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一、科學(xué)主題與科學(xué)概念
科學(xué)知識(shí)領(lǐng)域分為物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)等學(xué)科。但是我們知道這是人類為了某種方便而化分的,不同學(xué)科之間有著密切的聯(lián)系,我們可以借助一些共性的主題將它們統(tǒng)攝起來(lái)。美國(guó)加州的科學(xué)“框架”提煉了六個(gè)科學(xué)主題,分別是能量、演化、變化的形式、尺度與結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、系統(tǒng)與相互作用。[1]
科學(xué)主題是科學(xué)中具有統(tǒng)攝性思想的內(nèi)容,而小學(xué)科學(xué)課程涉及的知識(shí)大多為科學(xué)現(xiàn)象和對(duì)這些現(xiàn)象的歸納解釋。這些現(xiàn)象是基本事實(shí),而對(duì)這些事實(shí)的歸納解釋有一些是表層的,是表象性概念,教師在授課的時(shí)候不應(yīng)該陷入瑣碎的基本事實(shí)和表象性概念當(dāng)中,因?yàn)閷?duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)重要的不是記住這些事實(shí),而是學(xué)習(xí)這些事實(shí)背后蘊(yùn)含的共性的、有代表性的知識(shí)。[2]這些知識(shí)具有一定的擴(kuò)展性和可遷移性,它在地位上低于科學(xué)主題,能進(jìn)一步深化,逐步上升到科學(xué)主題,最終上升到哲學(xué)層面,影響我們的世界觀、情感態(tài)度、價(jià)值觀。這些比一般事實(shí)和概念更具有代表性的知識(shí)也就是我們說(shuō)的科學(xué)概念。它們之間的上下位關(guān)系可以用下圖表示。
通過(guò)這樣逐層的學(xué)習(xí),學(xué)生獲得了一種觀念,提升了一種能力?;蛘哒f(shuō),學(xué)生獲得的是具有生命力的知識(shí),這種知識(shí)不是記憶的,而是能廣泛應(yīng)用的。
二、實(shí)例
現(xiàn)以北京版科學(xué)教材五年級(jí)第五冊(cè)第三課“簡(jiǎn)單機(jī)械”這一單元為例來(lái)分析科學(xué)概念。
簡(jiǎn)單機(jī)械這一單元,內(nèi)容包括杠桿、滑輪、輪軸、斜面、齒輪、簡(jiǎn)單機(jī)械組合。目的是讓學(xué)生接觸簡(jiǎn)單機(jī)械,了解簡(jiǎn)單機(jī)械的作用、原理和特點(diǎn)。
1.事實(shí)與表象性概念
事實(shí)如下:
(1)杠桿:動(dòng)力臂大于阻力臂時(shí)省力,費(fèi)距離;動(dòng)力臂小于阻力臂時(shí)費(fèi)力,省距離。力臂相等時(shí)力相等。
(2)滑輪:滑輪是杠桿的變形,定滑輪相當(dāng)于等臂杠桿,不省力,能改變力的方向。動(dòng)滑輪相當(dāng)于動(dòng)力臂是阻力臂的兩倍,可省一半力,距離增加一倍。動(dòng)滑輪不能改變力的方向。
(3)輪軸:杠桿的變形,輪的半徑相當(dāng)于動(dòng)力臂、軸的半徑相當(dāng)于阻力臂。輪的半徑相對(duì)于軸半徑越大,越省力,越費(fèi)距離。
(4)斜面:斜面高度相同的情況下,斜面越長(zhǎng)越省力。
(5)齒輪傳動(dòng):轉(zhuǎn)速越大,扭矩越?。晦D(zhuǎn)速越小,扭矩越大。
(6)自行車上的簡(jiǎn)單機(jī)械。自行車變速。
表象性概念:省力杠桿、費(fèi)力杠桿、杠桿的分類。
2. 本單元的知識(shí)上下位關(guān)系
(1)能量守恒
本單元一條重要的上下位線索是力與距離的關(guān)系。從簡(jiǎn)單機(jī)械是否省力、是否省距離這些基本事實(shí),可以得出簡(jiǎn)單機(jī)械不可能既省力又省距離的結(jié)論。這就是功的原理,使用任何機(jī)械都不省功。功的原理適用任何機(jī)械,無(wú)論是杠桿還是斜面或是齒輪。在物理學(xué)中,功是力對(duì)空間的累積作用。因而不可能既省力又省距離,或者說(shuō)使用任何機(jī)械都不省功。功是能量轉(zhuǎn)化的量度,不省功是能量守恒的表現(xiàn)。因此,科學(xué)概念是功的原理,深化為能量守恒,對(duì)應(yīng)科學(xué)主題是能量。
(2)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡
從杠桿和杠桿的變形(如滑輪和輪軸)等具體事實(shí)可以得出動(dòng)力和動(dòng)力臂的乘積等于阻力和阻力臂的乘積這一認(rèn)識(shí),即杠桿原理或杠桿平衡條件。杠桿平衡是一種轉(zhuǎn)動(dòng)平衡,也叫力矩平衡。杠桿是定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),通常是定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)平衡要求力矩矢量和為零,在這里就是杠桿平衡條件。因此,科學(xué)概念是杠桿原理,深化為轉(zhuǎn)動(dòng)平衡,對(duì)應(yīng)科學(xué)主題是穩(wěn)定性。
(3)根據(jù)用途來(lái)選擇使用工具
簡(jiǎn)單機(jī)械可以省力費(fèi)距離,可以省距離費(fèi)力,也可以不省力不省距離改變方向。這都有具體實(shí)例。簡(jiǎn)單機(jī)械沒(méi)有好與不好之分,關(guān)鍵要看我們用來(lái)做什么。即簡(jiǎn)單機(jī)械的目的是滿足我們的用途。因此,科學(xué)概念是根據(jù)用途來(lái)選擇使用工具。這是從技術(shù)方面來(lái)理解知識(shí)。其上位觀念是技術(shù)源于人類的需求和愿望。
三、總結(jié)
掌握了功的原理這一科學(xué)概念,學(xué)生在遇到未知機(jī)械,如自行車變速、液壓機(jī)、汽車換擋變速等情況時(shí)就比較容易理解了。掌握了杠桿原理這一科學(xué)概念就容易知道,杠桿省力或費(fèi)力要看力臂,而找力臂關(guān)鍵是找支點(diǎn)。而學(xué)生學(xué)習(xí)了根據(jù)用途來(lái)選擇使用工具這一科學(xué)概念就會(huì)對(duì)技術(shù)有更深刻的認(rèn)識(shí)。
教學(xué)過(guò)程中有一些概念對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)比較難理解,要到初中、高中才學(xué)到,比如功的概念、力矩的概念。這時(shí)教師不需要急于把這個(gè)概念塞給學(xué)生,可以用一些方法略作滲透。比如講功的原理時(shí)不能講功的概念,這就要多強(qiáng)調(diào)機(jī)械不可能既省力又省距離。再比如講杠桿原理時(shí),可以轉(zhuǎn)化為使杠桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的效果與使杠桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的效果抵消了,杠桿平衡了,這樣既可以回避力矩的概念,又聯(lián)系到了力矩的本質(zhì)。
如何將科學(xué)概念滲透給學(xué)生,如何將抽象化為具體,這需要教師創(chuàng)造性的勞動(dòng),也是教師價(jià)值得以體現(xiàn)之處。
參考文獻(xiàn):
[1]California State Board of Education.Science Framework for California Public Schools: Kindergarten Through Grade Twelve[M]. Development and Supplemental Materials Commission,1990:39.
關(guān)鍵詞:機(jī)械專業(yè);分析力學(xué);教學(xué)內(nèi)容;授課方法
中圖分類號(hào):O342 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2016)11-0174-02
一、分析力學(xué)課程特點(diǎn)和內(nèi)容
分析力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)分支,其嚴(yán)格定義目前尚未有一致性結(jié)論[1]。一般認(rèn)為分析力學(xué)是以廣義坐標(biāo)為手段,虛位移原理和動(dòng)力學(xué)普遍方程為理論基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法研究力學(xué)問(wèn)題的一門(mén)學(xué)科[2]。1788年,拉格朗日重要著作《Mécanique Analytique》的出版,標(biāo)志著分析力學(xué)的初步形成。之后在各國(guó)學(xué)者的推動(dòng)下,分析力學(xué)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,并且有了更豐富的內(nèi)涵和外延。
分析力學(xué)學(xué)科具有以下特點(diǎn):(1)以標(biāo)量的“能量”以及廣義坐標(biāo)、廣義力為中心;(2)不考慮理想約束力,因此比起牛頓力學(xué),更適于處理約束系統(tǒng);(3)高度數(shù)學(xué)化,有理論深度;(4)應(yīng)用廣泛,已超出經(jīng)典力學(xué)范疇。
分析力學(xué)學(xué)科包含如下內(nèi)容:拉格朗日力學(xué)、哈密頓力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變分原理、微振動(dòng)理論、剛體動(dòng)力學(xué)、天體力學(xué)、穩(wěn)定性理論、Noether定理、Birkhoff系統(tǒng)、幾何力學(xué)等。其中,傳統(tǒng)工科分析力學(xué)的授課內(nèi)容一般為前三部分,而理科分析力學(xué)的內(nèi)容要更為廣泛一些。
二、機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)課程存在的問(wèn)題
對(duì)于機(jī)械專業(yè)來(lái)講,其研究對(duì)象為受約束的機(jī)構(gòu),研究?jī)?nèi)容為機(jī)械振動(dòng)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等。對(duì)于機(jī)械振動(dòng),分析力學(xué)可使其建模方法更加規(guī)范化;對(duì)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué),由于其存在大量的約束,采用分析力學(xué)方法建模更加便捷。因此,機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)課程的開(kāi)展是非常必要的。
目前對(duì)于機(jī)械專業(yè)的分析力學(xué)課程,還存在一些值得探討的問(wèn)題。首先,這門(mén)課程一般只作為選修課,課時(shí)有限,授課時(shí)必須有所取舍和側(cè)重;其次,工科學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)理科學(xué)生略顯薄弱,但課程中存在一些數(shù)學(xué)背景深厚的概念,因此需要在課程的嚴(yán)謹(jǐn)性和易懂性之間取得一定的平衡;最后,分析力學(xué)即使在力學(xué)課程中也是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科,因此在授課時(shí)應(yīng)注意將其知識(shí)與其他力學(xué)課程中的知識(shí)串聯(lián)在一起,而不是孤立地講授。
