创新意识教学方式与学生创新能力培养研究

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  摘 要 针对当前工科类学生缺乏创新能力的突出问题,对专业基础课程的教学方式进行了探讨,对课堂教学中存在的问题进行了分析,提出创新意识教学方式。以车辆工程专业班级的《液压与液力传动》专业基础课程教学为例,通过实际教案对创新意识教学方式对能力培养进行分析,并对教学效果和能力培养进行试验对比。结果表明,所提出创新意识教学方式,对于提高教学质量和培养学生创新能力是有效的。
  关键词 创新能力培养;专业基础课;教学方式;创新意识
  
  引言
  
  当今社会是一个创新型社会,国际竞争日趋激烈,最终表现为创新型人才竞争,高等教育是培养创新型人才的重要措施[1]。目前,在学生创新能力的教育和培养方面还存有很多问题[2],所培养学生质量不高,缺乏创新思维和能力[3]。出现该现象的主要原因是由于不重视专业基础课程的学习,且教学方式缺乏创新意识[4,5]。因此,高等教育质量引起了国内外专家的重视。据所查阅资料可知,我国曾有不少专家对专业基础课程的教学进行了研究,并给出了很有价值的建议和教学模式,但这些大都是有教育管理部门的学者进行的研究,很多是从宏观进行分析和研究的,有些问题的研究还不具体、不够细致和深入对专业课程教学还缺乏可操作性。学生创新能力培养属于一综合系统工程问题[6],最终所培养学生的创新能力,不仅与学生本人的素质、修养、品德和思维有关,而且还与课程教学内容、教学方式,以及教师的人格魅力和创新意识等因素有关。
  本文针对当前工科专业学生创新能力培养出现的问题,对专业基础课程的教学模式进行了分析和探讨,对教师创
  新思维意识对学生创新能力培养的影响进行研究。
  
  一、专业基础课的作用及教学现状
  
  1. 专业课题在能力培养中的作用
  专业基础课程在课程建设中具有重要的地位和作用,其中,专业基础课程是在基础课程开设完毕后,在开设专业课程之前所讲述的课程,在基础课程和专业课程之间起着桥梁地位基础课程在学生能力培养过程起着重要作用,如图1所示。
  图1 专业基础课程创新能力培养框图
  专业基础课程即不同于基础课程的纯理论,也不同于专业课程,它不仅具备基础课程理论推动和分析要素,也具有专业课程的结构、原理和试验特色。通过专业基础不仅可以强化基础课程,而且还为下一步专业课程的学习提供所需要的必备基础知识,为专业课程积累动手试验能力、分析和解决实际问题的能力,以及试验数据的分析处理能力,并且培养创新能力。因此,对于专业基础课程一定认识到其在课程建设中的地位,重视其在人才能力培养中的重要作用,具有基础课程和专业课程不可替代的作用,并将创新和能力培养意识贯穿于实际教学过程中。
  2.专业基础课程教学现状
  对于工科专业基础课程教学,目前国内院校大都是配合实验进行,尽管教学内容比较熟练,并大都使用现代化电子课件等教学手段,使得基础课程教学效果不断改善和提高,但是在教学过程中缺乏创新思维及能力培养意识。例如
  教师对专业基础课与其它课程的把握上,缺乏与基础和专业课程之间衔接,不能充分地发挥基础专业课程的桥梁作用;教师授课方式缺乏强化基础理论的意识,丧失强化学生理论分析能力,缺乏储备专业知识的思想,失去了培养学生分析问题和解决问题的能力;教学内容大都是课程内容,与科研遇见的实际问题结合少,缺乏培养学生热爱科学和科研兴趣的培养;
  教师教学过程缺乏创新思维意识,不能很好地结合讲课内容,对学生进行创新思维引导,培养学生的创新能力。
  
  二、强化理论分析能力
  
  根据专业基础课程的特点以及在创新能力培养方面的作用,在专业基础课程教学过程中,可有意识地强化学生基础课程的理论分析能力。利用专业基础课程的理论分析实例,不仅可以加深基础理论知识的学习,明确其实际用途,将抽象的基础知识与实际应用相结合,而且还可让学生懂得如何利用所学习的基础知识分析实际问题。例如,教案1即为培养学生理论分析能力的案例。
  [教案1] 在讲述《液压与气压传动》基础课中的管中流量与压力关系时,不应该只是给出管中流的流量计算公式,而应该有意识地让学生掌握如何利用微元法,通过微元速度、微元流量,最后利用积分建立管中流量的整个过程,即
  (1) 建立物理模型
  取管中的油液为研究对象,建立油液运动物理模型,如图2所示。
  
