考试作为最终成绩认定的标准，只能检验出学生对前一个学期所学内容的掌握情况。而“教育性”评估的主要目的是帮助学生更好地学习，包括前瞻性、自我评估、目标和标准及反馈。前瞻性评估由教师操作，自我评估由学生自己完成，评估的目标和标准制订由学生与教师共同参与完成，最后一步是反馈。

本课程取消普遍实施的卷考成绩加平时成绩的评定方式，采用更加科学的“教育性”评价体系。

最终成绩由以下三部分构成：

1.前瞻性评估指的是通过特定问题评价学生在掌握特定知识基础上的应用情况。本课程中为检验学生课外自学成果而布置的大作业，即自己设计理想中的机器，目的就是通过机器的设计将自学的内容进行实际应用，属于前瞻性评估部分，占期末成绩的30%。

2.自我评价部分包括用标准评价其他学生的学习和用标准评价自己的学习，本课程中重点运用自我评价的后半部分。进行课内设计案例讲解时，需要学生与教师积极互动，运用课下所复习的基础知识对课堂讲解的案例进行评价，因此，学生的课堂表现直接反映了课下复习的程度，也直接决定了课上的学习效果。自我评价自己的课堂表现可以让学生真实感受到自己的优点及不足，确定自己努力的方向，为创新思维的培养打下良好的基础。自我评价成绩占期末成绩的30%。

3.课内案例优化及拓展部分是创新型思维培养的关键环节，在前两项内容的基础上，调动学生主动学习的积极性，运用一切可用资源，对已讲设计案例进行创新优化设计。本部分分组进行，组内学生进行详细分工，最终运用PPT形式进行制作与展示，组间进行评比与反馈，最终由小组互评与教师评价相结合得到总成绩，占期末成绩的40%。这一评价环节包含自我评价的前半部分，即评价其他学生的学习和反馈两部分，标准由学生与教师共同确定。

通过课程考核方式改革，任课教师与学生之间不再是简单的讲与被动的听的关系，而是以学生为主、教师为辅的关系，逐步培养学生的主动学习意识，这是创新思维培养的关键一环。主动学习被简明定义为：任何可以吸引学生到学习实践中的活动，及促进他们思考的活动[5]。学生只有先学会思考，才有可能进行创新。

主动学习包括三个元素（如图2所示）：实践观察经历、自己主动获取的信息与观点、反思。本课程的改革从课程内容、教学方法到考核方式都体现了这三个要素，其具体关系为：

1.课下自学部分对应经历与信息，可以通过实践、模拟等多种方式对已学知识进行复习和扩展;最终考核方式是设计自己的机器，这部分对应观点，需要在已有知识的基础上阐述自己的观点并将其体现在实际设计的机器中。

2.课上讲解部分主要对应观点和反思，通过经典案例分析及优化过程讲解可以学习前人的观点、传统的观点，然后与自己的观点进行对比和反思，促进以后的学习和应用，完成创新的初级阶段，水到渠成地引导学生进行创新。

3.通过考核方式的改革，引入“教育性”评价的思想，鼓励学生重视创新并进行有价值的创新。

三、结论

本文对研究生机械电子学课程教学内容、教学方法及考核方式进行改革，目的是通过课程培养学生的创新思维。課题组通过课外基础知识自学，课内案例讲解及优化与MEMS;教学过程中重视对学生创新思维的培养及应用;引入“教育性”评价思想，合理设计考核环节，实现过程性评价等一系列措施，完成了课程改革，培养了学生创新思维及能力。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 庄明华.从改革研究生课堂教学方式谈对研究生科研思维的培养[J].汕头大学医学院学报，2001（4）：302-304.

[2] 周新贵.利用课堂教学培养研究生科研创新思维的几点体会[J].高等教育研究学报，2003（4）：69-70.

[3] 何群，严建业，夏新华，等，关于培养药剂学研究生科研创新思维能力的探讨[J].西北医学教育， 2015（4）：604-607.

[4] Barr R B， Tagg J，From Teaching to Learning：A New Paradigm for Under - Graduate Education[J]. Change， 1995（6）：13-25.

[5] L·迪·芬克.创造有意义的学习经历[M].杭州：浙江大学出版社，2001.

[责任编辑：刘凤华]

[收稿时间]2020-06-30

[基金项目]河南省高等教育教学改革研究与实践项目（hnyjs2018kc13）。

[作者简介]刘春波（1978-），女，黑龙江绥化人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：流体传动与控制、非牛顿流体等。