下文針對(duì)這些問(wèn)題,討論了機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)課程內(nèi)容的設(shè)置,并闡述了筆者在講解一些重要內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)時(shí)相比傳統(tǒng)的授課方法進(jìn)行的具體改進(jìn)。
三、機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)課程的內(nèi)容設(shè)置和講授方法
上文提到,機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué),因此,課程的設(shè)置應(yīng)偏重于拉格朗日力學(xué),尤其是第二類拉格朗日方程。
(一)第一章 緒論
講述近代力學(xué)發(fā)展史、分析力學(xué)的大致定義、分析力學(xué)的特點(diǎn)。在近代力學(xué)發(fā)展史講授中,要突出分析力學(xué)尤其是拉格朗日力學(xué)的地位,提高學(xué)生對(duì)課程的重視性。講述分析力學(xué)特點(diǎn)時(shí),要明確指出其最大特點(diǎn)是適合處理約束系統(tǒng),以區(qū)別理論力學(xué)所學(xué)的知識(shí)。
(二)第二章 分析運(yùn)動(dòng)學(xué)
這部分屬于基礎(chǔ)知識(shí),授課內(nèi)容靈活性不大,講授內(nèi)容包括:約束、等時(shí)變分、虛位移和自由度、廣義坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的分析法。
對(duì)于第一部分約束,筆者相比其他一些傳統(tǒng)教材,加入了判斷微分約束是否可積的方法。因?yàn)閷W(xué)生在接觸到微分約束不一定是非完整約束這個(gè)結(jié)論的時(shí)候,很自然地會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題:究竟哪些微分約束才是可積的?該部分的內(nèi)容填補(bǔ)了這個(gè)空白。
第二部分內(nèi)容等時(shí)變分實(shí)際上在這里講授顯得較早,但是該部分內(nèi)容作為基礎(chǔ),可以使得下一部分內(nèi)容虛位移中變分符號(hào)的出現(xiàn)不顯得太過(guò)突兀。另外通過(guò)學(xué)習(xí)變分的運(yùn)算法則,學(xué)生才能夠從坐標(biāo)的約束方程得到各虛位移之間的約束方程。
第三部分內(nèi)容與傳統(tǒng)授課相比,筆者主要針對(duì)自由度這個(gè)概念將學(xué)生所學(xué)知識(shí)橫向比較。對(duì)于自由度的概念,學(xué)生在許多課程中都有學(xué)習(xí),但不同課程由于研究對(duì)象不同,對(duì)其定義也會(huì)有所偏差。例如,振動(dòng)力學(xué)由于不涉及非完整約束,就可以把自由度定義為描述系統(tǒng)位形的最少坐標(biāo)數(shù)。另外還要對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào),自由度數(shù)與所研究的問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)有關(guān),例如四連桿機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度,但如果考慮連桿的彈性振動(dòng),則有無(wú)限個(gè)自由度。
第五部分內(nèi)容運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的分析法是大部分傳統(tǒng)教材所沒(méi)有的,內(nèi)容主要參考了教材[3]。通過(guò)學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容可以基于坐標(biāo)之間的關(guān)系得到速度之間的關(guān)系,避免了采用理論力學(xué)的基點(diǎn)法。這樣一來(lái),即使學(xué)生理論力學(xué)基礎(chǔ)較差,也不會(huì)太過(guò)影響這門(mén)課程的學(xué)習(xí)。
(三)第三章分析靜力學(xué)
這部分內(nèi)容設(shè)置靈活性同樣不大,講授內(nèi)容包括:廣義力、虛位移原理、拉格朗日-狄里克雷定理。
第二部分虛位移原理的使用范圍本應(yīng)是“理想約束、雙面約束、實(shí)位移是虛位移中的一個(gè)”。但是學(xué)生對(duì)于“實(shí)位移是虛位移中的一個(gè)”這個(gè)表述一般不易理解。因此可以放寬為“理想約束、雙面約束、定常約束”,這樣并不影響學(xué)生應(yīng)用該原理。對(duì)于例題的設(shè)置,可以選用一些材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)求解梁支座約束力的題目,以體現(xiàn)分析力學(xué)的基礎(chǔ)性。
第三部分拉格朗日-狄里克雷定理是虛位移原理在保守系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。對(duì)于平衡穩(wěn)定性的概念,可以引入材料力學(xué)的壓桿穩(wěn)定性和流體力學(xué)中繞流物體的穩(wěn)定性進(jìn)行類比,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)具有普遍意義的概念。
(四)第四章分析動(dòng)力學(xué)
傳統(tǒng)分析動(dòng)力學(xué)需要講授哈密頓正則方程及相關(guān)概念,但是哈密頓正則方程主要優(yōu)勢(shì)在于研究物理領(lǐng)域,對(duì)于機(jī)械振動(dòng)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué),正則方程用處較小。而正則方程延伸出的諸多概念如正則變換、泊松括號(hào)等,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)太過(guò)抽象。因此筆者認(rèn)為機(jī)械專業(yè)可以不講授哈密頓正則方程相關(guān)內(nèi)容。因此這一章的講授內(nèi)容包括:動(dòng)力學(xué)普遍方程、第二類拉格朗日方程、動(dòng)能的結(jié)構(gòu)、微振動(dòng)、初次積分、第一類拉格朗日方程、Routh方程。
本章第二部分第二類拉格朗日方程是分析力學(xué)課程最重要的內(nèi)容。第二類拉格朗日方程的推導(dǎo)過(guò)程較為煩瑣,學(xué)生會(huì)感到枯燥,但仍然不可或缺。因?yàn)檫@部分公式的推導(dǎo)為接下來(lái)的內(nèi)容如動(dòng)能的結(jié)構(gòu)、初次積分等打下了基礎(chǔ),同時(shí)對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力也是一個(gè)提升。在例題方面,筆者建議設(shè)置一些電路系統(tǒng)和機(jī)電耦合系統(tǒng),這樣可以使學(xué)生意識(shí)到該方程的普適性。另外,學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí),常犯的一類錯(cuò)誤就是眼高手低,尤其是求導(dǎo)、正負(fù)號(hào)等很容易出錯(cuò)。因此一定要讓學(xué)生獨(dú)立完成一定量的課堂練習(xí)。
第三部分內(nèi)容動(dòng)能的結(jié)構(gòu)雖然略顯抽象,但考慮到旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力學(xué)是機(jī)械領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向,仍然有必要進(jìn)行講授。這部分內(nèi)容也為第四和第五部分內(nèi)容打下了基礎(chǔ)。
第四部分內(nèi)容微振動(dòng)主要講授如何得到非線性振動(dòng)的線性化方程。筆者發(fā)現(xiàn)在許多工科的振動(dòng)力學(xué)教材中,雖然都提到了把動(dòng)能寫(xiě)成速度的二次型,勢(shì)能展開(kāi)為坐標(biāo)的二次型,就可以得到線性化的振動(dòng)方程,但并沒(méi)有給出一種規(guī)范的方法,因此添加了這部分內(nèi)容。這部分內(nèi)容主要參考了理科教材[4]。
第五部分內(nèi)容是分析力學(xué)求解動(dòng)力學(xué)方程的古典方法。雖然目前求解動(dòng)力學(xué)方程往往采用數(shù)值方法,但并不代表該部分內(nèi)容就不重要了,因?yàn)槌醮畏e分代表系統(tǒng)存在守恒量,在一些特殊條件下代表具體的力學(xué)量的守恒,如能量守恒、角動(dòng)量守恒等,具有明確的物理意義,而不僅僅是數(shù)學(xué)上的抽象概念。另外需要對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)初次積分和約束的區(qū)別,雖然形式相似,但前者是由動(dòng)力學(xué)方程得到的,而后者是純粹的運(yùn)動(dòng)學(xué)概念。
(四)第五章動(dòng)力學(xué)變分原理
動(dòng)力學(xué)存在多種形式的變分原理,筆者在授課時(shí)只選擇了工程中常用的兩個(gè)變分原理,一是高斯最小拘束原理,二是哈密頓原理。前者在機(jī)構(gòu)分析中應(yīng)用較多,而后者在彈性振動(dòng)中應(yīng)用廣泛。這一章的講授內(nèi)容包括:高斯原理、泛函與變分法、哈密頓原理。
第二部分泛函與變分法的講授主要是為哈密頓原理打基礎(chǔ)。雖然學(xué)生只需記住公式便可運(yùn)用哈密頓原理,但實(shí)際上對(duì)于接觸最多的有限自由度系統(tǒng),直接使用第二類拉格朗日方程會(huì)比哈密頓原理方便得多,因此哈密頓原理主要是講述一種思想而非具體方法,所以一定要講授泛函和變分法的概念。對(duì)于哈密頓原理,其泛函的宗量較為抽象,可以引入簡(jiǎn)支梁的應(yīng)變能(宗量為撓度)作為類比,便于學(xué)生理解。
第三部分的哈密頓原理與第二類拉格朗日方程等價(jià),但使用起來(lái)需要分部積分,沒(méi)有直接采用后者方便,學(xué)生往往會(huì)有一種印象,認(rèn)為哈密頓原理用處不大。因此筆者授課時(shí)引入了簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)方程作為例題,雖然推導(dǎo)過(guò)程比較煩瑣,但可以使學(xué)生了解到,哈密頓原理可以處理第二類拉格朗日方程不能處理的問(wèn)題,而不僅僅是數(shù)學(xué)形式上更簡(jiǎn)潔。
四、結(jié)論
分析力學(xué)作為一門(mén)古老的學(xué)科,內(nèi)涵外延非常豐富,針對(duì)不同本科專業(yè)的授課內(nèi)容應(yīng)具有不同的側(cè)重點(diǎn),授課方式也應(yīng)有所不同。本文針對(duì)機(jī)械專業(yè)分析力學(xué)課程存在的一些問(wèn)題,闡述了教學(xué)內(nèi)容和方法上的具體改進(jìn)。在教學(xué)內(nèi)容中,充分考慮機(jī)械專業(yè)工科特點(diǎn),刪減了一些偏理科專業(yè)的內(nèi)容。在教學(xué)方法上,一方面注重與其他課程的聯(lián)系,突出分析力學(xué)的基礎(chǔ)性。另一方面兼顧了課程的嚴(yán)謹(jǐn)性和學(xué)生的理解能力。實(shí)踐證明收到了良好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn):
[1]梅鳳翔.分析力學(xué)的定義和內(nèi)容――分析力學(xué)札記之二十五[J].力學(xué)與實(shí)踐,2015,37(2):238-242.
[2]力學(xué)詞典編輯部.力學(xué)詞典[M].北京:中國(guó)大百科全書(shū)出版社,1990.
