面向工程实际的机械类研究性实验教学模式

包海涛，朱林剑，高 媛，王德伦，梁 丰，陈庆红

（大连理工大学 机械学院机械基础实验中心，辽宁 大连 116024）

研究性实验具有探索性质，实验的结果具有一定的不确定性，既可能成功也可能失败，学生在实验过程中拥有更广阔的思考空间［1］。研究性实验教学模式将学生作为主体，在选题、方案设计、实验进行、数据或结果的处理、研究报告撰写上无不体现了学生本位思想，这是一种开放式发散思维的教学模式。开展该类型实验对培养学生的求异探索与创新思维的科学品质、创造能力及分析问题、解决问题的能力大有裨益。

1 机械类研究性实验教学模式开展的关键点

研究性实验是各高校实验教学改革的一个主攻方向［2］。在开展和操作过程中，要保证实验的效率和训练效果，就需要注意几大关键点。在遵循自身所具有的共性规律的同时，还需要注意学科差异这个特点。

1.1 学生为主体

现代教学论认为，教学中要保证学生的主体性原则。主体性是指作为教学过程中认识活动和实践活动主体的学生，在教师指导下积极主动地进行学习时的自觉性、选择性，学生在教学信息处理上所表现出来的独立性、创造性。教学中的这种主体性，是教师发挥主导作用的基点，也是决定教学成败的关键［3］。

研究性实验教学过程中学生作为实验的主体，应给予他们充分的空间，使其发挥自身的主观能动性，依靠自身的潜力解决问题而完成整个实验［4］。学生的自主权体现在学生的自主设计、自主实施、自主发挥、自主观察、分析和总结实验现象，解决实验过程中不断出现的新情况与新问题。自主权可以把学生内在的自我意识转化为实现某个目标的动力之源，从而促使其挖掘潜力，走向成功。

1.2 教师为主导

研究性实验教学中教师起主导作用。该主导作用体现在调控上，即实验题目的选择、时间的制定、开展方式等一些规则性的约束。主导的前提应该是能充分调动学生的积极性，使学生的主体作用得以充分发挥。强调学生主体作用的发挥，并不能忽视教师的主导作用。没有教师正确的主导作用，也就谈不上学生的主体作用了。总之，学生主体和教师主导是辨证的统一，学是在教之下的学，教是为学而教。

学生进行研究性实验的过程中，教师的指导是必要的、有限度的，这样才能使指导达到恰到好处的效果。教师要做“山穷水尽疑无路”式的指路人，指引是启发式的，打破僵局使实验探索得以继续进行。学生正常实验探讨过程中，教师应尽可能减少介入，给学生的探索留下自由发展的空间和相互研讨的余地，否则，将会失去研究性实验所具有的训练价值。

1.3 探索性和不确定性

研究性实验的魅力就在于其所具有的探索性和不确定性。开展的过程一般是先提出任务以及与解决问题相关的一些背景。学生面对的是一些工程目标与具体要求，解决这些问题就需要进行一系列的假设、归纳检验等思维过程，涉及诸多方面的问题，因此，实验自始至终都是一个探索的过程［5］。

实验的不确定性体现在实验的结果、实验的步骤、实验的方法以及所需时间。实验可能会殊途同归也可能会误入歧途，这就要求实验者有正确的思维方向，较强的发现问题解决问题的能力。这些与验证性实验的操作模式有着本质的区别。

1.4 题目的合理性

研究性实验赋予学生充分的空间，也充分调动起他们参与的热情，但实验具有一定的时效性，不能任其自由发展，需要一个合理的“度”。研究性实验毕竟和真正的科研还是有区别的，因此题目的选择需要具有一定的合理性。学生在完成实验时，限于自身实力以及对实验过程缺乏必要的预见性，会造成题目的可操作性降低。这就需要在设计实验题目时充分考虑多种可能，并且题目的难度和要求都需要一个综合把握。如果题目处理不好的话，势必造成实验过程虎头蛇尾，这样也达不到预想的锻炼效果。现在不少学校将科研项目改造转化为研究性实验，这个举措很好，但操作时也要注意项目涉及的深度与训练的广度问题。

