设计贯通式教学模式 践行个性化人才培养理念

叶佩青+++张辉+++朱陶元敏+++耿强

摘 要：本文研究了工程实践教学中的环节设置，分析了当前高校实验课堂教学中的几种常见模式，探讨了激励学生主动创新与保证整体实验效率的平衡关系，以案例的形式与大家分享了清华大学“制造装备设计与实践”和“数字控制技术”两门课贯通式教学的模式，提出并践行了一种创新课堂教学的有效方法。

关键词：贯通式教育；创新教育；实验教学；实践教学

20世纪90年代以来，我国高校不断深化教育教学改革，不断探索和实践创新教育，尤其是在工程教育领域。我们在多年的教学实践中深深感到，统一化的教学很难满足高年级学生的需求，必需进一步优化设计课程，给专业兴趣浓烈且学有余力的学生充分释放才华的空间，这样才能保证这些入学前顶尖的学生走出校门后依然能够成为各个领域的顶尖人才。本文将结合“制造装备设计与实践”和“数字控制技术”两门课贯通式教学实例，对这一问题进行探索和讨论。

一、实验教学的二元论：“效率”还是“约束”？

实验教学是工科院系必不可少的一部分，学生在大学四年中拥有丰富的机会动手实践，验证所学的理论。实验教学教给了学生科学工作的基本素养，比如处理实验数据、撰写实验报告的方法。那么对于学生的创新教育来说，体系化的实验教学方式是很有效率地保障了大部分学生得到系统的科研素质培养，还是束缚了学生的创造力呢？

1. 高效、系统的流水线

实验教学像课堂教学一样有系统的实验指导书。学生可以按照实验指导书在实验平台上完成实验，比如搭电路、写程序等，得到实验数据后，经过计算或者演绎推理得出需要的结果，并与理论公式所得到的预期进行对比，进行相应的解释和分析。可以说，整个过程（如图1所示）非常范式，是高效、系统的流水线。

图1 典型的传统实验教学流程

在这种模式下，学生可以在有限的时间内，有效地遍历一个系统的科研过程，得到很高效率的训练，但学生在整个过程中的自由度很少。对于许多实验课，学生在实验室能做的事情甚至被压缩为简要地操作一下仪器，然后读取数据，学生的大部分精力都集中在处理数据和写实验报告上。很难想象，学生的创新能力可以在这种环境中能得到行之有效的培养。

2. 星光璀璨的乌托邦

如果说学生在模式化的实验教学中很难锻炼自己的创新能力，那么如果我们拿掉这些约束，是否就给学生开辟了一个广阔的天地了呢？诚然，如果完全没有任何限制，学生将有非常广阔的空间去自主创造，比如自己设计一种测试方法，搭建测量平台，来验证某一物理理论，或者自己采购一套硬件设备，搭建电路，编写软件系统，实现某一种控制方式。这对学生的创新能力和动手能力都是非常好的锻炼，看起来非常值得尝试。

然而，任何一个实验平台，其所需要的软硬件系统都是非常复杂的，许多底层的架构设计需要很多时间才能调试通过，这对广大学生来说无疑是一个巨大的时间消耗。如果学生在实验中对某一个环节感兴趣，提出了自己独到的创新方式，其他环节不得不做相应的修改以配合这一环节的创新设计，可能会做很多没有效率的工作。更重要的是，大学教育是培养人的教育，需要充分尊重每个学生的差异性，并不是每个学生都志在科研，愿意投入大量的时间在实验室中。实验课程撤消了所谓的“约束”的同时，也抽掉了原本的“支撑”，很多学生会变得无从下手，从而选择抄袭他人的设计以完成任务。这对本来认真完成创新实验的学生来说是一个不小的消极信号，同时因为完全没有任何约束，大家的设计各异，底层架构不同，上层设计更是无从谈起，小组之间的相互交流和竞争也会被大大削减。

