探索实验教学改革新思路创建人才培养新模式———机械工程学院机电实验室实验教学改革工作纪实
艾青曾说:“实践是认识的阶梯,科学沿着实践前进。”众所周知,实践是检验真理的标准,更是掌握科学的必经之路。我校机械工程学院机电实验室自建立至今,在实验教学中取得了累累硕果,而近几年的成绩尤为突出。自2006年起,机电实验室开设的16学时独立授课的综合实验连续四年名列学生课程评教前200名,2009年更是以实验类课程评教之冠的成绩名列全部课程评教的前100名。到目前为止,我校已在机电实验室创新基地立项30余个项目,其中已有9项成功申报国家大学生科技创新项目。此外,由机电实验室创新基地代表学院组织实施的、姚建涛等的“并联式生物力学测力平台”项目获2009年河北省“挑战杯”一等奖,郝琪等的“燕彩温室研究中心”项目获2010年河北省“挑战杯”一等奖,谷立永等的“可控速多人高楼逃生装置”项目及“多功能机械蛇”项目分别获首届河北省大学生机械创新设计大赛暨第四届全国大学生机械创新设计大赛河北分赛区预赛的一二等奖。
机电实验室缘何在我校实验教学领域取得如此显著的成绩?它对本科实验教学有什么启示?带着这些问题,记者对机械工程学院的机电实验室进行了采访。
细水流长,从点滴做起机电实验室于1995年创建,隶属于机械工程学院并联机器人与机电系统河北省重点实验室,现有实验人员4人,实验场地总面积达250多平米,拥有传统继电器控制实验台、PLC控制实验装置、微机原理及接口实验系统、单片机及接口实验台、教学用机器人、计算机局域网络系统和多种教学用软件等多种实验设备。目前,机电实验室承担我校本科专业及本学科硕士研究生专业课程的实验教学任务,为机械工程学院和车辆学院的本科生开设《微机原理》平台课,以及机电专业 《工厂电气控制》、《接口技术》、《机电一体化》、《机器人技术基础》、《单片机原理与应用》等课程的相关实验课,为机械设计制造及其自动化专业的本科生开设相关选修课程的实验课,为机电工程专业的研究生提供试验仪器及场地,同时也为全校师生提供有关课题的试验场地和条件。
实验设备的完好是实验课程顺利开展的前提,因此,机电实验室的4位老师在实验设备的日常维护和检修方面下了很大功夫。每学期末,趁着对实验设备存在的问题及其记录仍有清晰记忆,他们都要对设备进行一次全面维修,以便提高维修效率。每学期初,他们也要进行一次全面检修,防止设备经过一个假期的放置出现意想不到的问题。实验课程开展期间,由于频繁使用,设备难免会出现一些问题。为了不影响实验教学,他们根据经验购置易损部件以备不时之需。由于实验费用较少,他们经常自己买部件维修。遇到解决不了的技术难题,他们就向相关领域的老师请教或是找自己熟悉的企业单位咨询。有一次,教学用机器人出现故障,因厂家维修费用太高而且时间也来不及,实验室老师就自己检测查找故障点,又请相关方面的老师确认,最终将设备修好,保证了实验教学按时保质地完成。完好的硬件设施为实验教学的顺利开展奠定了良好的基础。多年来,机电实验室从未出现因实验设备的故障而导致实验课程无法开展的情况。
在实验课表编排和实验教学大纲制定方面,机电实验室也做到了细致入微。由于实验室承担了不同院系很多班级的实验教学任务,而机电实验室的资源又不能够满足如此多的班级同时上课,于是实验室老师利用寒暑假时间,从学校教务处网站上统一下载了所有应安排实验课的班级的课表,整理出各班的空课时间,采取逐个班级循环授课的方式,把实验课程安排在学生们的空课时间,初步完成对实验课表的编排。学期初,实验室老师再主动与任课教师及各班学习委员沟通,最终确定实验课表,然后统一下发到各班。这种预先安排既有利于学生更好地把握自己的时间,也有利于机电实验室有条不紊地完成每学期繁重的实验教学任务。
学校规定每三年进行一次教学大纲制定,对于实验大纲的制定,机电实验室的老师们丝毫不敢怠慢,尽心尽力地选定一份完善而清晰的大纲和计划,用以指导实验教学。每次实验课程教学大纲和计划的修订必须经过三个环节:首先,理论课任课教师与实验课任课教师根据教学内容确定实验项目与内容;其次,实验课任课教师在实验课前试做每个实验项目,预测学生在实验中的误区及所需时间,以确定实验教学计划;最后,实验课教师将实验大纲和计划初稿交给理论课任课教师,经过理论课任课教师的整体把关,最终确定实验教学的大纲和计划。在每次修订过程中,实验课任课教师都会同理论课任课教师进行充分沟通,做到明确彼此的教学目的;理论课任课教师把课程进度与计划反馈给实验课任课教师;实验课任课教师将实验项目与内容告知理论课任课教师,确保理论学习与实验相协调,实现了理论为实验作指导,实验反过来巩固理论知识的目的。