1.5 科学的评价

研究性实验不同于验证性与综合性实验，后者的评价考核较为明晰，有点类似于标准化考试，标准比较好把握。研究性实验的因素众多，评价较为复杂，许多情况很难一一对应。比如说很难做到学生题目难度的一致性，尤其是学生自选题目。更不能单纯从学生实验的结果确定学生的实验效果。较为合理的评价指标应该包括题目的难度、学生的参与热情、解决方案的思路、最终结果答辩、老师和同学的评价等，因此说，成绩的评定是多元化的。

1.6 注重学科的差异性

工程学科种类繁多，学科差异明显。有的学科理论性偏强一点，有的实践性更强一点。设计开展研究性实验时要充分考虑对应的学科特点，需要注意各自的差异性。机械学是一门古老而又相对成熟的学科，同时它又是一门实践性、设计性要求都很高的工程科学。机械学的学科特点决定了工程实践是研究的出发点和落脚点，实验教学的开展也应该紧密地与工程实际相结合。在设计机械类实验，尤其是层次比较高的研究性实验时，最好是从实践中来，再到实践中去。

2 面向实际的机械研究性实验的设计与实施

2.1 机械类实验的现状

机械学是一门实践性很强的学科，机构学、运动学、动力学以及机械系统中的支撑、效率、传动都是非常重要的内容，这些内容在工程实际应用中淋漓尽致体现在不同的细节上［6］。目前机械类实验的设计主要是面向课本教学，根据课本进度、内容来设计安排实验，脱离了工程实际。针对机械实验课程内容设置的种种不足，大连理工大学机械基础实验中心在开设实验，尤其是在开设研究性实验方面进行了一些有益的探索［7］。

在生产实际中经常会使用各种类型的传动，来完成扭矩以及机构运动方向速度大小的传递和变换。传动系统的设计是机械设计的重要内容，根据应用场合的不同传动类型也不同。无论哪种类型的传动，效率的大小无疑是应用中要优先考虑的一项重要参数。后续系统的拖动、扭矩选择与匹配，都要参考该项指标。

传动效率是机械专业很重要的一项实验，差不多所有工科学校的机械类实验都有所涉及。效率测试是一个比较复杂的工程问题，影响因素众多，在实际操作过程中，可能会面对诸如传动系统的类型、加载方式、装配和定位、测试仪表的选择和匹配，以及消功环节的散热和保护等一系列问题［8］，因此要将传动效率内容科学、高效地设计成实验项目，难度还是比较大的。

各学校开设此类实验的惯常做法，是将待测传动系统电机以及与之匹配的联轴器、加载系统、测量单元直接装配固定到大平台，仪表直接安装到位，全部调整好。实验过程中学生就是记录数据、运算结果。测试数据记录和处理，只是实验的一部分，绝不是全部，把一个完整的工程测试问题，简化成了数据记录，难怪学生完成了实验还是不能深入地认识和理解实验，更不要说独立地设计匹配测试系统完成测试任务了。缺乏完整的实验训练过程，带来的影响就是留给学生太多的“黑箱”或是“灰箱”，这些盲点必将在学生独立解决、处理工程问题时显露出来［9］。针对现有实验模式的不足，我校在开展此类实验时，从任务的制定到过程控制进行了大胆改革尝试。设计实验时尽可能以一个完整的工程问题方式出现，尽可能贴近工程实际，在整个过程中贯穿研究性实验的思想和实施的关键点。

2.2 课题式任务分配模式

研究性实验的题目要有探索的价值，满足学生思维深度和广度扩展的需求，以此为前提改造了实验任务的布置环节。区别于以往的非常明确、具体的实验要求，采用了课题式任务模式，具有鲜明的工程实际背景色彩，与普通实验的面面俱到式的任务布置相比，学生多了些总结、提炼、任务统筹以及项目研究的实战性。机械传动效率的课题式实验安排见表1、表2。

表1 课题式实验任务分配

表2 设备备选表

其中XXXXX代表着传动的具体类型，可以采用抽签或者自己选定的方式确定。从上述题目可以看到，任务并没有具体指明要测试哪一个量，以及如何来测试，只是给出了项目所需要达到的要求。其实做工程实际的项目，也是需要根据要求提出必要的解决方案，根据方案再细化到每一步。