關(guān)鍵詞:機(jī)械原理;精品課程;課程建設(shè)
作者簡(jiǎn)介:李光煜(1965-),女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,教授;劉秀蓮(1979-),女,遼寧葫蘆島人,黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,講師。(黑龍江 哈爾濱 150027)
中圖分類號(hào):G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2013)34-0126-02
精品課建設(shè)是教育部為實(shí)施高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)改革工程不斷提高教學(xué)質(zhì)量而推出的一項(xiàng)重大舉措。在精品課建設(shè)中,應(yīng)圍繞如何提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行研究和實(shí)踐,其主旨在于充分體現(xiàn)精品課的先進(jìn)性、科學(xué)性和示范性,實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)傳授與應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)并重的教育目標(biāo)。在這一過(guò)程中,通過(guò)整合教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建新的教學(xué)體系,改革教學(xué)模式,深化實(shí)踐環(huán)節(jié),造就一支優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)合理的師資隊(duì)伍,吸收和培養(yǎng)年輕教師,優(yōu)化教材,實(shí)現(xiàn)課程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。[1,2]
一、進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的整合,形成新的教學(xué)體系
近年來(lái),隨著高等教育教學(xué)改革的深入和創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)劃的調(diào)整,學(xué)生某些科目的教學(xué)時(shí)數(shù)有所減少,“機(jī)械原理”課程的教學(xué)時(shí)數(shù)也由原來(lái)的76學(xué)時(shí)減少到56學(xué)時(shí)。在教學(xué)時(shí)數(shù)減少了20學(xué)時(shí)的情況下要保質(zhì)保量地完成“機(jī)械原理”課程的教學(xué),就要求授課教師對(duì)教材內(nèi)容要融會(huì)貫通,對(duì)理論知識(shí)的講解能夠深入淺出,做到舉一反三。通過(guò)課程組討論和教學(xué)實(shí)踐,對(duì)理論知識(shí)體系進(jìn)行了重新整合,把課程內(nèi)容體系歸納為“四大模塊”,即機(jī)構(gòu)的組成與運(yùn)動(dòng)分析模塊、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊、基本機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)模塊和機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)模塊。其中,機(jī)構(gòu)的組成與運(yùn)動(dòng)分析模塊(10學(xué)時(shí))內(nèi)容包括平面機(jī)構(gòu)的組成原理及其結(jié)構(gòu)分析和平面機(jī)構(gòu)的常用運(yùn)動(dòng)分析方法研究。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊(16學(xué)時(shí)),包括平面機(jī)構(gòu)的慣性力確定和動(dòng)態(tài)靜力分析方法、機(jī)械的效率確定及自鎖條件分析、機(jī)械的平衡條件及其計(jì)算、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程的建立及其速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法等內(nèi)容?;緳C(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)模塊(22學(xué)時(shí)),包括平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和其他常用機(jī)構(gòu)的類型、應(yīng)用及各自設(shè)計(jì)方法。最后是機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)模塊(8學(xué)時(shí)),包括齒輪系的類型、傳動(dòng)比的計(jì)算及輪系的應(yīng)用和機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。[3]經(jīng)過(guò)整合課程體系,使課程內(nèi)容變得更加連貫,學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械原理這一學(xué)科時(shí)能夠按照認(rèn)知規(guī)律來(lái)掌握知識(shí)要點(diǎn),從而使學(xué)習(xí)變得更加容易。即首先學(xué)習(xí)并掌握機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件和平面機(jī)構(gòu)常用的運(yùn)動(dòng)分析方法之后,了解和學(xué)習(xí)工程中常用機(jī)構(gòu)的類型、組成、應(yīng)用特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法,最后學(xué)習(xí)和理解機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成及其總體方案設(shè)計(jì),從而使各執(zhí)行構(gòu)件間達(dá)到協(xié)調(diào)配合。通過(guò)形成和利用“機(jī)械原理”課程新體系,充分體現(xiàn)出了精品課建設(shè)的先進(jìn)性、科學(xué)性和示范性。
二、建立科學(xué)合理的教學(xué)環(huán)節(jié),提高學(xué)生掌握知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)及動(dòng)手創(chuàng)新的能力
學(xué)生對(duì)基本概念、基本原理及基本技能掌握程度的關(guān)鍵在于是否建立了科學(xué)合理的教學(xué)環(huán)節(jié),同時(shí)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、親自動(dòng)手實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力的形成與提高也依賴于科學(xué)合理的教學(xué)環(huán)節(jié)。多年來(lái),“機(jī)械原理”課程組建立并應(yīng)用了“三位一體”的教學(xué)環(huán)節(jié),即把理論教學(xué)作為第一環(huán)節(jié),第二環(huán)節(jié)為實(shí)驗(yàn)教學(xué),課外綜合實(shí)踐是第三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)“三位一體”的教學(xué)環(huán)節(jié)全面提高了學(xué)生掌握理論知識(shí)的能力、動(dòng)手實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力。[4]
1.改進(jìn)教學(xué)方法與手段,使理論知識(shí)變得生動(dòng)形象,便于學(xué)生掌握
在“機(jī)械原理”課程教學(xué)中沒(méi)有統(tǒng)一的教學(xué)模式,而是根據(jù)章、節(jié)及課程內(nèi)容的不同采用靈活多樣的教學(xué)方法。“機(jī)械原理”課程組教師常采用的教學(xué)方法有傳統(tǒng)的課堂講授法、啟發(fā)式教學(xué)法,也有新穎靈活的分析討論式教學(xué)法及現(xiàn)場(chǎng)研究式教學(xué)法、案例教學(xué)法等。例如,在進(jìn)行輪系這一部分內(nèi)容的教學(xué)時(shí),結(jié)合動(dòng)畫(huà)和模型等應(yīng)用實(shí)例,利用分析討論法和學(xué)生一起討論定軸輪系與周轉(zhuǎn)輪系的結(jié)構(gòu)形式的不同、運(yùn)動(dòng)特性的不同及它們之間的聯(lián)系,從而推導(dǎo)出兩種輪系的傳動(dòng)比計(jì)算方法,通過(guò)這樣的教學(xué),可以開(kāi)發(fā)學(xué)生智力,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力,使學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)更容易理解和掌握,達(dá)到記憶深刻的教學(xué)效果。而在學(xué)習(xí)輪系中“使用惰輪的必要性”這一內(nèi)容時(shí),采用了案例教學(xué)的方式,把采煤機(jī)搖臂使用惰輪的錄像作為案例讓學(xué)生觀看和了解,從而得出惰輪可以增大傳動(dòng)距離和改變傳動(dòng)方向這兩個(gè)結(jié)論。在齒輪機(jī)構(gòu)和蝸桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)中,組織學(xué)生到機(jī)構(gòu)陳列室及常用機(jī)床車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。在去現(xiàn)場(chǎng)之前要給學(xué)生布置思考題,讓學(xué)生帶著問(wèn)題去現(xiàn)場(chǎng)觀察,把教材中的理論知識(shí)與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái),使學(xué)生領(lǐng)會(huì)齒輪機(jī)構(gòu)(蝸桿機(jī)構(gòu))在機(jī)器中的應(yīng)用及其在應(yīng)用中體現(xiàn)出的不同特性,達(dá)到了使學(xué)生把理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合起來(lái)的教學(xué)目標(biāo)。
處于理論學(xué)習(xí)階段的學(xué)生還沒(méi)有接觸生產(chǎn)實(shí)踐,教師不可能每節(jié)課都能帶學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。鑒于此,在“機(jī)械原理”教學(xué)中,要充分利用機(jī)械的實(shí)物模型直觀教學(xué)或利用教學(xué)錄像片、CAI教學(xué)課件、多媒體flas等比較形象的教學(xué)工具和手段幫助學(xué)生理解和掌握較抽象的理論知識(shí)。例如,錐齒輪的當(dāng)量齒輪和當(dāng)量齒數(shù)這一概念就非常抽象,學(xué)生較難理解,但在利用一段錄像片展開(kāi)背錐并結(jié)合CAI課件講授之后,這一教學(xué)難點(diǎn)也就迎刃而解了。另外,在精品課建設(shè)中還充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和環(huán)境,建立了機(jī)械原理精品課程網(wǎng)站,網(wǎng)站中包含了本課程的教學(xué)資料,包括自制的CAI教學(xué)課件、多年收集的教學(xué)案例以及多套課程教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)的錄像片等,還包括機(jī)械學(xué)科的前沿成果、機(jī)械創(chuàng)新園地及課程習(xí)題及答案等,為學(xué)生的自學(xué)和機(jī)械創(chuàng)新能力的形成提供便利的條件。
2.完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力
針對(duì)“機(jī)械原理”課程對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容的改革與整合,學(xué)院在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的種類和臺(tái)套數(shù)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等方面的投入力度逐年增大,使實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)裝備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面具有較先進(jìn)的水平,為本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室的管理方面上實(shí)行課余時(shí)間開(kāi)放制,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間自定并提前預(yù)約。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,以前的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是驗(yàn)證性的,很多學(xué)生都只在旁邊觀摩,起不到對(duì)學(xué)生鍛煉動(dòng)手能力的培養(yǎng)目的。通過(guò)完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備,目前實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了具有研究性、綜合性及創(chuàng)新性內(nèi)容的實(shí)驗(yàn),開(kāi)設(shè)了機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),學(xué)生利用課堂所學(xué)的基本概念、基本原理和基本技能,獨(dú)立思考,親自動(dòng)手設(shè)計(jì)、組裝新機(jī)構(gòu),并對(duì)所組裝機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造、創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。
3.開(kāi)展課外綜合實(shí)踐,提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力
培養(yǎng)學(xué)生解決機(jī)械工程應(yīng)用及其創(chuàng)新發(fā)展的能力是“機(jī)械原理”課程教學(xué)的總目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),單憑理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生課外綜合實(shí)踐的引導(dǎo)和指導(dǎo)。因此課程組創(chuàng)建了面向全校學(xué)生的“機(jī)械創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室”、“慧魚(yú)創(chuàng)新組合制作室”,并由專人管理設(shè)備。教研室及實(shí)驗(yàn)室全體教師均可進(jìn)行指導(dǎo),為學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)提供寬廣的平臺(tái)和指導(dǎo),為學(xué)生個(gè)性化創(chuàng)新教育創(chuàng)造廣闊的空間。每年定期舉辦校級(jí)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和“慧魚(yú)”模型創(chuàng)意組合競(jìng)賽,課程組對(duì)在大賽及競(jìng)賽中出現(xiàn)的優(yōu)秀作品進(jìn)行評(píng)價(jià),幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)基本概念、基本理論知識(shí)與工作實(shí)際應(yīng)用做到融會(huì)貫通,利用機(jī)械原理知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題能力;并對(duì)其中能夠完成實(shí)物或模型的作品提供一定的資助,對(duì)其中明顯具有實(shí)用性和創(chuàng)新性的作品給予獎(jiǎng)勵(lì),在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)和組織學(xué)生參加省級(jí)或國(guó)家級(jí)機(jī)械創(chuàng)新競(jìng)賽及全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新大賽等活動(dòng)。這樣,在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的同時(shí),也培養(yǎng)了學(xué)生的組織協(xié)作能力和溝通能力,實(shí)現(xiàn)工科大學(xué)生由理論知識(shí)的掌握和積累向機(jī)械創(chuàng)新發(fā)展及工程應(yīng)用能力生成的轉(zhuǎn)變。
4.建立科學(xué)的考核方法,綜合考評(píng)學(xué)生成績(jī)
近年來(lái),課程組對(duì)“機(jī)械原理”課程建立了多元化考核模式,真正發(fā)揮期末考核在課程教學(xué)中的鑒定、督促和激勵(lì)作用。具體做法是:首先在考核的內(nèi)容上,不僅考核學(xué)生基本概念、基本理論和基本技能的掌握程度,還要考核學(xué)生綜合性、創(chuàng)造性地應(yīng)用基本概念、基本理論和基本技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力。其次在考核的形式上,加大了平時(shí)學(xué)習(xí)表現(xiàn)和實(shí)踐能力考核的力度。不再是由一套試卷和幾道試題決定學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)效果,而是綜合考量學(xué)生的平時(shí)作業(yè)、討論課及啟發(fā)式教學(xué)中的表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中動(dòng)手能力的表現(xiàn)及校級(jí)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)創(chuàng)新大賽的參加及獲獎(jiǎng)情況等多個(gè)方面進(jìn)行測(cè)評(píng),使期末成績(jī)的構(gòu)成多元化。利用考核形式的改革,使每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都得到學(xué)生的足夠重視,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,使學(xué)生更加了解“機(jī)械原理”課程在今后從事機(jī)械工程應(yīng)用及其創(chuàng)新發(fā)展中的重要性,通過(guò)建立科學(xué)的考核方法,改善了教學(xué)秩序,提高了教學(xué)質(zhì)量。