   (2) 建立微元速度
  取微圆柱液体,在匀速运动时,微圆柱液体受力平衡,即
  
  (3) 管中速度分析
  对微元圆柱速度积分,并应用边界条件r=R时,u=0,因此,可得管中在不同半径位置的油液速度为:
  
  可知,管内液体质点的流速在半径方向按抛物线规律分布,如图4所示。
  (4) 管中微元流量
  对于半径r,宽度dr的微小通流截面,面积dA=2πrdr,通过该微元的流量为:
  
  (5) 管中流量与压力关系式
  通过圆管的流量可由上式积分求得,即:
  
  (5) 总结和启示
  流量公式推导完毕,应要求学生在专业基础课程中的重要理论公式,用所学习数学知识,自己推导,并告诉学生这样可提高自己的理论分析能力。
  可知,通过对管中流量模型建立和数学推导,不仅强化了数学微积分的知识,而且掌握了利用微元法通过微积分推导建立流量的方法,并有意识地培养了学生理论分析计算能力。因此,在专业基础课程中,对所遇见理论分析教学内容,虽然不能像基础课程那样讲的全面,但是对于重要的理论公式推导和分析,还是应该详细讲解,并重点讲述如何利用基础理论知识对实际问题的理论分析,其分析的过程和方法。
  
  三、培养分析问题解决问题能力
  
  在讲授专业基础课程时,不应该只是满足对某系统结构、原理、优点讲述,而且应该利用讲课所涉及的内容,有意识地培养学生的分析和解决问题的能力。例如,教案2即为培养学生分析问题解决问题的案例。
  [教案2] 在讲授完毕液压齿轮泵结构和工作原理之后,有意识地逐步引导学生,通过对结构、原理和工作过程的分析,寻找出齿轮泵所存在的四个方面的问题,即流量脉动性、困油现象、径向力不平衡和油液泄漏问题。
  当对齿轮泵所存在问题分析完毕之后,随后就应该有意识地引导学生寻找上述各问题的主要原因,并引导学生对上述各问题提出相应的改进措施,如果有多个改进措施,应引导学生多改进措施进行分析,分析各措施的应用场合,并寻找最优改进方案。
  例如,对于困油现象,教师引导学生分析原因及寻找改进措施的步骤,如下。
  (1)原因分析
  由于齿轮泵的拟合系数ε> 1,构成密闭容积Vb 因此,当Vb减小时,压力p急剧升高,油液发热,轴承磨损;当Vb由增大时,压力p急剧降低,产生气穴。
  通过有意识地引导学生自己动脑分析课程中所遇到的问题,寻找问题产生的主要原因,可有效培养学生分析问题的能力。
  (2)措施分析
  通过在齿轮泵两侧端盖上加工两个卸荷槽;当Vb由减小时,通过卸荷槽使密闭容积与压油腔相通。当Vb增大时,则通过卸荷槽使密闭容积与吸油腔相通,可有效减轻齿轮泵困油现象。如图3所示。
  
  通过有意识地引导学生自己动脑寻求解决问题应采用的措施,这样可有效地培养学生解决问题的能力。
  (3)总结和启示
  给出所采取措施之后,任课教师应该让学生假设自己是首次遇见该问题,并问自己能否通过分析独立地解决所遇见的该问题。通过有意识地引导和启发,可让学生认识到任何问题的解决都需要付出艰苦的努力和合理的分析,增强学生学习和培养自己能力的主动性。
  
  四、培养学生创新能力
  
  当发现专业基础课程中的后一章节内容是前一章节在结构、原理上的创新时,任课教师不应该仅是从结构、原理、特性和缺点上作简单的比较就完成该节的教学任务,而是应该抓住这次培养学生创新能力的机遇,有意识地引导学生的创新思维。即首先回顾上节所讲内容,指出存在的缺点,然后启发和引导学生能否从结构或原理上实现创新,将缺点变成为优点。例如,教案3即为创新能力培养的案例。
  [教案3] 在讲授完单作用叶片泵和双作用叶片泵的结构、原理、特点和缺点,并进行相互比较之后,尽管压式变量叶片泵的结构与单作用叶片泵基本相同,不应该只是简单地与单作用叶片泵作一下比较,就结束对限压式变量叶片泵授课。而应该意识限压式变量叶片泵是单作用叶片泵在原理上的一次创新,并珍惜这次培养学生创新思维能力的良好机会。因此,在讲限压式变量叶片泵之前,应该与学生一起回忆原先所讲单作用叶片泵所存在的缺点,然后引导启发学生能否通过原理上的创新,利用单作用叶片泵的“径向力不平衡”缺点,将其改造成更满足液压系统要求的液压泵-即限压式变量叶片泵。即
  (1)对单作用叶片泵的结构进行分析,即定子和转子具有偏心量e,泵的流量随偏心量e的改变而改变。
  (2)对单作用叶片泵的特点进行分析,即其径向力不平衡。
  (3)引导和启发学生能否利用单作用叶片泵的径向力不平衡的缺点,通过压力反馈自动调节泵的偏心量,改变液压泵流量,实现限制压力和调节流量?
  (4)分析讨论之后,给出限压式变量叶片泵的结构原理图,并分析其工作原理。
  (5)总结整个创新思维过程,并让学生假设自己遇见该课题,能否通过独立分析取得原理上的创新。
  通过有意识地对学生创新能力的培养,可有效提高学生的创新思维意识和学习的主动性,增强学生的创新能力和意识。
  
