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隨著計算機硬件技術、軟件技術的高速發展。各種計算機應用程序的開發形成了這一批結構工程師從走出校門,就在計算機上進行結構工程計算、設計。他們不再經歷老一代結構工程師們通過手工計算的過程。甚至迷信計算機,以為計算機是解決工程問題的源泉,簡單地信賴計算機。隨著大量的計算機軟件的開發,但又缺乏對計算機軟件的質量的保證,包括對軟件開發者和其技術支持的技術資質證明;軟件開發商的質量保證、質量控制過程的嚴格評價,軟件中所用技術的理論依據的嚴格評價;簡單和復雜例題測試結果的嚴格評價及其與其他獨立求解結果的比較;等等很多威脅到工程結構安全的問題,被計算機軟件應用的發展所掩蓋了。
在當今世界,計算機的濫用開始日益威脅著公眾的安全,計算機被抬高到了是知識、經驗、思維的替代品。人們越來越愿意相信計算機使他們能對工程作出正確的判斷,而很少有人在想,特別是年輕的結構工程們更很少去想,如果沒有計算機,結構設計工程中需要哪些必要的知識和經驗。大家都相信,解決工程問題的專業知識就是怎樣使用計算機以及計算機本身的專業知識。甚至把使用計算機的能力當成能勝任工作的能力。大量的結構工程師們相信,他們僅僅依靠計算機就可以“解決”工程問題。沒有人認識到高質量的工程只能是淵博的工程理論知識、豐富的工程實踐經驗、以及艱辛的腦力勞動、高質量的設計思想相結合的產物。
在工程結構設計計算中利用計算機自動化技術已有了很嚴重的負面影響,它使年輕的一代結構設計工程師們相信計算機的安全性、知識性和能力。他們變得如此依賴計算機,以至于喪失了不依賴計算機進行計算工作的能力。他們不懂得,計算機不可能記錄有關模型、分析和設計的一些技巧。在現實工程實踐經驗中,工程結構,特別是水利水電工程結構的模型是千差萬別的,計算機不可能識別上千萬種工程設計思想,除了具有快捷的計算速度以外,計算機程序只是一些離散的知識。而真正的工程知識是經驗、直覺、靈感、領悟力、創造力、想象力和“認知”的巨大綜合體,它超越了任何計算機程序和程序員對結構工程的“理解”。
現代工程具有復雜的理論依據、集體的設計思想,依靠計算機是不可能讓人們學習有意義的經驗的。越來越多的工程師們都期盼計算機軟件能將結構工程設計程序完全自動化。希望在解決工程問題時他們只需要區化類型和條件,讓程序自動生成必要的數學模型,完成復雜而重復的分析和設計過程。最后由制圖工具完成設計圖紙。這樣,結構工程唯一的責任就是明確所要解決的問題,然后評價最后的設計“成果”。而對于是否能可靠的檢測特征值,在進行分析時是否用了足夠的模型、狀態,或計算機建立數學模型的理論是否正確,是否符合工程實際的特征,分析結果對工程結構敏感部位是否敏感,計算結果是否在條件允許范圍之內,是否能根據實際的工程結構模型對某些邊界條件進行調整。這些在年輕一代的結構工程師們心中,都變得模糊不清。
很多軟件開發商,在對計算機知識的精通之外,畢竟不是結構工程師,專業技術知識肯定有著各種方面的欠缺。計算機是一種工具,不可能替代人的腦力勞動、人的知識、經驗的積累,計算機能處理大量的信息,但計算機程序是沒有多少工程實際工作經驗的程序員編制的,程序對工程建立的數學模型也不會很完善,在計算中,即使是錯誤的信息,計算機也不可能識別,同樣的都在計算機上顯示給專業技術工程師們。這就要求專業技術工程師們自己能通過專業技術知識的掌握,來控制設計計算中的偏差。
在軟件的實際應用方面,那些只有極少經驗、極少學識、年輕的結構工程師依靠計算機軟件來解決極度復雜的結構分析和設計問題。他們對結構力學基本原理和設計規范的背景知識了解很少。無法判斷程序算法所蘊含的假設和步驟,也無法判斷計算機運算結果的質量。寧愿相信計算機程序產生的任何結果都是正確的,無法懷疑計算機作出的所有結果,以及用獨立的例題校驗結果。
2在工程結構設計計算中正確合理的應用計算機技術