三、加大師資隊(duì)伍建設(shè)力度,提高師資隊(duì)伍的學(xué)歷水平和教學(xué)能力
師資隊(duì)伍的建設(shè)和師資水平的提升是精品課程建設(shè)的關(guān)鍵?!皺C(jī)械原理”課程組教師共9人,其中教授3人,副教授1人,高工2人,講師3人,高級(jí)職稱人數(shù)占67%。課程組全體教師不斷進(jìn)取,抓住各種機(jī)會(huì)努力提高自身的學(xué)歷水平和教育教學(xué)能力。[5]目前博士學(xué)位1人,在讀博士后1人,在讀博士3人,碩士學(xué)位2人,學(xué)士學(xué)位2人。對(duì)青年教師實(shí)行導(dǎo)師制培養(yǎng)計(jì)劃,對(duì)每一位新進(jìn)教師均配一名骨干教師進(jìn)行指導(dǎo),并制訂明確具體的培養(yǎng)計(jì)劃,幫助他們提高教學(xué)能力,過(guò)好教學(xué)關(guān)、育人關(guān)、實(shí)踐關(guān)。要求新進(jìn)教師必須經(jīng)過(guò)聽(tīng)課、輔導(dǎo)答疑、批改作業(yè)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)、試講、點(diǎn)評(píng)等階段后,才能上講臺(tái)講課。鼓勵(lì)青年教師積極開(kāi)展教學(xué)與科學(xué)研究,提高學(xué)術(shù)水平和工程實(shí)踐能力,并促進(jìn)教學(xué)水平的提高。幾年來(lái),共有5人次參加校級(jí)、院級(jí)教學(xué)大賽,分別獲得一、二、三等獎(jiǎng),課程組的教學(xué)質(zhì)量受到學(xué)校師生的一致好評(píng)。
四、引進(jìn)國(guó)內(nèi)優(yōu)秀教材, 完成自編規(guī)劃教材和自制課件的配套體系
課堂教學(xué)的主要載體是教材,教師通過(guò)教材把知識(shí)傳遞給學(xué)生,教材也是學(xué)生課前和課后自學(xué)的主要工具,所以精品課程教學(xué)效果的改善和教學(xué)質(zhì)量的提高都與教材的選擇和建設(shè)息息相關(guān)。課程組教師長(zhǎng)期重視教材的選用與建設(shè),選用的教材均為高教出版社推薦使用的國(guó)家優(yōu)秀獲獎(jiǎng)教材,并購(gòu)買了與教材配套的CAI電子教案。同時(shí)以“21世紀(jì)規(guī)劃教材”為依托,抓住北京大學(xué)出版社“全國(guó)高等院校機(jī)械類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)規(guī)劃教材”的契機(jī),課題組共同努力出版了與課程建設(shè)配套的機(jī)械原理教材,并在教學(xué)實(shí)踐中得到應(yīng)用,師生反映良好。為提高教學(xué)效果,增加課堂的信息量,黑龍江科技大學(xué)的教師們還自己制作了CAI課件,實(shí)現(xiàn)教材立體化,效果很好。
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關(guān)鍵詞:《機(jī)械基礎(chǔ)》 中職生 多媒體 生活化
中圖分類號(hào):G718.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2013.24.098
《機(jī)械基礎(chǔ)》課程內(nèi)容繁、雜、廣,加上概念性、原理性較多,是典型的教師難講學(xué)生難學(xué)的課程。同時(shí),中職生受挫感較強(qiáng),意志力薄弱,數(shù)理化基礎(chǔ)差,學(xué)習(xí)接受能力有限,加之學(xué)生僅學(xué)習(xí)機(jī)械制圖,學(xué)生對(duì)機(jī)械的感性認(rèn)識(shí)不足,感覺(jué)教學(xué)與學(xué)習(xí)比較枯燥,倘若沿用傳統(tǒng)的“以教師為主,學(xué)生為輔”的方法很難收到良好的教學(xué)效果。因此,如何在多媒體時(shí)代讓中職生學(xué)好《機(jī)械基礎(chǔ)》課程是一個(gè)值得探討的問(wèn)題,本文結(jié)合筆者多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行教改探討。
1 適當(dāng)降低教學(xué)難度,增強(qiáng)內(nèi)容的適用性
《機(jī)械基礎(chǔ)》現(xiàn)有教材難度偏大,如果采用原有的教學(xué)方式和方法,僅憑學(xué)生現(xiàn)有水平,很難使他們將掌握所授內(nèi)容,達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。教師要本著教學(xué)內(nèi)容“深入淺出、適當(dāng)夠用”、教學(xué)手段“靈活多樣”的原則授課,讓大多數(shù)學(xué)生能聽(tīng)懂,學(xué)習(xí)知識(shí)能基本掌握,為學(xué)生可持續(xù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。對(duì)于一些抽象概念的講解,可適當(dāng)加一些相應(yīng)的肢體語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行解釋。如在講解運(yùn)動(dòng)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)概念時(shí),請(qǐng)兩位同學(xué)站在講臺(tái)上進(jìn)行演示:①一個(gè)站在原地不動(dòng),另一個(gè)向前或向后走;②兩人同向一起走,一個(gè)快,一個(gè)慢;③兩人速走,方向相反;④兩人同向同速走;⑤兩人同時(shí)站立不動(dòng)。通過(guò)肢體表現(xiàn),學(xué)生很快判斷出前三個(gè)動(dòng)作是相對(duì)運(yùn)動(dòng),后兩個(gè)動(dòng)作不是相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從而理解相對(duì)運(yùn)動(dòng)的概念;上課舉例應(yīng)符合實(shí)際、易懂。由于學(xué)生大多居住在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村,城市中常見(jiàn)的裝置沒(méi)見(jiàn)過(guò),所以在講課過(guò)程中,最好根據(jù)我校學(xué)生的生活環(huán)境和條件來(lái)舉例。如講解桿件的四種變形時(shí),拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)及彎曲變形分別以拉壓彈簧、剪刀剪紙、擰礦泉水瓶和臂力器為例,使學(xué)生輕松地了解了各種變形的特點(diǎn);上課時(shí)還要善于發(fā)現(xiàn)和使用笑料,增加幽默感,加深記憶。如對(duì)于機(jī)械、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件、零件之間的包容關(guān)系,用俄羅斯套娃等來(lái)舉例(最外面的一層是機(jī)械,最里面的一層是零件),再引用相聲中的一個(gè)笑話加以講解。使學(xué)生在歡笑之余,加深理解,化難為易,達(dá)到了教學(xué)效果。
2 通過(guò)實(shí)地教學(xué)提高學(xué)習(xí)興趣
機(jī)械基礎(chǔ)課程理論性過(guò)強(qiáng),學(xué)生缺乏相應(yīng)的感性認(rèn)識(shí),對(duì)知識(shí)不能鞏固記憶,很容易忘記,很難把每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái),這樣就給教學(xué)帶來(lái)了很大的困難。對(duì)于這種情況,教師在講解本課程每一章前,首先應(yīng)該讓學(xué)生,對(duì)要講到總體知識(shí)結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。例如,告訴學(xué)生能實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)有哪些,然后再依次分章節(jié)逐個(gè)講解,區(qū)分出各機(jī)構(gòu)中的異同點(diǎn),應(yīng)用在哪些地方,以及每一章節(jié)之間的聯(lián)系及其特點(diǎn);使學(xué)生從整體上把握好本課程的應(yīng)用特點(diǎn)。同時(shí),按不同專業(yè),到工廠、企業(yè)或網(wǎng)站搜集本章相關(guān)設(shè)備的視頻、圖片等最新信息讓學(xué)生了解本章的應(yīng)用,從而樹(shù)立起具體的概念,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到外面的設(shè)備與我們平常學(xué)習(xí)的內(nèi)容是息息相關(guān)的。必要時(shí)到教學(xué)現(xiàn)場(chǎng),尤其是本校有的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察,如通過(guò)觀察自動(dòng)車床中凸輪機(jī)構(gòu)組成及應(yīng)用了解凸輪傳動(dòng)原理;通過(guò)觀察自行車的輪系來(lái)了解軸系零部件及傳動(dòng)。
3 利用模型教學(xué)
利用教學(xué)模型,對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行邊演示邊講解的方式,根據(jù)職校學(xué)生的特點(diǎn),大部分學(xué)生在課堂上能精力集中的注意時(shí)間是比較短的,長(zhǎng)時(shí)間地集中注意力,會(huì)導(dǎo)致他們的厭煩。而用邊演示邊講解的教學(xué)手段,給學(xué)生一種具有新意的方式,可以使學(xué)生提高興趣。如在講鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)時(shí),結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,先采用直觀教學(xué),讓學(xué)生通過(guò)對(duì)模型及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察,掌握其組成、名稱、畫(huà)法、類型及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。講其判定方法時(shí),課前事先讓學(xué)生用硬紙條作兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)模型,學(xué)生以小組為單位,選用不同的桿為機(jī)架,對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行觀察與匯總,報(bào)告教師,教師再進(jìn)行總結(jié),從而得到鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型判斷的方法,使學(xué)生在直觀印象中把握了重點(diǎn);然后輔以視頻、動(dòng)畫(huà)手段,使學(xué)生能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)的畫(huà)面,來(lái)加深印象,形象直觀、吸引了學(xué)生。
4 教學(xué)例子生活化
只要我們留意生活中處處都是與機(jī)械有關(guān)的知識(shí),我們?cè)诮虒W(xué)中列舉生活有關(guān)的例子學(xué)生往往容易理解,收到意想不到的效果。如在教學(xué)節(jié)流閥時(shí),教師抓住流量是通過(guò)改變節(jié)流閥的截流面積來(lái)調(diào)節(jié)要點(diǎn),可以啟發(fā)同學(xué)思考有哪種日常生活用品的原理與節(jié)流閥的類同。如此一來(lái),同學(xué)們就展開(kāi)各自的想象,有的同學(xué)聯(lián)想到宿舍內(nèi)的水龍頭,又或者是用來(lái)淋花草的軟水管。當(dāng)我們?nèi)『头砰_(kāi)時(shí)候,水流量和流速是不一樣的。小組活躍討論熱烈。學(xué)習(xí)軸的上零件固定方式時(shí),教師可以分別帶來(lái)幾根階梯軸、光軸和齒輪讓學(xué)生觀察,再聯(lián)系生活中運(yùn)用軸的機(jī)械。這樣,學(xué)生很快就理解了軸的作用。
5 適當(dāng)利用多媒體
引進(jìn)多媒體先進(jìn)教學(xué)。在《機(jī)械基礎(chǔ)》課程中,往往采用掛圖、模型以及教師口授,這些方式對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械圖來(lái)說(shuō),有時(shí)要理解透徹還是相當(dāng)困難的,所以容易導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)、逃學(xué)等現(xiàn)象,效果不理想。尤其對(duì)于一些難懂的內(nèi)容,如:液壓傳動(dòng)的原理、液壓元件工作原理、平面連桿機(jī)構(gòu)分類及其性質(zhì)等內(nèi)容,學(xué)生較難觀察到內(nèi)部運(yùn)作情況。一節(jié)課下來(lái),絕大部份學(xué)生容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞,走神等現(xiàn)象。我們可以利用多媒體設(shè)備,將生產(chǎn)設(shè)備播放,教會(huì)學(xué)生識(shí)別生產(chǎn)設(shè)置的元件。再結(jié)合動(dòng)畫(huà),將油液的流向、元件的工作情況表達(dá)出來(lái),從此動(dòng)畫(huà)中,學(xué)生可以觀察到:油如何從液壓泵的吸油閥進(jìn)入經(jīng)出油閥流出,到過(guò)節(jié)流閥,再經(jīng)換向閥,到達(dá)執(zhí)行元件,元件的工作過(guò)程我們可以多次觀看,如此生動(dòng)形象的動(dòng)畫(huà),學(xué)生有如親臨其境的感覺(jué),再經(jīng)教師的形象化的語(yǔ)言、手勢(shì)、板書(shū)等教學(xué)手段,使原本枯燥無(wú)味的,抽象的原理形象化,靜止的變成動(dòng)態(tài)化,增強(qiáng)教學(xué)的形象性和直觀性。學(xué)生印象深刻、易懂。
創(chuàng)新教育的目的就是培養(yǎng)和提高受教育者的創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)新精神。要實(shí)現(xiàn)此目的,首先從改變教學(xué)內(nèi)容入手,重視介紹學(xué)科發(fā)展的新動(dòng)態(tài)、新方向、新內(nèi)容,注重激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,讓學(xué)生了解更多更新的理論、技術(shù)與方法。例如,在緒論部分的講述中,以往的內(nèi)容主要是針對(duì)本課程的研究對(duì)象、基本概念、課程的地位和作用以及本課程的學(xué)習(xí)方法等展開(kāi)的。但是,為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新積極性,除了經(jīng)典部分的闡述外,還有必要結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,重點(diǎn)闡述機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展動(dòng)向。如在機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)理論發(fā)展發(fā)面,可以讓學(xué)生了解:為了廣泛應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù),當(dāng)今社會(huì)也迫切希望開(kāi)展包括對(duì)液壓、電磁、光電等非機(jī)械傳動(dòng)元件的廣義機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。在對(duì)機(jī)構(gòu)的平衡問(wèn)題進(jìn)行介紹時(shí),引申到機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究,進(jìn)而讓學(xué)生了解到大型機(jī)械設(shè)備的故障診斷和在線監(jiān)測(cè)都是現(xiàn)代研究者關(guān)注的重點(diǎn)。有意識(shí)地將一些機(jī)械原理學(xué)科前沿的研究引入教學(xué)內(nèi)容中,如微型機(jī)械的研究,它不是將傳統(tǒng)的機(jī)械直接微型化,而是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇,是涉及多學(xué)科的綜合技術(shù)的應(yīng)用,也推動(dòng)了處于機(jī)械原理學(xué)科前沿的微型機(jī)構(gòu)學(xué)分支的產(chǎn)生。結(jié)合一些相關(guān)視頻資料,學(xué)生在課堂上獲取到這些知識(shí)的同時(shí),興趣也被調(diào)動(dòng)了起來(lái),拓寬了知識(shí)面和視野。讓學(xué)生意識(shí)到“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂,是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力”,“一個(gè)沒(méi)有創(chuàng)新能力的民族,難以屹立于世界民族之林”[3]。此外,在教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新改革中,還可以嘗試重心的轉(zhuǎn)移,強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng),突出計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。教師在教學(xué)過(guò)程中逐漸實(shí)現(xiàn)淡化圖解計(jì)算分析,強(qiáng)化解析法內(nèi)容的教學(xué),進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合認(rèn)識(shí)。這種重心轉(zhuǎn)移體現(xiàn)在:由圖解法為主向解析法為主轉(zhuǎn)變,使計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)統(tǒng)一起來(lái),提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和正確性;由手動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算向計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)變,提高學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力;由過(guò)去重機(jī)構(gòu)分析計(jì)算向重機(jī)構(gòu)綜合轉(zhuǎn)變,提高學(xué)生機(jī)構(gòu)方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在教學(xué)中不斷地營(yíng)造創(chuàng)新環(huán)境,大大提高了學(xué)生的創(chuàng)新積極性。