3. 高年级贯通式个性化人才培养模式探索

在上述讨论中，我们似乎看到了水火不容的二元论：实验教学保证整体效果时很难谈到创新，而完全放开后则会产生效率不足等弊端。那么，我们如何在保证集体效率的同时给予部分拔尖学生释放才华的空间呢？

清华大学机械工程系数控技术研究室针对大四学生的特点，践行教育不是把篮子装满而是把心点亮、个性化人才培养的理念，以承担的“制造装备设计与实践”和“数字控制技术”两门大四本科生课程为基础，探索贯通式教学改革方法，践行个性化创新型人才培养理论。“制造装备设计与实践”课程在前，以设计并实践一种激光雕刻机为载体，涵盖典型制造装备产品的机械、电气、控制系统结构与关键技术，以及使用、设计分析软件，旨在提高学生的设计水平和能力，训练其工程设计的基本技能，提高学生的研究、动手、表达、组织管理等能力。“数字控制技术”课程在后，讲授对位移、速度、加速度、轨迹、力、力矩等物理量进行控制的方法和技术，实现制造工艺参数和流程的精确控制和自动化。通过对上游课程设计出的激光雕刻机进行控制，加工出设计的作品，并在高效率、高精度等方面追求卓越。

在这门课开展的十余年间，老师和助教们不断进行改进和优化。日益完整的软硬件平台给予了学生完成一个综合型课题的基础，同时各个环节都存在很大的改进乃至替代空间，学生可以充分发挥自己的想象力，大胆创新，并通过实践将自己的想法做成实物，以达到知行合一的教学目的。教学中优秀的实验方案会保留下来，供以后的学生参考和学习，整个实验教学环节的流程如图2所示。

二、案例分析：从数控课堂走向挑战杯

“特奖”

在教学过程中曾涌现出许许多多优秀的案例，其中以“基于五连杆机构的高动态特性激光雕刻系统”项目最为典型。该设计来源自“制造装备设计与实践”课程，在“数字控制技术”课程中细化，由学生利用课外时间，借助课程实验平台最终完成。项目在“清华大学第三十三届‘挑战杯学生课外学术科技作品竞赛”中获得特等奖。

该项目起初正是在课堂的学习过程中提出的。在要求设计一套激光雕刻系统的环节中，学生并没有拘泥于现有的X-Y轴正交串联式的驱动结构，创造性地将平面并联机构引入了其中。通过调研市场上现有的激光雕刻机，发现若将驱动结构修改，能使得雕刻机的动态性能有非常大的提高。学生将该创新性方案向老师呈报，得到了老师的肯定和鼓励。

图2 创新实验教学流程

在设计时，为了能够使激光雕刻机在工作范围以及工作精度这两方面达到平衡，学生通过求解逆向运动学方程的方法，得到了激光雕刻机在不同设计组合下的误差分布，并不断调整结构参数，最终得到了最优化的设计方案。在进行具体机构零件设计的过程中使用有限元方法，对关键零件进行了受力分析，在保证结构强度的情况下，对零件进行了大面积的开孔减重，这样使得整体结构的惯性尽可能的小。在选择材料时，也将大部分结构设计为高强度铝合金，只在关节处使用钢件增加结构刚度。

为了支持学生的创意，使得设计真正落地成为现实，老师帮助联系了金属加工车间，将学生亲手设计的零件全部加工完成。在此过程中，老师还对学生设计的零件反复提出了修改意见，使得原本只会“纸上谈兵”的学生增添了“实战”的经验。

在紧接着的“数字控制技术”课程中，学生又对系统的控制结构进行了进一步的细化设计。在课程中，学生将设计精力由结构设计转向了控制系统算法设计，通过自行编写控制算法，优化雕刻机在轨迹规划方面的性能。由于采用了全新的结构设计，对于控制算法也需要进行相应的改进，这也使得在控制工程与机器人学等课程中学习到的知识得到了真正应用的场合。