首先,在年輕一代的結構工程師中,應讓他們對工程設計的危險性、對公眾安全的威脅、對工程建筑設計的責任感有一定的認識,結構工程師應該知道,工程結構特性是由結構工程設計的質量決定的。真正的結構工程師,應該不用計算機就能工作,計算機應用技術本身并不是壞事,問題的核心是在結構工程計算中計算機的使用方法,不能濫用計算機。要強調工程實踐中知識、專業技術以及經驗的重要性,了解“為什么”這樣設計才是關鍵。專業的結構工程師應在參加工作的最初一段時間內,對結構工程設計計算進行手工求解,了解手工求解的原理、基本原則和提煉模型、識別計算結果中的錯誤,解決問題的其他方法,判斷計算結果的有效性。對計算機的計算結果應持批評態度,尊重工程實踐經驗,通過工程實踐學習工程設計,強調從那些資深的或有經驗的結構工程師那里學習結構工程設計。不依賴計算機解決工程問題,經常懷疑計算機,在沒有深入的誰以前不使用計算機的結果。在被工程師證實正確之前,假設計算機提供的結果是錯誤的。在用計算機求解之前,必須先知道答案。不崇拜計算機,而崇尚知識和經驗,提倡全面了解工程理論和實踐中的所有經驗。
計算機在為人們提供很多方便、快捷的圖像、文字、數值計算等信息處理技術的同時,要認識到計算機不可能成為人類知識、經驗、遠見、靈感、創造力、想象力、獨立思維的替代品。雖然在結構工程實踐中計算機是非常有價值的工具,但是結構工程師們必須認識到對工程學的原理、方法、標準等等的全面了解,比對計算機操作方法的了解要重要得多。計算機不可能記錄有關模型、分析和設計的一些技巧。可以這樣認為,除了具有快捷的計算速度以外,計算機程序只是一些離散的知識。
一個稱職的結構工程師,應具備不依賴計算機解決工程問題的能力,應具備經驗、直覺、靈感、領悟力、創造力、想象力和對工程的設計思想的能力。能獨立地靠學識、創新和豐富的經驗,而不是依賴計算機找出結構工程問題的正確解答。計算機只能回歸到工具的位置,只是一種方便快捷的計算、圖像、文字處理等信息技術工具的位置。
1.1代跟多夫應用技術大學
學校是為了適應代跟多夫當地工業的發展而于1994年建立,是公立大學。學校目前有學生5000余名,教授120名,教師300名左右,5個專業工商管理、機械、電子、工業工程、建筑系;學校占地面積不大,大約100至200畝左右,建筑物簡潔實用,建筑面積不算大;除主校區外,還有七個所謂的科研校區,主要開展服務當地企業和經濟發展的工作。學校開設學士課程專業為三年半學制,其中有半年企業實習要求;碩士學習為三個學期。學校教授選拔嚴格,地位高,終身制,有法律的保障,主導教學,參與學校管理。學校強調實踐教學,理論與實踐結合緊密,自稱是全德國18所強調實踐的大學之一。實驗實習條件較好。重視學生的國際化,有10%的學生到別國學習一學期,10%的國際學生來校。學校非常重視學生就業成長。
1.2魏恩斯蒂芬應用技術大學
學校辦學的歷史悠久,環境優美,許多建筑、樹木有幾百年的歷史,兩個校區內都有當地所謂的王宮。現有三個校區,分別在魏恩斯蒂芬(Weihenstephan)、特里斯多夫(Triesdorf)、斯托賓(Straubing),其中斯托賓(Straubing)是研究校區。我們在學校的兩個校區進行了四天的培訓學習。學校始終堅持服務當地的農業發展,學校提出的辦學理念是:綠色、創新、實踐。學校注重理論與實踐的結合,注重應用研究。學校現有145名教授,有200~300名教師和一些工程師。教授是終身制的,要求有五年以上的企業工作經驗,一般教師是2~3年的合同制。現總共有5683名學生,其中Triesdorf校區1750名,學生人數呈逐年增加的趨勢。其中雙元制學生占10~20%。Weihenstephan校區有生物、園藝、景觀、營養、森林經濟五個系,2006年以后成立了研究中心。Triesdorf校區有農業和環境工程兩個系。共有19個學士專業和8個碩士專業。有11個專業可提供雙元制的學習。與世界71個大學合作。教學方面,學士7學期,碩士三學期。一學期15周,30學分,900學時,要求學生一半在家學習,一半在校學習獲得學分。
1.3行會和企業。