二、教學(xué)方法的創(chuàng)新
教學(xué)方法應(yīng)該能夠配和教學(xué)內(nèi)容的改革。創(chuàng)新素質(zhì)就是指由知識(shí)結(jié)構(gòu)、智慧品質(zhì)、人格品質(zhì)三種成分有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的綜合素質(zhì)。創(chuàng)新教育就是要培養(yǎng)具有這種綜合創(chuàng)新素質(zhì)的學(xué)生。在當(dāng)前課堂教學(xué)中,以知識(shí)傳授為主導(dǎo)的教學(xué)方法并未根本改變,教與學(xué)的關(guān)系是以教師為主導(dǎo)、為中心的,這種方式在某種程度上制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及其創(chuàng)新潛能的發(fā)揮。在機(jī)械原理課程的教學(xué)方法上,應(yīng)加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng),要將以教師為主的“灌輸式”教學(xué)向以啟發(fā)式、問(wèn)題式、討論式教學(xué)為主的新的教學(xué)方法轉(zhuǎn)變,讓學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),真正成為教學(xué)活動(dòng)的主體。以學(xué)生為本的創(chuàng)新教育教學(xué)方法可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn):鼓勵(lì)學(xué)生不迷信書(shū)本知識(shí)、不迷信權(quán)威觀點(diǎn),敢于提出問(wèn)題,無(wú)論課堂內(nèi)外,對(duì)于任何問(wèn)題都應(yīng)多問(wèn)幾個(gè)為什么。如對(duì)“極位夾角”的概念解釋,大部分教材上的定義是“搖桿處于兩極限位置時(shí),相應(yīng)的曲柄位置線所夾的銳角”。在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,對(duì)這個(gè)廣泛應(yīng)用的定義提出質(zhì)疑———是否所有的“極位夾角”都是銳角,是否有鈍角的情況存在,而不是直接給出學(xué)生更完善的定義。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生開(kāi)始學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,也開(kāi)始嘗試如何自己解決問(wèn)題。鼓勵(lì)學(xué)生的求異思維和發(fā)散思維,開(kāi)闊學(xué)生的思路。當(dāng)然,創(chuàng)新離不開(kāi)科學(xué)的根基,引導(dǎo)學(xué)生要堅(jiān)持科學(xué)的思維,在提出自己獨(dú)特見(jiàn)解的同時(shí),也應(yīng)該能用科學(xué)的理論對(duì)其進(jìn)行解釋和驗(yàn)證。鼓勵(lì)學(xué)生多參加親身實(shí)踐,只有親自動(dòng)手驗(yàn)證了創(chuàng)新思維的正確性,才能真正達(dá)到創(chuàng)新的目的。機(jī)械原理是一門(mén)既有高度的抽象性,又有很強(qiáng)實(shí)踐性的課程。如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與力分析模型等都是從實(shí)際機(jī)械中抽象出來(lái)的,許多的概念需要通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程才能得到準(zhǔn)確描述。原來(lái)的教學(xué)方法大多通過(guò)教師手工繪制或?qū)㈧o態(tài)圖展示給學(xué)生,教學(xué)效果并不理想。因此,現(xiàn)在的教學(xué)方法中采用多媒體手段教學(xué),課件中涵蓋了豐富的三維動(dòng)畫(huà)、趣味的圖片、簡(jiǎn)潔的文字等。通過(guò)教師講解、動(dòng)態(tài)演示與板書(shū)相結(jié)合的方式,使學(xué)生在學(xué)習(xí)中可直觀地了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及其所具有的特性、產(chǎn)生的各種現(xiàn)象,加快了學(xué)生對(duì)諸如“死點(diǎn)”、“急回特性”等概念、原理的理解速度,激發(fā)起學(xué)生的好奇心,強(qiáng)化了直覺(jué)思維,加深了學(xué)生對(duì)這些概念所表達(dá)物理意義的理解程度。
三、教學(xué)手段的創(chuàng)新
在教學(xué)手段上,著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí),注重學(xué)生的參與,與機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)、機(jī)械原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解。培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)過(guò)的知識(shí),獨(dú)立解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,使學(xué)生得到一次較完整的設(shè)計(jì)方法的基本訓(xùn)練。在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中,教師通過(guò)介紹創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和展示創(chuàng)造發(fā)明實(shí)例,啟迪學(xué)生創(chuàng)新的思維,讓學(xué)生了解設(shè)計(jì)過(guò)程,掌握設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,能在認(rèn)真思考的基礎(chǔ)上提出自己的見(jiàn)解,充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性,不是簡(jiǎn)單的抄襲或沒(méi)有根據(jù)的臆造。教師僅指明設(shè)計(jì)思路,主要啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考。設(shè)計(jì)方案確定后,安排學(xué)生向小組成員介紹自己的方案,并與其他成員討論,這樣既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性,又破除學(xué)生對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的神秘感,有助于讓學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案有全面的認(rèn)識(shí),使學(xué)生受益匪淺。機(jī)械原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是一個(gè)針對(duì)機(jī)械類或相關(guān)專業(yè)學(xué)生的開(kāi)放性動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。它是一個(gè)很好地培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立工作能力、創(chuàng)造能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的平臺(tái)。學(xué)生自己擬定、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案,根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理對(duì)桿組進(jìn)行拆分,再將構(gòu)件正確拼裝實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),這個(gè)過(guò)程就要求學(xué)生必須將所學(xué)的理論知識(shí)充分地運(yùn)用到具體的實(shí)驗(yàn)中去。例如,學(xué)生要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有急回特性的送料機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)就有多種搭建方案,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生首先提交自己根據(jù)要求擬定的設(shè)計(jì)方案,繪制該平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,再計(jì)算所有的桿長(zhǎng)、角度、位移等數(shù)據(jù),然后在此基礎(chǔ)上將運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖搭建為能夠正確運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)生將會(huì)接觸到機(jī)械原理的各大機(jī)構(gòu),也會(huì)進(jìn)一步深入了解各大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),而搭建過(guò)程又會(huì)涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)及零件的知識(shí)。將學(xué)生分為多組,同組學(xué)生共同擬定實(shí)驗(yàn)方案、協(xié)同完成實(shí)驗(yàn),最后各自撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在設(shè)計(jì)和拼接過(guò)程中學(xué)生會(huì)遇到各種在理論學(xué)習(xí)中很少遇到的問(wèn)題,在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)生各方面的能力也得到了很好的綜合培養(yǎng)。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)用問(wèn)題法、探究式教育來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力,讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了許多課本上學(xué)不到或曾經(jīng)被忽略的知識(shí),參加過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的學(xué)生都深有體會(huì)。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械原理 教學(xué) 培養(yǎng) 創(chuàng)新
中圖分類號(hào):F407.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):
隨著社會(huì)的發(fā)展,機(jī)械化生產(chǎn)規(guī)模將日益擴(kuò)大,需要設(shè)計(jì)出各種高質(zhì)量的機(jī)械設(shè)備或?qū)υ械臋C(jī)械設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造,這就需要具有掌握機(jī)械原理知識(shí)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人員。因此機(jī)械原理教學(xué)就越來(lái)越重要,我們不能拘泥于填鴨式的教學(xué)方式,而應(yīng)該改進(jìn)機(jī)械原理課程教學(xué),并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
我們現(xiàn)在所培養(yǎng)的學(xué)生,都將是21世紀(jì)的建設(shè)者。為培養(yǎng)跨世紀(jì)需要的基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、知識(shí)面寬、動(dòng)手能力強(qiáng)、素質(zhì)高的創(chuàng)造性人才,機(jī)械原理課程肩負(fù)著重任。我們常說(shuō)要有創(chuàng)新精神,而學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是我們教學(xué)過(guò)程中非常重要的任務(wù)。創(chuàng)新能力基于創(chuàng)新意識(shí),如果有了創(chuàng)新的意念,再加上掌握一些創(chuàng)新方法,就具有創(chuàng)造的基本條件。我們就此問(wèn)題在機(jī)械原理課程的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了探索和實(shí)踐。
一、把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)作為課程的主要任務(wù)
機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)的一門(mén)重要技術(shù)基礎(chǔ)課,它的重要任務(wù)之一是培養(yǎng)學(xué)生能進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的構(gòu)思和創(chuàng)意設(shè)計(jì),是發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造力的一門(mén)較合適的課程。那么目前技校學(xué)生的創(chuàng)造性思維現(xiàn)狀如何呢?為了作到胸中有數(shù),我們?cè)谝淮慰荚囈獬隽艘粋€(gè)結(jié)構(gòu)改錯(cuò)的題目,將一個(gè)簡(jiǎn)單的自由度為0的運(yùn)動(dòng)鏈改為F=1的機(jī)構(gòu)。結(jié)果大多數(shù)同學(xué)在情急之中都提出了自己認(rèn)為合理的改進(jìn)措施,有低副機(jī)構(gòu),也有高副機(jī)構(gòu),各種各樣的想法都有。這個(gè)結(jié)果很令人鼓舞。它告訴我們:只要善于引導(dǎo),即使是普通技校的學(xué)生也能擁有創(chuàng)造力。如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力,需要全社會(huì)的重視與全體教育工作者的努力。這一現(xiàn)狀提醒我們應(yīng)該在課程的指導(dǎo)思想上進(jìn)行改革。我們提出“以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為主線”的教學(xué)指導(dǎo)思想,并將它貫穿于課堂教學(xué)、課外科技活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)中。
二、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的幾點(diǎn)做法
在將“以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為主線”的教學(xué)指導(dǎo)思想付諸實(shí)踐的過(guò)程中,我們認(rèn)為知識(shí)是創(chuàng)造的基礎(chǔ),一個(gè)人如果沒(méi)有豐富的基礎(chǔ)知識(shí)就根本談不上有所創(chuàng)新。機(jī)械原理課程基本概念多,比較抽象,如何讓學(xué)生想學(xué)并學(xué)會(huì)這些枯燥無(wú)味的、抽象的基本概念呢?如果不注意采用合適的教學(xué)方法,就很難有好的教學(xué)效果。我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了一些嘗試:
(1)為了更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,在課堂教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生積極思考,注重啟發(fā)式教學(xué),營(yíng)造一個(gè)活躍的課堂氛圍,使學(xué)生養(yǎng)成積極主動(dòng)思維的習(xí)慣。“機(jī)構(gòu)”、“機(jī)器”貫穿于機(jī)械原理課程講授的全過(guò)程,怎樣讓這些沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生建立起機(jī)械的概念,從而認(rèn)識(shí)機(jī)械呢?為了喚起學(xué)生的認(rèn)識(shí),提醒學(xué)生根據(jù)自己的日常接觸和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納整理,如洗衣機(jī)、汽車、各種機(jī)床等,對(duì)一些典型的例子進(jìn)行剖析,如汽車四沖程內(nèi)燃機(jī)、織布機(jī)等。對(duì)一些基本概念讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行記憶。從而擺脫單一固定的模式,鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維。