该项目完全以学生为主体，提出设计、验证设计，充分发挥了主观能动性，并且以教学实验平台为基础，始终围绕教学的核心，完整地契合了教学的目的，是一次师生配合完成的十分成功的教学尝试。在参加竞赛的过程中，学生的团队协作、展示表达能力也得到了充分的锻炼，这些都是在传统课堂中难以得到的收获。

三、创新实践课程模式

1. 加强课程之间的贯通性，突破课程之间的壁垒

目前，一些知识点在多门课程中反复提及，冗余的内容既浪费了宝贵的教学时间，又会使学生产生厌烦的负面情绪。教学知识点的连续，能使学生在掌握所学知识时拥有更为清晰的脉络，从而避免在一门课结束之后迅速将知识都“还给老师”。

贯通性既可以体现在教学知识点上的贯通，亦可以是教学平台上的贯通。教学平台的贯通能大大缩短学生用于学习实验平台使用方法的时间。通过提高课程间的连续性与相关性，使得知识点突破课程之间的壁垒，贯穿整个教学系统的始终，以便学生获得最大的学习效率。“制造装备设计与实践”与“数字控制技术”两门课程的壁垒突破和有机衔接为人才培养创造了良好的实践条件。

2. 营造课外实践环境

实验室应不仅作为传授知识的平台，更应成为激发学生专业学习热情的载体。教学平台资源可以在保证实验室安全的前提下对学生开放，使学生的想法得以充分的展现。依托教学平台的各种资源，学生可以在感兴趣的前提下，利用课外时间继续探索某一课题或是实现某一种受课内时间制约无法实现的实验思路。这正是清华大学机械工程系推行本科生导师制的初衷。

对于想法新颖且切实可行的课外研究课题，如遇到实验室器材无法满足需求的情况，老师可以给予学生适当的支持。同时，可以鼓励学生以课外研究项目为基础，参加校内外的课外创新竞赛。通过参与竞赛的形式，进一步强化学生的动手能力与展示表达能力，锻炼学生的团队协作能力，使学生从被动的接受知识转变为主动的探索知识。

3. 拓宽个性化人才培养方式

实验教学不必局限于老师指导学生的传统模式，可以以实验室平台作为基础，以课外创新项目为载体，通过高年级学生带低年级学生的模式，充分发挥“传帮带”的作用。课堂作为教学计划的一部分，很难在高年级与低年级学生之间产生交集，从而使得课堂中的项目总是重复几个“规定动作”，具有较好创新的项目也往往总是昙花一现。若以实验室平台作为媒介，将先前同学的优秀作品向新同学作展示，能够极大地拓展学生的思路。同时，若能够组织课外创新项目组成一个新老结合的团队，则可以更好地促进学生之间的交流，使得优秀项目能够一直延续下去。

自主创新能力是国家未来竞争力的核心，而高校是为国家输送创新人才的重要平台。创新能力并不是与生俱来的，需要给予学生合适的空间和平台去激发和锻炼。大学中的课堂远远不止是单向传递知识的教室，更是迸发思想火花，让学生互相交流学习、突破自我的一块天地。正如教育家斯金纳对教育本质的诠释：“如果我们将学过的东西忘得一干二净时，最后剩下来的东西就是教育的本质了”。大学工程教育更是如此，在教授知识的过程中，建立合适的教学平台，注重学生创新、实践能力的培养，才是教育的真正本质。

参考文献：

[1] 赵川平. 国内外大学创新教育的实践研究[J]. 高等农业教育，2000（7）：10-14.

[2] 李松岭，李明雪. 高等物理创新教育改革实践性研究策略[J]. 物理与工程，2010，20（3）：51-54.

[3] 赵希文，李旦，朱宁. 大学生创新性实验计划与高校课程改革[J]. 中国大学教学，2008（12）：8-10.

[4] 叶佩青，刘莉，吴志军，季林红. 综合性实践教学改革探索[J]. 实验技术与管理，2005，22（2）：22-24.

[5] 叶佩青，石川. 非必修类专业课的教学方法研究[J]. 实验技术与管理，2007（4）：100-103.

[责任编辑：夏鲁惠]