我們還先后走訪了雷根思堡(Regensburg)工商會、萊比錫手工行會培訓與技術中心、ASIS公司、BMW萊比錫工廠和MAX-TAUT-SCHULE職業中學。我們了解到,按照德國國家工商會法,行會可以開展咨詢、服務、考試、發證、培訓、雙元制培訓管理、合同備案等工作,在德國的職業教育中起著極為重要的作用。我們在企業了解到,企業與行會的關系非常密切,非常尊重行會;企業也積極參與學生的培養,認真指導學生在企業的實習。企業的實習指導教師必須先參加考試獲得資格后才能指導學生的實習。企業比較喜歡應用技術大學畢業的學生,因為這些學生在校學習注重實踐,能力較強。因此,應用技術大學的畢業生的地位與綜合大學畢業的學生是一樣的受到社會的尊重。
2應用技術大學的特色
2.1應用技術大學在德國的教育體系中的地位
德國教育體系非常完備。德國實行12年義務教育制度,小學四年級完成后開始分流進入中學,中學包括文理中學、普通中學和實用中學。文理中學學制八年,畢業生直接考入綜合性大學;普通中學和實用中學一般六年學制,畢業生主要就業,并開始二至三年的雙元制學習。部分普通中學和實用中學畢業生參加一至兩年的應用技術大學預科學習,以便考入應用技術大學學習。部分二至三年的雙元制畢業的學生也可以通過預科學習,考入應用技術大學。從德國教育體系可以看出來,應用技術大學是其高等教育的重要組成部分,為大量的普通中學和實用中學畢業生提供了進一步接受高等教育的機會,其應用技術人才培養為德國制造業和經濟社會發展起到了極為重要的作用。
2.2德國應用技術大學教育的特色
1)定位于應用型人才的培養。
德國應用技術大學大多起源于早期的職業培訓學校、技術學校,培養企業一線需要的技術技能型人員,不是學歷教育,發資格證書,社會的認可度很高。后來發展成為高等專門(專科)學校,德文校名叫Fa-hochschule。近年隨著歐盟教育的統一,這類學校開始了統一的學歷教育,包括學士、碩士課程的教育,專業面進一步擴大,因此,校名改為Hochs-chule,去掉了Fa,就變為了高等學校的意思。如魏恩斯蒂芬應用技術大學的德文校名為:Hochs-chuleWeihenstephan-Triesdorf。為了使德國的這類學校便于與世界各國的交流,近年德國政府統一將這類學校改名為應用技術大學,即UniversityofAppliedSciences,但是學校為了保留自身的傳統,一般還保留著Hochschule的名字。從這類學校的發展歷程來看,它們以技術應用為起點,保持著它們以應用型為目標的特色,始終定位于應用型人才的培養。因此,這類學校培養的畢業生,始終受到社會和企業的歡迎,學校和畢業生都享有著與綜合性大學同樣的聲譽。
2)堅持服務地方經濟社會發展。
德國應用技術大學大的布局和建立大多與當地的產業和經濟發展的特點結合起來,服務的對象很明確。如代跟多夫應用技術大學就是根據當地的工業經濟的發展需要而建立的,它的專業設置與代跟多夫應用的產業基本是對應的,它所建立的幾個科研校區的研究方向全都與當地的企業產品研發相關。魏恩斯蒂芬應用技術大學的兩個主校區所在地都是傳統農業區,長期以來堅持發展農業經濟。隨著現代農業的發展,包括新型生物能源、再生能源的發展需要,魏恩斯蒂芬應用技術大學越來越顯現出它對當地經濟發展的服務作用,同時也推動了學校的專業調整和發展。
3)強化實踐教學。
德國應用技術大學的學士專業一般為7個學期,其中安排一個學期到企業實習,完成相關的任務或論文;實習過程中教師有檢查,實習完成后有面試。在碩士教育中,如果因是從其他綜合大學或國家考入的碩士研究生在其學士階段沒有一學期的實習經歷,也必須要補上;這是德國綜合性大學所沒有的要求。在課程安排上,專業課程多,每門課的實踐要求較高,課程考試中有專門的實踐內容的考核。為了實現在教學中強化實踐的要求,學校對教授的實踐要求較高,一般要求有五年以上的企業實踐經歷;學校還聘請了許多企業有實踐經驗的專家和工程技術人員擔任兼課教師。學校的科研主要集中在應用技術開發和服務方面。
4)校企合作緊密。