  五、培养学生科研兴趣和能力
  
  任课教师应尽量结合自己在科研过程中所的实际问题,通过实例讲述如何利用课堂所讲知识,来解决科研实际问题。这样不仅是丰富了课堂教学内容,而且还科研培养学生对科研兴趣,增加学生学习的积极性。例如,当讲到油液雷诺系数和节流压力与流量关系时,穿插自己在科研中所遇到非线性节流压力损失和减振器常通节流孔设计问题。
   [实例1] 已知减振器活塞缸筒内径和活塞杆直径,活塞孔直径和个数,试分析减振器临界速度,并写出活塞孔沿程压力损失系数的分段数学函数。
  通过该科研实例,不仅加深了学生对油液雷诺系数的理解,而且增强了对所学知识进行科研理论分析的认识。
  [实例2] 已知减振器结构参数和活塞孔直径、长度和个数,如何利用减振器开阀前的速度特性数值,设计减振器常通节流孔的面积。
  通过该科研实例,不仅加深了学生对小孔节流压力和流量关系的理解,还增强了对所学知识解决科研实际问题的认识。
  通过上述科研实例与课堂内容相结合的实例可知,专业基础课程增加科研实例,可有效丰富课堂内容,增强教学效果,提高学生学习兴趣和科研兴趣,培养学生科研能力。
  
  六、 教学效果与能力培养分析
  
  对04级车辆工程和05级车辆工程专业的《液压与气压传动》专业基础课程,分别采用了常规教学方式和创新意识教学方式,通过教学试验比较可知:
  05车辆工程专业采用新的教学模型,比04级车辆工程专业的教学效果明显改善,学生的学习兴趣、主动性、上课率提高,并出现旁听生现象;学生理论分析能力、分析问题解决实际问题的能力明显增强。
  
  七、结论
  
  通过对创新意识教学模式研究,实际教案分析以及教学效果与能力培养对比可知:
  加强与基础课程教学内容的联系,强化基础理论,加强与专业课程教学内容的衔接,充分发挥专业基础课程在培养学生能力方面的桥梁作用,为专业课程的学习储备知识。增强创新意识贯穿教学过程的思想,通过有意识地引导学生分析问题和解决问题,可增强分析问题和解析实际问题的能力。应该抓住每个培养学生创新能力的机遇,有意识地引导学生的创新思维,培养学生创新能力。适当增加科研与课堂内容相结合的实例,可有效丰富课堂内容,增强教学效果,提高学生学习兴趣和科研兴趣,培养学生科研能力。创新意识教学方式可有效培养学生创新能力,具体推广应用价值。
  
  参考资料
  [1]谢焕忠. 高校在创新型国家建设中的地位和作用[J].中国高教研究,2007,(3).
  [2]郑春龙, 邵红艳. 以创新实践能力培养为目标的高校实践教学体系的构建与实施[J]. 中国高教研究,2007,(4).
  [3]王永华, 孙贵根. 专业基础课的教学与创新能力的培养[J]. 中国科技信息,2006,(10).
  [4]李辉, 刘传玺. 高校创新人才培养模式探析[J].教育与职业,2007,562(30).
  [5]王忠伟, 陈鹤梅. 论研究生培养中的课程创新[J]. 学位与研究生教育,2006,(9).
  [6]江龙华. 论基于创新型人才培养的高校教学模式改革[J]. 现代大学教育,2007,(5).
  
  ※基金项目:研究生创新能力培养资助项目(108010)
  
  作者简介:周长城 男(1962-),山东泰安人,博士,教授,从事车辆悬架设计及理论研究,减振器设计及特性仿真,CAD软件开发研究工作,从事研究生创新能力培养研究。
  
  注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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