2.3 团队化组织管理

为避免“三个和尚没水吃”的弊病，同时也为增加竞争的能动性，采取化整为零的团队管理模式，即4～5人为一个团队，每个团队分别有自己独立的任务，并且不交叉。任务布置后各团队进行分工协作，达到各司其职，让每个人都参与其中［10］。为了很好地完成实验任务，除了实验室提供必要的仪器操作手册以外，学生还需要从图书馆获取相关资料。团队成员经过充分的准备后，接下来“头脑风暴”式的讨论就是水到渠成了。教师可以旁听讨论，了解各团队的进展，但不发表意见。学生的方案在讨论中成熟，思维在讨论中升华。

2.4 实验的流程

研究性实验指导教师承担着组织控制实验流程的任务，学生是实验的主角。分配完实验任务后，实验的主动权就交由学生，教师仅在一些有限的环节介入，但并不打断学生思维逻辑过程，介入的目的只是从组织、评价以及实验安全角度考虑。具体流程控制见图1。

2.5 实验的评价

实验完成后采取报告与答辩相结合的方式进行多元化的评价，这样可以避免评价的偏颇，尽量做到公正公平［11］。毕竟研究性实验的评价比较复杂，不能仅仅以实验结果论英雄。评价主体不仅仅包括指导教师，还包括其他组人员的评价以及个人自我评价部分［12］。评价的标准不仅仅是实验的结果，还包括在实验过程中的表现，这些就要求教师综合把握了。

图1 实验流程图

3 教学效果分析

3.1 有助于提高学生处理工程实际问题的能力

理工科的大学生最终要将所学知识应用于工程实际，这就要求他们具备提出问题、分析问题和解决问题的能力。这一能力无法单纯从课本上习得，在整个实验过程中，学生并不单单是信息接受者，更多时候他们是信息的组织者。这是一种学习能力的训练，跳出了教材的约束，通过互联网、图书馆等多种途径，面向问题寻找资料，进行实验方案的规划、实施，并最终得到理想解。这种能力才是工程人才所必需的，也是目前生产实际中急需的。

3.2 学生学习方式的转变与效率的提高

研究性实验是一种开放式的教学模式，该模式增强了学生学习的自主选择性，这对于已普遍习惯于“被动接受”的学生来说，无疑是一次全新的挑战。他们会根据问题的需要，有选择地学习查询资料，这是一种不可或缺的自学能力与习惯。为了完成实验，学生必须独立分析问题和解决问题，调动了学生的主观能动性，并提高了学生的学习效率和效果。

3.3 提高教师水平

面向工程实际的研究性实验对指导教师的水平提出了新的要求。实验题目的工程实践性增强，就需要教师充分地熟悉与实验相关的内容以及外延知识，这样才能对实验过程的各个环节控制得游刃有余。

4 结束语

面向工程的研究性实验教学有着鲜明的工程项目色彩，对学生的综合实力训练很到位。这种训练效果是普通的实验模式无法达到的。通过机械传动效率面向工程的研究性实验教学实践，学生参与的积极性、实验所涉及的信息量、实验课后效果的抽查情况都很喜人。面向工程的研究性实验教学对教师、学生、实验器材也提出了新的要求。

（References）

［1］许家瑞，周勤，陈步云，等.构建创新实验教学体系的探索与实践［J］.实验技术与管理，2009，26（5）：1－4.

［2］孙文彬.开放性创新实验教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2006，25（2）：148－151.

［3］顾明远.教育大辞典（教育心理学卷）［M］.上海：上海教育出版社，1989.

［4］留岚兰.实验课程设置与创新人才培养［J］.实验技术与管理，2007，24（1）：123－125.

［5］张小岗，秦玉军.研究性实验教学项目创设及实践［J］.实验室科学，2011（2）：37－39.

［6］谢黎明，靳岚，沈浩，等.机械设计制造及其自动化专业实验教学改革［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）：128－130.

［7］包海涛.层次化研究性实验教学体系的构建［J］.大连理工大学学报：社科版，2009，30（2）：68－70.

［8］刘白，汪大鹏.齿轮传动效率的试验研究［J］.机械工程学报，2001（1）：109－112.

［9］王世刚.机械原理与设计实验［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

［10］张强，刘军山，黄启来.实验教学模式创新与课堂教学设计［J］.实验技术与管理，2010，27（6）：15－17.

［11］何兴华.构建实验成绩评价体系的实践与探索［J］.华北科技学院学报，2009，6（2）：87－89.

［12］刘葵，汪建民，孙华.建立实验成绩综合评价体系的探索与实践［J］.高校实验室工作研究，2010（2）：32－33.