德國應用技術大學都通過與企業的合作來實現服務地方經濟和強化實踐教學的目的。德國有法律規定,企業是應用技術大學的學習地點,在企業的學習是應用技術大學學習的一部分。許多大的企業都設立有專門的培訓機構,企業也愿意提供崗位接受應用技術大學的學生實習,并有專門的人員指導實習學生。學校也主動承接企業的科研項目,參與企業的技術研發。如魏恩斯蒂芬應用技術大學旁邊就由企業建立了一個再生能源生產廠,專業的教師深度介入到了企業的研發和生產,相關老師就有車間的鑰匙,掌握和指導生產,開展技術研究,開展學生的教學。近年不少應用技術大學開始實行雙元制的教學模式,學生接受企業的培養力度就更大了,校企合作更加緊密。
3對我國高等職業教育的啟示
3.1辦學一定要圍繞產業和地方經濟發展
高等職業教育與綜合大學的學科性教育有本質的不同,一定要體現職業性,職業性一定要體現專業設置與產業布局的對接,教學過程與生產過程對接,體現職業教育體系與現代產業體系、公共服務體系的融合發展;服務產業,服務企業,服務地方經濟建設和發展。現在不少地方職業院校專業設置面大而全,完全不顧及當地的產業和經濟發展的狀況,結果形如空中樓閣。
3.2要加強雙師資隊伍建設,積極引進和聘用有企業經驗的專業技術人員
雙師資隊伍是發展職業教育和提高質量的必然要求。由于許多地方的人事制度原因,目前我國大多數職業院校的教師是從學校門進學校門,有經驗的企業專業技術人員不容易擔任教師,學校大多教師缺乏專業實踐經驗,雙師要求不易達到。因此,要發展高等職業教育必須努力從人事制度上作改革,大力引進和聘用有企業經驗的專業技術人員擔任專任教師,也要由學校自身去積極聘請有企業經驗的人員擔任兼職教師,改善當前師資隊伍的情況,為職業教育提供有力的支撐。
3.3一定要與行業企業開展深度的合作
不管是從服務產業的角度,還是從強化實踐教學的角度,高等職業教育都必須加強與行業企業的深度合作,開展多種形式的產教結合和校企合作,使企業更多地介入人才的培養。要實現這一目標,除國家的法律規定外,更重要的是學校本身要做更多努力。首先培養的學生要適應企業的能力要求,其次是學校有服務產業企業的能力,第三是課程的設置和教學的內容要實時對接企業生產和產業的發展。只有這樣企業才愿意與學校合作,并走向深入。
3.4努力營造溫馨而充滿文化氣息的校園環境
在德國期間,大家對其校園環境有著深刻的印象,他們的校園一般不是很大,建筑物簡潔實用,長期利用老舊建筑;校園不僅整潔、優美、自然、溫馨,而且無處不在的張貼體現了對學生的關愛,充滿了文化氣息。我國的不少高職院校近年校園變化較大,建設了新校區或新大樓,校園面積也比較大,但是仍然存在不少衛生死角,環境布局和綠化講究氣派而不自然,隨便拆除老舊建筑,學生的生活服務設施、休息交流的座椅少而不便利,展示少,墻面沒有利用,既使學生缺少溫馨的感覺,又使學校缺乏文化的沉淀。這些都是我們要轉變觀念,進一步改進和完善的。
3.5改進學校宣傳模式,營造認可職業技術技能的社會氛圍。
改變原來一味地在媒體上宣傳學校,高考填志愿前才到中學宣傳的簡單模式,要用營銷的理念來前面向社會推銷學校和專業。要在平時邀請社會人士、企業人員來學校了解學校;也可以讓中小學、幼兒園學生來校參觀校園和實驗實訓現場,參加學校科技文化活動,組織來校開展各類比賽,包括專業技能比賽。讓社會、中小學生認識職業院校,認識職業技能,了解專業發展。
3.6積極構建具有中國特色的現代職業教育體系
課程對學生機械專業課的學習打基礎,起著承上啟下的作用;同時該課程的綜合性和實踐性都很強,課程許多內容可直接用于生產實踐的設計與應用。故此課程的學習可培養學生具有一定的機械基礎知識和初步的機械設計能力,同時理解從工程實踐中得來的知識經驗,還要具備將所學應用到行業工程實踐中的實際工作能力,培養學生的發散性思維和創新能力,為今后從事機械技術工作打下基礎。若有學生前期知識基礎不牢或自學能力不夠,會使學生普遍感覺這門課程難學而導致學習積極性不高。鑒于以上情況,認為根據應用技術型大學以“學生為中心、職業為導向、能力為本位”為基本教學思路的特點,對《機械設計基礎》教學內容進行優化、對教學方法與考核方式進行改善十分重要。
二、教學內容特點