(2)在學(xué)校組織的課外科技活動(dòng)中,鼓勵(lì)學(xué)生做一些用機(jī)械原理知識(shí)去解決的一些工程實(shí)際問(wèn)題的題目,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望。例如裝卸貨平臺(tái)高低調(diào)整板,需用到好幾套平面連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng),它的創(chuàng)意構(gòu)思和設(shè)計(jì)極大地喚起了學(xué)生的創(chuàng)造欲望。很多學(xué)生積極參與到科技小制作中來(lái),在第二課堂中,通過(guò)制作,同學(xué)們得到了實(shí)際的鍛煉和創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練。
(3)在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中,增加機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容。開(kāi)始時(shí)規(guī)定一個(gè)工藝動(dòng)作由學(xué)生每四人一組定方案,給每個(gè)同學(xué)定具體題目,自己構(gòu)思一個(gè)具體機(jī)構(gòu),如折疊椅、水果去皮機(jī)、擦窗機(jī)、掃地機(jī)或者某一玩具設(shè)計(jì)等。同時(shí)也鼓勵(lì)他們選自己感興趣的課題。學(xué)生在學(xué)完常用機(jī)構(gòu)后就可構(gòu)思,他們對(duì)這類題目很興趣,認(rèn)為雖然經(jīng)歷了辛苦的創(chuàng)意勞動(dòng),但確有收獲。
(4)創(chuàng)建機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。剛接觸到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí),很多同學(xué)不習(xí)慣,也看不懂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。因?yàn)樗麄兊母行哉J(rèn)識(shí)太少,為解決這個(gè)矛盾,除在課堂教學(xué)中適當(dāng)多用教具模型、電化教學(xué)等手段外,我們還購(gòu)制了一些典型機(jī)器和機(jī)構(gòu)實(shí)物,這些反映創(chuàng)新意識(shí)的、具有較為新穎的機(jī)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)電產(chǎn)品可供學(xué)生隨時(shí)拆裝、觀察。學(xué)生通過(guò)了解各種新穎的機(jī)構(gòu)和巧妙實(shí)用的機(jī)械結(jié)構(gòu),分析它們的工作原理、運(yùn)動(dòng)方案、機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),并在此基礎(chǔ)上重新進(jìn)行創(chuàng)造性構(gòu)思,使他們受到創(chuàng)造思維的訓(xùn)練。
采用現(xiàn)代化教學(xué)手段CAI,使原來(lái)靜止不動(dòng)的機(jī)構(gòu)在屏幕上“動(dòng)”起來(lái),一可以節(jié)約大量的教師講解時(shí)間,還能使學(xué)生建立起各種機(jī)構(gòu)、機(jī)器運(yùn)動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)。有興趣的學(xué)生可參與到軟件制作的行列中,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、探索體會(huì)與建議
目前很多技校在普遍壓縮機(jī)械原理課程學(xué)時(shí)數(shù)的情況下,還想增加內(nèi)容,這樣一來(lái),原有的學(xué)時(shí)數(shù)少而教學(xué)內(nèi)容多的矛盾愈加突出,很難引入更多的訓(xùn)練與開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的內(nèi)容。為此合理取舍和安排教學(xué)內(nèi)容,根據(jù)各教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)特點(diǎn),恰當(dāng)選擇教學(xué)方法和教學(xué)手段,以期在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳的教學(xué)效果。為了使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到更好的訓(xùn)練,,可以采取以下措施:
首先由于在引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維的過(guò)程中,機(jī)械原理課程任課教師起著非常關(guān)鍵的作用。能否對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)造性思維訓(xùn)練,教師自己得身體力行。不斷加強(qiáng)自身素質(zhì)建設(shè),注重自己能力的培養(yǎng),因此在理論研究及教學(xué)之余,參加科研活動(dòng)是必經(jīng)之路。
其次,各相關(guān)課程都應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維的訓(xùn)練作為課程的主要內(nèi)容,并將其落在實(shí)處,通過(guò)教學(xué)各環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練,逐漸培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí),激起他們的創(chuàng)造激情,使他們掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。
最后在技校中開(kāi)展課外創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng),使學(xué)生可根據(jù)自己的特長(zhǎng)選擇自己感興趣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作,為這些機(jī)構(gòu)提供必要的場(chǎng)所和活動(dòng)資金,在學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中增長(zhǎng)知識(shí),從而加深對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。
除了上述方法之外,還可以通過(guò)參賽提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。使學(xué)生在參加競(jìng)賽的過(guò)程中,不斷提高和完善自己的創(chuàng)作,增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)興趣和自信心,同時(shí)使學(xué)生在競(jìng)賽中加強(qiáng)學(xué)術(shù)思想的交流,激發(fā)更新的創(chuàng)新意識(shí)。
結(jié)語(yǔ):
通過(guò)機(jī)械原理教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng),我們深深體會(huì)到:學(xué)生中的確蘊(yùn)藏著巨大的創(chuàng)新潛力。他們朝氣蓬勃,思維不受條件的約束,容易產(chǎn)生創(chuàng)新的火花。關(guān)鍵是要在一種寬松和諧的教學(xué)環(huán)境中,積極調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性,拓寬學(xué)生的知識(shí)面,將課堂教學(xué)、創(chuàng)新理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái),學(xué)生才可能發(fā)揮創(chuàng)新能力,開(kāi)發(fā)出一流的產(chǎn)品,服務(wù)于社會(huì)。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;產(chǎn)品創(chuàng)新;概念設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)有著極其豐富的內(nèi)容,同時(shí)也是產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程內(nèi)最具創(chuàng)造性的階段。其中,包含的原理與方法論對(duì)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)者起到關(guān)鍵的引導(dǎo)效用。因此,對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新性概念設(shè)計(jì)進(jìn)行探索,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的概述
1.1機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容
機(jī)電一體化產(chǎn)品是在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上建立起的包含系統(tǒng)與構(gòu)件、基本元內(nèi)容的集合,而機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的含義則是依據(jù)產(chǎn)品使用周期中各個(gè)環(huán)節(jié)所需要求對(duì)產(chǎn)品實(shí)施功能改造、分析和子功能開(kāi)發(fā),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其滿足功能結(jié)構(gòu)要求的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)活動(dòng)。這種設(shè)計(jì)工作的過(guò)程包括前期規(guī)劃、設(shè)計(jì)概念以及對(duì)計(jì)劃進(jìn)行詳細(xì)化和豐富化,并加以改進(jìn)補(bǔ)充。機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中的程式化內(nèi)容可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)代為實(shí)現(xiàn),但除此之外難以被程式化的方面還需產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員通過(guò)人工設(shè)計(jì)逐步完成。通過(guò)構(gòu)建人機(jī)協(xié)同的概念設(shè)計(jì)理念,對(duì)其功能與組織開(kāi)發(fā)的過(guò)程按照模塊化思想進(jìn)行劃分,以此實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)工作的層次性、協(xié)調(diào)性。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的深入研究大體集中于其調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化的理念自1971年被提出以來(lái),經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,內(nèi)容也在逐步豐富,尤其在科技快速發(fā)展的今天,廣闊的市場(chǎng)空間與消費(fèi)需求的升級(jí),更加迫使機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)自身性能、可靠程度提出更高要求。而計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、傳感技術(shù)、AI技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料技術(shù)、集成技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,都為機(jī)電一體化產(chǎn)品的革新打下了技術(shù)根基,使得機(jī)電一體化產(chǎn)品朝著更優(yōu)質(zhì)、更高效的方向邁進(jìn)。
1.2機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的意義
機(jī)電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新型概念設(shè)計(jì)本身有著重要作用,其既是產(chǎn)品品質(zhì)的深層內(nèi)容,又是其功能屬性得以發(fā)揮的保障,對(duì)其本身質(zhì)量的影響也約占60%~70%。因此,建成機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)具有極其顯著的意義。簡(jiǎn)要概括,主要包括以下三方面內(nèi)容。第一,創(chuàng)新機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是保障機(jī)電一體化產(chǎn)品品質(zhì)的必要性要求。機(jī)電一體化體系具有多種學(xué)科互相交叉、集成融合的特點(diǎn),本身具有著復(fù)雜內(nèi)涵。因此,現(xiàn)今許多的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并不適應(yīng)機(jī)電一體化技術(shù)本身的特色,難以做到根據(jù)機(jī)電一體化技術(shù)特征隨之作出應(yīng)對(duì)。第二,機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新促使其理論體系得到發(fā)展。要?jiǎng)?chuàng)新這一概念設(shè)計(jì),必將建立新的方式、理論基礎(chǔ)。只有在合理、可靠的概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,才能使之收獲具有優(yōu)異性能的機(jī)電一化體產(chǎn)品。再加之如今概念設(shè)計(jì)的思想理念獲得了社會(huì)中乃至整個(gè)世界越來(lái)越多的關(guān)注與認(rèn)同,如QFD理論、公理化理論、TRIZ理論等設(shè)計(jì)理論的建立,對(duì)于推動(dòng)創(chuàng)新機(jī)電一體化產(chǎn)的概念設(shè)計(jì)發(fā)展起到了不可忽略的效用,進(jìn)一步促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)體系的建立和機(jī)電一體化技術(shù)的完善。第三,機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)對(duì)于生產(chǎn)能力與工作質(zhì)量的提高起到切實(shí)的幫助作用。許多機(jī)電一體化產(chǎn)品都帶有自動(dòng)處理、調(diào)節(jié)的功效,通過(guò)這些能力的實(shí)現(xiàn),能夠保證工作質(zhì)量與效率的穩(wěn)步提升。例如,在數(shù)控機(jī)床的使用過(guò)程中,其生產(chǎn)效率要高出普通基礎(chǔ)5~6倍,并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床數(shù)量減少50%,節(jié)省50%操作人員的效能,生產(chǎn)周期也能縮短40%,進(jìn)而使得生產(chǎn)成本降低50%左右。
2機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)理論
2.1機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用到的系統(tǒng)原理
機(jī)電一體化系統(tǒng)是該類產(chǎn)品中最為重要的基礎(chǔ)。就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)。它算是一種復(fù)雜機(jī)械,但與普通的機(jī)械相比還有著顯著區(qū)分。機(jī)電一體化體系是通過(guò)在機(jī)構(gòu)的動(dòng)力功效、信息功效、控制功效以及主功能方面引入先進(jìn)的電子技術(shù),并使之與軟件相互聯(lián)合形成的一類新型機(jī)械系統(tǒng)。就其功能來(lái)說(shuō),機(jī)電一體化系統(tǒng)包含機(jī)械力、能量流、運(yùn)動(dòng)力等多種動(dòng)力學(xué)有關(guān)的特殊機(jī)械,以及一些機(jī)電部件互相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。其中,機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心又在于集成協(xié)調(diào)各種技術(shù),通過(guò)對(duì)機(jī)械工程、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電工技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合利用,實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)行為可控的目標(biāo),而不僅簡(jiǎn)單對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行拼湊堆積。這也是利用計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)和處理能力,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)元件可控特征的現(xiàn)代化機(jī)械系統(tǒng)。有關(guān)機(jī)電系統(tǒng)化原理的研究主要包含三方面內(nèi)容。第一,三環(huán)論。研究者認(rèn)為,機(jī)電一體化產(chǎn)品可以劃分為電子、機(jī)械、軟件三項(xiàng)功能模塊。第二,五塊論。通常視機(jī)電一體化產(chǎn)品是由動(dòng)力功能、控制功能、構(gòu)造功能、操作功能和傳感檢測(cè)五個(gè)功能模塊組成的。第三,兩個(gè)子系統(tǒng)理論。研究人員認(rèn)為,機(jī)電一體化系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)兩項(xiàng)分支系統(tǒng)共同組成的。以上三種理論的提出具有重要意義,但同時(shí)也有著較大的局限性。三者立足于控制和電力兩部分,但沒(méi)有對(duì)機(jī)械主體加以強(qiáng)調(diào),也并未對(duì)處理好機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的復(fù)雜性、多面性和模糊性等問(wèn)題提出方法。因此,這些理論對(duì)該類產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)不能起到重要作用。在概念設(shè)計(jì)實(shí)際工作中,機(jī)電一體化系統(tǒng)往往會(huì)被劃分為傳感檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息控制處理三個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)這三個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)分工,各自完成信息檢測(cè)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)與信息控制的工作,這種分工方式才能真正實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中各項(xiàng)功能的優(yōu)化和最佳效果的發(fā)揮,并以此獲得機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)合理的相關(guān)方案。