此外,为了保证实验教学的时效性,弥补教学实践中的不足,并不断加以完善,机电实验室每年都会对实验教学大纲和计划进行一次修订,以适应每一学年的新要求。例如,在以往的实验报告中,学生需要完成大量的填写工作,不仅任务繁重,而且达不到对实验预习和准备的预期效果。为提高实验教学的质量,同时使学生在实验准备阶段确立明确的目标,2008年,实验报告册与指导书采用试卷的形式,细化了实验准备的各项内容,将实验步骤、内容及结果设为填空、问答的形式,并设以相应分值,以测评学生的准备和完成情况。经过改进的新实验报告,优化了实验过程的内容安排,在一定程度上促进了理论课程与实验课程的相互交流和良性循环,不仅使学生明确了实验的重点,更使学生充分认识到相应项目的重要程度,大大提高了学生的学习效率。新的实验报告册深受学生的欢迎。
在实验的前期准备工作上,机电实验室老师从不敢懈怠。为了丰富教学内容,实验室从来不会固守几个已有的项目多年不变,而是每年都在旧项目中添加新内容,在老设备上开发新项目。要培养学生的创新能力,老师首先要有创新意识,这是机电实验室的老师时常提醒自己的。在工作中,他们不断地学习新内容,不断地自我“充电”。在教学实施过程中,实验室老师注重的是引导而不是一味地教授;在教学态度上,实验室的老师们主张对学生循循善诱,而不是简单告知操作方法。这样,经过一堂课的学习,学生不会仅仅按照制定的步骤走马灯似地操作一遍了事,而是会通过实验真正地学习和巩固知识。
在实验期间,难免会有个别同学因为主客观原因不能按时跟随本班级一起完成实验。对于这样的学生,实验室的老师们总会叮嘱他们跟别的班级进行补做,如果没有合适的时间,实验室老师会单独安排时间指导他们完成实验,绝不仅以扣分作为处罚和告诫。他们宁可多付出点时间和精力,也要让学生做完实验,真正学到东西。
在没有实验教学任务的时候,实验室的年轻老师会主动去听学生评价高的教师讲课或观摩其他专业的实验课,积极改进自身教学中存在的问题,并主动观看学校举办的教学基本功竞赛和教学观摩大赛,认真听取专家点评,取长补短。正是由于实验室年轻老师的严于律己,积极进取,2007年,他们在学校教学观摩大赛中才得到了各位专家老师的好评,取得一等奖的好成绩。
正是机电实验室在日常教学工作中的一丝不苟,才使得本科生实验教学工作扎扎实实地开展,这不但得到了老师和学生的好评,也得到了院领导的认可。
基于“项目研究式”的教学方法改革从2006年起,在国家质量工程建设项目的支持下,机械工程学院开始引进国际先进的工程教育理念———CDIO模式,开始推进基于“项目研究式”的教学方法改革。作为培养本科学生的一个重点,本科实验教学成为教学方法改革的重要试点。
省级精品课《微机原理及应用》是由机电工程系负责开设的院级平台课,该课程抽象难懂,难讲难学。往年以传统的教学方式授课,学生学习味同嚼蜡,兴趣索然,难以理解并掌握课程知识。2009年,机电系进行了基于“项目研究式”教学的试点改革。本着“要更多地给予学生主动参与课程学习的机会,要想办法激发学生发自内心的学习激情,要精心设计各种实践环节培养学生的综合能力”的教学改革思想,机电系的老师们精心设计了一整套包含三个级别的项目体系:以随堂进行的项目为三级项目,促进学生对专业核心课程的学习;以专业课程设计为二级项目,培养学生构建并运用知识模块的能力;以毕业设计为一级项目,培养学生用专业知识开发设计复杂系统和产品的能力。为探索CDIO教学模式,机电实验室课程组积极配合授课教师,决定从浓缩理论授课内容入手,将授课教师从科研项目中提炼出来的基于团队的三级项目与课程实验教学有机融合,让学生在课堂上学习理论知识,课外进行三级项目的研究,使学生自主建立起以确定项目方案、设计和搭接电路、编写和调试程序为主要内容的学习体系。三级项目的最后,要求学生以撰写项目报告和制作PPT的形式进行项目研究的汇报,改变了以往以课后习题来巩固学生所学理论知识,类似于“纸上谈兵”的学习方式。三级项目的实施使学生从被动学变成主动学,使他们的学习积极性更加高涨,也巩固了知识体系,并树立起工程思想。此外,项目的实施既增强了学生的学习能力和知识的运用能力,也提高了学生的团队协作和交流表达能力。