2.2機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)方法
對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品而言,其概念設(shè)計(jì)是許多領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)、技術(shù)之間的交織融合,具有新穎復(fù)雜、反復(fù)迭代、目標(biāo)多解、結(jié)構(gòu)不良等特點(diǎn)。滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,關(guān)鍵在于發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主觀能動(dòng)性,通過(guò)展現(xiàn)設(shè)計(jì)智慧,滿足創(chuàng)新性的要求。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),主要在于實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)配合。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步,促使人們對(duì)人工智能提出新的期待。但創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)這類任務(wù),主要還得依靠人類的智能實(shí)現(xiàn)。機(jī)電一體系統(tǒng)也是人機(jī)協(xié)同系統(tǒng),通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)者與計(jì)算機(jī)的分工,來(lái)達(dá)到創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的目的。機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新主要方法包括三方面內(nèi)容。第一,落實(shí)人才戰(zhàn)略,培養(yǎng)專業(yè)性人才。科技競(jìng)爭(zhēng)最終都會(huì)落實(shí)在人才競(jìng)爭(zhēng)上。要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,人才供應(yīng)是重要保障。機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)人才在制造行業(yè)占據(jù)就業(yè)滿意度第三位的好名次,就業(yè)率更是高達(dá)100%。因此,加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)更有著多方面的積極意義,國(guó)家以及機(jī)電行業(yè)要在培養(yǎng)、優(yōu)化道路中貢獻(xiàn)出更多力量,從多方面對(duì)學(xué)生展開(kāi)培訓(xùn)工作,以此實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)研究者、開(kāi)發(fā)者、設(shè)計(jì)者以及其他相關(guān)從業(yè)人員素質(zhì)的目的。第二,努力拓寬供應(yīng)市場(chǎng),嚴(yán)守質(zhì)量關(guān)。市場(chǎng)是檢驗(yàn)產(chǎn)品的試金石,將機(jī)電一體化產(chǎn)品投放到市場(chǎng)中,一方面保障其生命周期能夠?qū)崿F(xiàn),另一方面通過(guò)買方對(duì)產(chǎn)品性能體驗(yàn)所作反饋也對(duì)產(chǎn)品研發(fā)起到反作用力的效果,使其優(yōu)點(diǎn)得以保存、延續(xù),缺點(diǎn)得到改良、進(jìn)化,從而不斷促進(jìn)機(jī)電一體化產(chǎn)品性能的整體提升。第三,將環(huán)保技術(shù)納入機(jī)電一體化的發(fā)展策略中。機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電力技術(shù)等多種技術(shù)的應(yīng)用,往往會(huì)伴隨著電子、機(jī)械污染的問(wèn)題。在機(jī)電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中,無(wú)可避免也會(huì)產(chǎn)生一些污染物。因此,設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中要考慮到環(huán)保問(wèn)題,讓機(jī)電一體化產(chǎn)品朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展,以施行環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展策略為其提供方法指引。通過(guò)一些環(huán)保設(shè)施和環(huán)保科技的實(shí)行,有效遏制資源浪費(fèi)、污染物增多的問(wèn)題。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)技術(shù)故障時(shí),也可以反復(fù)利用一些資源,以減少資源、材料的消耗。相關(guān)生產(chǎn)負(fù)責(zé)人還應(yīng)主動(dòng)淘汰一些產(chǎn)能落后的設(shè)備、產(chǎn)品,以此改變過(guò)去投入高、輸出高的模式,最終實(shí)現(xiàn)發(fā)展的可持續(xù),使人們擁有健康的生存環(huán)境。
2.3機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)的發(fā)展展望
機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)主要發(fā)展在于理論的進(jìn)步。雖然機(jī)電一體化體系中依舊存在許多問(wèn)題需要加強(qiáng)分析、研究,但其發(fā)展總趨勢(shì)還是積極向上的。概括有五方面內(nèi)容:第一,根據(jù)被測(cè)物理量,建立傳感器特點(diǎn)和類型的知識(shí)庫(kù);第二,構(gòu)建與機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)相關(guān)的推理方法庫(kù);第三,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)作進(jìn)行分類,構(gòu)建執(zhí)行機(jī)構(gòu)庫(kù)和驅(qū)動(dòng)元件庫(kù),以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)元件、執(zhí)行、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和兩者的集成選擇實(shí)行;第四,實(shí)現(xiàn)對(duì)該類產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)在各個(gè)環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)體系的建立,尤其在概念設(shè)計(jì)初期中構(gòu)建對(duì)功能原理設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)體系;第五,構(gòu)建調(diào)節(jié)和控制信息的資料庫(kù),以促進(jìn)挑選硬件和編制軟件中對(duì)機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)高效管控的實(shí)現(xiàn)。隨著機(jī)電技術(shù)與各項(xiàng)科技的快速進(jìn)步以及機(jī)電一體化研究的逐步深入,促使機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的理論體系更加豐富,并具有更為強(qiáng)大的實(shí)用功能和操作功能,從而順利實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新與研發(fā)。
3結(jié)束語(yǔ)
機(jī)電一體化產(chǎn)品的研究雖然已經(jīng)取得了較為矚目的成績(jī),但關(guān)于機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研究成果目前依然處于初級(jí)階段,仍需要相關(guān)從業(yè)者不斷加強(qiáng)探索、創(chuàng)新,通過(guò)大量細(xì)致的實(shí)踐研究工作,促進(jìn)機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的完善和成熟,并最終實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的實(shí)用價(jià)值。
作者:王中元 單位:內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院
參考文獻(xiàn):
可以通過(guò)圖片、短片、生動(dòng)形象的描述等形式列舉地震波、水波、聲波、無(wú)線電波和光波、掃描遂穿顯微鏡、電子顯微鏡引出3類典型的波———機(jī)械波、電磁波和物質(zhì)波,指出雖然本質(zhì)不同,但有許多共同之處……本章通過(guò)討論機(jī)械波來(lái)說(shuō)明波動(dòng)過(guò)程的基本概念和基本規(guī)律.這體現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際,運(yùn)用多種教學(xué)方法與手段,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情,同時(shí)起到承上啟下的作用.
2新課教學(xué)環(huán)節(jié)
首先通過(guò)多媒體播放Flas引導(dǎo)同學(xué)歸納出產(chǎn)生機(jī)械波的條件,再通過(guò)實(shí)驗(yàn),建立正確的機(jī)械波形成與傳播的概念.為了便于分析機(jī)械波是如何形成與傳播的,必須建立波傳播的簡(jiǎn)化模型:一維波傳播模型.通過(guò)下面過(guò)程逐步進(jìn)行,演示“繩波”,可以看到一孤立的向上凸起的波向前傳播,水平振動(dòng),可以看到連續(xù)完整的波向前傳播.比較繩波與水波,找出二者共同點(diǎn);介質(zhì)各部分均振動(dòng)、均形成凹凸相間的形狀向前傳播.最后得出結(jié)論:繩中傳播的是機(jī)械波,它的形成與傳播原理,就是所有機(jī)械波的形成與傳播的原理.第一步,建立物理模型,將軟繩簡(jiǎn)化為若干質(zhì)點(diǎn)連接而成;第二步,利用箱式橫波演示儀演示機(jī)械波是如何形成與傳播的,通過(guò)以上教學(xué)過(guò)程,學(xué)生建立如下概念:(1)在介質(zhì)中,前面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),帶動(dòng)后面質(zhì)點(diǎn)也跟著振動(dòng),但時(shí)間上有延遲,大量質(zhì)點(diǎn)相互“配合”形成機(jī)械波;(2)質(zhì)點(diǎn)只是在各自的平衡位置附近振動(dòng),不會(huì)隨波遷移;機(jī)械波傳播的是“機(jī)械振動(dòng)”這種運(yùn)動(dòng)形式.進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)概念,讓科學(xué)概念理解更全面深刻,前面所分析的機(jī)械波均屬于橫波,對(duì)于一個(gè)完整科學(xué)的概念而言,還需分析縱波的情況:通過(guò)多媒體觀看有關(guān)橫波和縱波動(dòng)畫(huà),彈簧中傳播機(jī)械波的情況并分析此現(xiàn)象,讓學(xué)生明確該現(xiàn)象傳播的也是一種振動(dòng)形式,是機(jī)械波并給出橫波與縱波的概念;說(shuō)明縱波是如何形成與傳播的;總結(jié)對(duì)機(jī)械波的形成與傳播概念的理解,不論是橫波還是縱波,均有:理解一,機(jī)械波的形成是因?yàn)榍懊娴馁|(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面的質(zhì)點(diǎn),后面的質(zhì)點(diǎn)重復(fù)前面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng);理解二,介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)并不隨波遷移,只是在各自的平衡位置附近振動(dòng)[1,2];理解三,機(jī)械波是大量質(zhì)點(diǎn)的集體行為,機(jī)械波傳播的是振動(dòng)這種形式,波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,相位的傳播,波形的傳播(平移),能量的傳播.這為波函數(shù)的建立提供鋪墊.隨后進(jìn)一步聯(lián)系給人類社會(huì)帶來(lái)災(zāi)難的地震波且說(shuō)明它的的產(chǎn)生,傳播過(guò)程既有縱波(P波,首波)又有橫波(S波,次波),兩種波速的差異可以用來(lái)計(jì)算震源的位置,又由于橫波只能在固體中傳播,而縱波可以在固、液、氣中傳播的特點(diǎn),指出人類可以利用地震波實(shí)現(xiàn)對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)了解地殼地層的分布,它是石油和天然氣勘探的一種重要手段.這體現(xiàn)將物理知識(shí)轉(zhuǎn)換成科學(xué)技術(shù)的力量.在利用唐山、汶川大地震帶來(lái)的災(zāi)難來(lái)感受波動(dòng)中的能量的傳播.既然得出了波動(dòng)是彈性介質(zhì)內(nèi)部大量質(zhì)點(diǎn)參與的一種集體運(yùn)動(dòng)形式,如何來(lái)描述它呢?引出本節(jié)課的第二個(gè)問(wèn)題———波的描述,對(duì)于幾何描述和周期性描述,還是利用動(dòng)畫(huà)和繩波實(shí)驗(yàn),直觀明了以達(dá)化解難度之目的,從而得出:(1)機(jī)械波傳播的速度與介質(zhì)有關(guān),與振源振動(dòng)的頻率無(wú)關(guān);(2)認(rèn)識(shí)到橫波中的波長(zhǎng)的意義,知道振源振動(dòng)一個(gè)周期,機(jī)械波向前傳播一個(gè)波長(zhǎng).在引入波速由介質(zhì)的性質(zhì)和波的類型決定這一概念時(shí),解釋為什么海嘯波在開(kāi)闊的大洋表面的浪高不過(guò)1m左右,不甚顯眼,但隨著向海岸傳播浪頭會(huì)越集越高達(dá)幾十米,形成排山倒海巨浪拍岸的壯觀場(chǎng)景.這再一次讓學(xué)生體會(huì)學(xué)以致用,物理就在身邊,以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心.機(jī)械波的數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式即平面簡(jiǎn)諧波的波函數(shù)的建立是本章的重點(diǎn)也是難點(diǎn),在前面我們深刻理解波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,相位的傳播,彈性介質(zhì)中的各質(zhì)元的振動(dòng)狀態(tài)沿波的傳播方向依次落后的基礎(chǔ)上建立波函數(shù).目的就是找到一個(gè)能描述任意時(shí)刻t、任意位置x處質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))狀態(tài)的方程.這里采用多媒體和板書(shū)的有機(jī)結(jié)合詳細(xì)分析和討論,假設(shè)已知波源在原點(diǎn)O(xO=0)處和已知波源在任意位置B處(xB≠0)的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)表達(dá)式的情況下求波函數(shù)的方法,最后總結(jié)出一般規(guī)律波動(dòng)中各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn),只是在各自的平衡位置附近做振動(dòng);各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相位依次落后,波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,相位的傳播,波形的傳播(平移),能量的傳播[3].
3課堂小結(jié)環(huán)節(jié)
由自愿組合的10名同學(xué)手手相連,在教師的指導(dǎo)下組成“人浪”表演[4],以教師的啟發(fā)提問(wèn)和同學(xué)的回答來(lái)歸納總結(jié)本次課的知識(shí)點(diǎn)(在黑板上一一標(biāo)出).最后提出問(wèn)題:當(dāng)幾列波相遇又會(huì)有怎樣的現(xiàn)象和規(guī)律?引出下次課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,以便學(xué)生預(yù)習(xí).
4結(jié)束語(yǔ)
【關(guān)鍵詞】機(jī)械專業(yè);自動(dòng)控制原理;教學(xué)改革
自動(dòng)控制原理是機(jī)械類專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)方向基礎(chǔ)課程,是控制類課程的核心,該課程與機(jī)械工程實(shí)際密切相關(guān),課程教學(xué)中必須與機(jī)械類專業(yè)其他課程聯(lián)系起來(lái),要讓學(xué)生對(duì)該課程引起足夠重視,使該課程成為機(jī)械類專業(yè)后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)。為了掌握塔里木大學(xué)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程中的各種問(wèn)題,也為了獲得學(xué)生對(duì)該課程的意見(jiàn)和建議,幫助教師選取更實(shí)用的教學(xué)內(nèi)容、采用合適的教學(xué)方法等,提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,幫助機(jī)械類專業(yè)學(xué)生學(xué)好這門(mén)重要的控制類基礎(chǔ)課程。為此,對(duì)塔里木大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化三個(gè)機(jī)械類本科專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了自動(dòng)控制原理課程的問(wèn)卷調(diào)查,通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生在該課程中的各種問(wèn)題,教師以此為重要依據(jù),來(lái)進(jìn)行課程教學(xué)改革,努力提高課程教學(xué)效果。
一、問(wèn)卷調(diào)查的實(shí)施
(一)問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容的擬定。
結(jié)合機(jī)械類專業(yè)自動(dòng)控制原理課程實(shí)際,設(shè)定如下的調(diào)查題目:大家認(rèn)為學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程的重要性如何?大家在學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程時(shí),遇到的最大問(wèn)題是什么?大家認(rèn)為自動(dòng)控制原理課程中最難理解的是哪些知識(shí)點(diǎn)?大家的自動(dòng)控制原理作業(yè)是如何完成的?大家在學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程時(shí),最感興趣的是哪些內(nèi)容?大家希望在自動(dòng)控制原理教學(xué)中教師采用哪種教學(xué)方法?大家學(xué)完自動(dòng)控制原理課程后最大的感受是什么?大家自己是采用哪些學(xué)習(xí)方法來(lái)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程的?請(qǐng)大家列出學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理的收獲?請(qǐng)大家列出對(duì)自動(dòng)控制原理課程的意見(jiàn)和建議?以上這些調(diào)查題目,針對(duì)不同內(nèi)容,有的給出了選項(xiàng)供學(xué)生選擇,有的是讓學(xué)生自行根據(jù)實(shí)際填寫(xiě),通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查,充分挖掘?qū)W生在自動(dòng)控制原理課程學(xué)習(xí)中的各種問(wèn)題。
(二)問(wèn)卷調(diào)查的發(fā)放和回收。
通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化三個(gè)機(jī)械類專業(yè)已經(jīng)學(xué)過(guò)自動(dòng)控制原理課程的班級(jí)發(fā)放問(wèn)卷調(diào)查,問(wèn)卷采用不記名的形式,由學(xué)生自行根據(jù)自己實(shí)際情況如實(shí)填寫(xiě)。三個(gè)機(jī)械類專業(yè)各發(fā)放30份調(diào)查問(wèn)卷,一共90份調(diào)查問(wèn)卷,教師督促學(xué)生全部交回調(diào)查問(wèn)卷。
(三)問(wèn)卷調(diào)查的分析。
1.課程重要性認(rèn)識(shí)方面。
大部分學(xué)生都明白自動(dòng)控制原理課程的重要性,都懂得該課程是機(jī)械類專業(yè)控制類課程的基礎(chǔ),都能從心底里引起足夠重視,只有很少一部分學(xué)生感覺(jué)該課程理論性太強(qiáng),感覺(jué)好像在學(xué)數(shù)學(xué),對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的這些學(xué)生來(lái)說(shuō),對(duì)該課程重視不夠,甚至對(duì)該課程有抵觸情緒,總的來(lái)說(shuō),大多數(shù)學(xué)生能重視這門(mén)課程,有學(xué)好該課程的強(qiáng)烈愿望。
2.課程學(xué)習(xí)中遇到的最大問(wèn)題。
大部分學(xué)生表示,該課程學(xué)習(xí)中遇到的最大問(wèn)題是課程對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)要求很高,學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí),必須先要翻閱數(shù)學(xué)課本,重新溫習(xí)微分方程、函數(shù)、向量、拉普拉斯變換、拉普拉斯反變換、傅里葉變換、復(fù)數(shù)、矩陣等數(shù)學(xué)知識(shí),所以數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中,往往由于數(shù)學(xué)的問(wèn)題,導(dǎo)致該課程上課時(shí)聽(tīng)不懂,跟不上老師的節(jié)奏,久而久之,就放棄了該課程。還要相當(dāng)一部分學(xué)生反映,在該課程學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題還有結(jié)合圖形分析,該課程的教學(xué)中,很多知識(shí)要通過(guò)圖形講解,分析問(wèn)題也要涉及到畫(huà)圖,很多學(xué)生厭煩畫(huà)圖,所以學(xué)生感覺(jué)圖形分析也是本課程的難點(diǎn)之一。
3.課程最難的知識(shí)點(diǎn)。
大部分學(xué)生表示,自動(dòng)控制原理課程中根軌跡分析是課程最難的地方,因?yàn)楦壽E分析法比較抽象,概念不好理解,首先要畫(huà)出根軌跡圖才能進(jìn)行分析,畫(huà)根軌跡圖必須要熟悉大量的繪制根軌跡的規(guī)則,學(xué)生對(duì)這些繪制法則比較模糊,理解不透徹,導(dǎo)致很難畫(huà)出準(zhǔn)確的根軌跡圖,會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)的分析。還有一些學(xué)生認(rèn)為該課程另外一個(gè)比較難的知識(shí)點(diǎn)是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正,設(shè)計(jì)的步驟學(xué)生好理解,關(guān)鍵是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到校正,學(xué)生不易理解校正的具體應(yīng)用。
4.課程最感興趣的內(nèi)容。
學(xué)生普遍對(duì)該課程中自動(dòng)控制的應(yīng)用最感興趣,學(xué)生普遍關(guān)注的是自動(dòng)控制系統(tǒng)如何運(yùn)行的,如何發(fā)揮出自身優(yōu)勢(shì),如何能減輕人的勞動(dòng)力。學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制的應(yīng)用充滿無(wú)限遐想,心里想著,生活中哪些方面可以想辦法引入自動(dòng)控制,以提高效率,減輕人的勞動(dòng)。
5.期望采用的教學(xué)方法。
考慮到自動(dòng)控制原理的圖形多、公式多、分析方法多等特點(diǎn),學(xué)生們普遍表示,該課程的教學(xué)中不能教師在課堂上滿堂灌地講概念、推導(dǎo)公式、介紹各種系統(tǒng)分析方法等,必須要采取新穎的教學(xué)方法,才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生普遍表示,教學(xué)中要多舉實(shí)例,每章結(jié)束后要及時(shí)總結(jié),希望教師把每章的知識(shí)點(diǎn)能進(jìn)行梳理,可以采用微課的形式對(duì)每章知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行視頻表述,方便學(xué)生業(yè)余時(shí)間觀看學(xué)習(xí),在該課程的實(shí)驗(yàn)中,要改變單一的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,可以在?shí)驗(yàn)中引入仿真,這些新穎的教學(xué)方法,可以為學(xué)生營(yíng)造輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
6.課程學(xué)習(xí)方法。
大部分學(xué)生表示,學(xué)習(xí)該課程主要靠課堂上聽(tīng)老師講解,大部分學(xué)生課后只是完成教師布置的作業(yè),作業(yè)完成以后就不再看書(shū),對(duì)該課程的學(xué)習(xí)投入不夠。將近一半的學(xué)生能進(jìn)行課前的簡(jiǎn)單預(yù)習(xí),極個(gè)別學(xué)生課前根本不預(yù)習(xí)。課程作業(yè)基本都是按照教師講的解題方法或者參閱教材上的例題,按部就班完成任務(wù),很少深入思考,極個(gè)別學(xué)生作業(yè)不會(huì)做,也不認(rèn)真思考解決,為了完成任務(wù)而抄同學(xué)作業(yè)。
7.學(xué)完課程的收獲。
學(xué)生普遍表示,學(xué)完自動(dòng)控制原理課程,懂得了自動(dòng)控制的概念、組成、類型、應(yīng)用、要求等,明白了自動(dòng)控制的重要性,特別是對(duì)于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生,非常有必要學(xué)好自動(dòng)控制原理課程,因?yàn)楹芏嗟臋C(jī)械設(shè)備在工作中離不開(kāi)自動(dòng)控制,所以必須了解自動(dòng)控制的最基本內(nèi)容。學(xué)完該課程,了解了自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)步驟,也學(xué)會(huì)了基本的判斷自動(dòng)控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定的方法等。學(xué)生在腦海里能把機(jī)械工程實(shí)際和自動(dòng)控制聯(lián)系起來(lái),樹(shù)立了機(jī)械工程背景。
8.對(duì)課程的意見(jiàn)和建議。
大部分學(xué)生建議該課程教學(xué)中,教師不能只講課本理論知識(shí),要多介紹自動(dòng)控制在機(jī)械工程中的具體應(yīng)用,要把該課程與機(jī)械工程實(shí)際結(jié)合起來(lái),要多講解自動(dòng)控制案例,在課程教學(xué)中要利用好板書(shū)和多媒體,兩者要良好結(jié)合,在課程實(shí)驗(yàn)中增加最新的仿真軟件,來(lái)學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì),在教學(xué)中,教師要多把自動(dòng)控制系統(tǒng)的前言知識(shí)和科研成果與課程內(nèi)容聯(lián)系起來(lái),擴(kuò)展視野。
二、自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革的實(shí)踐
針對(duì)在問(wèn)卷調(diào)查中分析總結(jié)的問(wèn)題,結(jié)合教師從事自動(dòng)控制原理課程的經(jīng)驗(yàn),對(duì)機(jī)械類專業(yè)自動(dòng)控制原理進(jìn)行教學(xué)改革,以此提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,幫助學(xué)生學(xué)好該課程,為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下好的基礎(chǔ)。
(一)課堂教學(xué)采用案例講解和微課教學(xué)模式。
在該課程教學(xué)中,教師多查找機(jī)械工程實(shí)例,把課程知識(shí)與案例聯(lián)系起來(lái),為學(xué)生的學(xué)習(xí)樹(shù)立機(jī)械工程背景,引起學(xué)生對(duì)課程的重視和學(xué)習(xí)熱情。針對(duì)學(xué)生對(duì)每章知識(shí)點(diǎn)把握不準(zhǔn),在課堂教學(xué)中引入微課輔助,把每章重要的知識(shí)點(diǎn)制作成微課,學(xué)生對(duì)微課很感興趣,除了在課堂上每章結(jié)束給學(xué)生通過(guò)微課總結(jié),學(xué)生也可以利用課余時(shí)間觀看微課視頻,方便學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)內(nèi)容方面,要針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程中遇到的困難,對(duì)難的內(nèi)容要反復(fù)講解,教學(xué)中要及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充復(fù)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí),在學(xué)習(xí)方法上,要給學(xué)生正確引導(dǎo),要讓學(xué)生每次必提前預(yù)習(xí),特別是涉及到數(shù)學(xué)知識(shí)時(shí),要求學(xué)生課前必須先預(yù)習(xí)回顧數(shù)學(xué)知識(shí),做到課堂聽(tīng)課時(shí)心中有數(shù),能跟上教師的講解節(jié)奏。要重視課程的作業(yè),及時(shí)布置典型作業(yè)題,及時(shí)批閱,及時(shí)講解作業(yè)題中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,使作業(yè)成為檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)的重要依據(jù)。
(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加系統(tǒng)仿真。
要改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)接線驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,在自?dòng)控制實(shí)驗(yàn)中增加計(jì)算機(jī)仿真,給學(xué)生提供新穎的實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣,讓學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析和設(shè)計(jì)。
三、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)在機(jī)械類三個(gè)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行自動(dòng)控制原理課程問(wèn)卷調(diào)查,能更好地發(fā)現(xiàn)學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題,及時(shí)聽(tīng)取學(xué)生對(duì)課程的意見(jiàn)和建議,以此來(lái)進(jìn)行課程的教學(xué)改革,一切為了學(xué)生,不斷提高教學(xué)質(zhì)量,幫助學(xué)生學(xué)好該課程,為學(xué)生后續(xù)的機(jī)械專業(yè)課學(xué)習(xí)打下好的基礎(chǔ)。
【參考文獻(xiàn)】
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