2008年,我校成为全国首批CDIO工程教育模式机械类试点高校之一,并被推举为组长单位。为了实现对基于CDIO理念的专业课程项目体系的进一步探索与实践,机电实验室的老师配合理论课老师在原有专业主干课程的三级项目基础上,于2009年秋季学期进行了新一轮的改革和完善。机电系将《机电一体化系统设计》和《单片机原理及应用》这两门专业主干课程的三级项目和机电专业课程设计二级项目集成为一个完整的基于项目研究的教学体系,并分为两个阶段。第一阶段(三级项目实施阶段):基于《机电一体化系统设计》和《单片机原理及应用》两门课程的三级研究项目,课程组所选择的项目是智能小车的设计与制作,这个项目需要综合运用以单片机控制技术为核心的机电一体化系统设计知识。第二阶段(二级项目实施阶段):用四周的专业课程设计时间,让学生将课程项目阶段完成的智能小车升级为简单的移动式抓取机器人和搬运机器人,并通过书面工作报告、汇报讲演和分组搬运物料竞赛等方式进行考核验收。
2009年,机电系在完成项目整合后,创造性地将竞赛机制引入到该项目实施过程中,并将成本考核指标引入到项目考核。学生在完成方案设计、工程设计、加工制作及项目调试后,所有的项目作品均参加由创新基地组织的智能机器人搬运大赛,以比赛成绩作为项目评定的标准之一。同时,学生根据项目进行情况自我评分,进一步激发了他们的创作热情。这种改革构建了集“课堂教学、讨论互动、动手实验、项目研究、课程设计”五位于一体的课程教学体系,实现了多方位培养学生的综合能力和素质。
一位经历过这种教学改革的学生说:“这种教学体验既使我们的课程知识得到了巩固,也使自身的综合素质得到了提高,实践过程中充分发挥了自主创新能力,给了我们一种不同寻常的经历,使我们得到了真正的成长。”
一份耕耘,一份收获“老师若把学生当做自己的孩子或兄弟姐妹,就会感到付出不算什么,都是应该做的。”采访中,实验课老师这样对记者说。正是由于有了这种强烈的责任感,机电实验室的老师鼓励基础差的同学加班完成实验,接纳学有余力的同学加班完成额外的实验内容,所以经常会有这样的场景:每当窗外尽是刚下课赶回宿舍或食堂的同学时,机电实验室里还有学生在专心致志地继续着实验,实验老师也没有因为下班而离开,而是依旧在实验室陪伴着学生,为其提供指导。
实验课程项目的实施在考查学生的理论掌握能力的同时,也在考察学生的自主创新能力。为了避免突来的灵感受打扰,许多同学都会放学后一直呆在实验室,直到实验项目完成才会离开,实验老师不忍心影响学生浓厚的学习热情,尽可能地陪伴着他们。因此在项目实施期间,机电工程实验室老师几乎取消了全部晚上及周末的休息时间,遇到学生调试的关键时候,会拖到很晚才下班,甚至中午也不休息。在实验室没有安排课程的时候,总会有学生主动请求老师开放实验室,对自己感兴趣的项目作进一步研究,尽管机电实验室的老师也有很多教学事务要忙,但每次还是都会答应学生的请求,因为他们深知学生时代是学知识的最佳时期,应该尽可能地为他们提供方便。
在实验进行期间,老师的默默付出潜移默化地影响着学生,增强了他们学习的主动性。除此之外,负责实验的老师们还在积极丰富实验教学的内容,使实验更加贴近工程实际,让学生在上学期间就接触参加工作后可能接触到的东西,使学生真正感觉到那些就是在日常工作中要用到的。现在,实验室老师都在积极争取学院立项,准备开设挖掘机自动控制及融合组态技术的液位控制系统等更多项综合型实验项目,以使学生有更多的选择范围。
精诚所至,金石为开。”在培养学生理论联系实际的作风、求真务实的态度,提高创新能力与实践能力方面,机电实验室走出了一条成功之路,得到了广大师生的认可和好评。但机电实验室的老师们并没有满足于已有的成绩而固步自封。在探索教学改革新思路的同时,如今,他们仍然秉承着对工作认真负责、对学生悉心辅导的传统,正在为创建人才培养新模式而兢兢业业地努力探索着。