《機械設計基礎》的教學內容主要包括三大部分:機械設計的基礎知識,如平面機構的運動簡圖和自由度;常見機構的結構及設計,如凸輪機構、齒輪傳動和蝸輪傳動、聯接與螺紋傳動、帶傳動和鏈傳動;機構的裝配與設計,如輪系和減速器;軸和軸承等。在課程初期或教學進入到某一個大部分時,可向學生介紹將要學習內容的總體框架,使學生可以初步從機械系統的總體去認識機構。使學生對各機構間的關系有初步了解后,可進入具體教學內容的學習,在學習過程中讓學生具體了解各種機構的構成、工作原理、特點和功能,可使學生不再孤立地了解和設計某一種機構,而是以機械系統為主線,依次掌握各種機構分析、設計的基本理論和方法,理清各種機構間的關系及異同點。教學內容要以技能和應用作為準繩,故本課程的主要教學方向是以項目為導向、以工程問題為驅動。教學內容的重點應突出技能的掌握和工程實際的應用,故在教學過程中先以實際工程例子作為引導引入新的課程內容,可提高學生主動思考、主動學習、激發學生探索創新的思維。在教學過程中,教師應舉一反三,將教學內容進行引申到工程問題,使學生保持學生學習熱情的同學,也加深或拓展學生的視野。在某一部分教學內容結束后,教師可結合教學內容和行業實際情況提出一個或多個項目任務,教師進行問題的引導與學生一起討論,最后指導學生完成項目的設計方案并實施方案。課程中齒輪設計、傳動設計、軸設計、軸承及聯軸器等零件的設計都可作為項目計劃內容。學生完成項目計劃后可體驗到產品設計的真實過程,可增強學生的學習興趣和自信感。課程設計是本課程的重要教學內容之一。課程設計題目應該盡可能接近實際生產且題目形式應多樣化。為了使學生不至于對課程設計有突兀感,可在課程之初將課程設計題目列表發給學生,讓學生在課程學習的過程中,根據自己的興趣及能力選擇相應的題目。這種方式可調動學生自主學習,也可使課程設計過程更具開拓性和應用性。教學內容和課程設計題目,要根據不同專業、不同學習水平進行調整。兩方面內容均要體現專業的特點,也要與社會應用和工程創新相結合。只要在教學過程中調動學生的主觀能動性,使其主動地開展學習和思考,才能提高教學成效和促進學生的實踐能力和綜合素質的提高。
三、教學手段
1.利用現代多媒體技術。
課程中涉及到許多對初學者較難理解的動態過程,如齒輪的傳動過程、齒輪的范成加工過程、帶傳動的打滑現象等。可采用多媒體教學的方法,將靜態的二維圖像轉變為動態的三維模型,使教學內容變得直觀和生動,從而幫助學生快速理解和掌握機構的運行原理及過程,也可彌補部分學生的理解能力不足或教師表達不充分的傳統教學不足之處。再者,教材所體現的是課程的經典知識,可利用網絡資源,使學生了解教材上沒有體現而又能呈現學科發展的前沿知識點或科技信息,可拓寬學生的眼界,并有助于學生對課程內容興趣的提高。
2.實例教學。
應用型技術大學的教學以職業為導向、以能力為本位。可讓學生進入機械加工中心,對典型實例機械設備進行拆卸,讓學生直觀地了解各種機構和零件在機械裝備中的工況,甚至可讓學生親自動手運轉機械,使學生將理論教學課學習的知識與實際機械的構造進行聯系,激發學生的學習興趣。
3.討論式教學。
針對某一特定問題,如某一機構的設計思路或某一工程問題,由教師進行問題的引入,而教學過程以學生進行分組討論為主體,各組分別由一人論述本組的解決思路或方案,其他組同學對提出的方案進行評述其優點或缺點以及改進思路。最后由教師進行點評各組方案的可行性及改進思路。討論式教學是以學生為解決問題或提出設計思路方案的教學主體,教師充當裁判員角色,這可提早歷練學生在實際工程中解決問題的發散性思維。
4.案例教學。
案例教學與討論類教學類似,不同點是案例教學以教師為主導。針對某一有典型特點的機械設計實例,由教師進行循序漸進地提出引導性問題,與學生進行討論,并隨時對學生提出的觀點進行評述。某一問題討論結束后,教師即刻提出下一引導問題,直至此機械設計的過程藍圖完全呈現。案例式教學也是歷練學生解決實際問題發散性思維,但教學過程要以工程上解決機械設計問題的思路為軸線,以讓學生了解實際工程問題的解決思路。
5.對比法教學。
本課程中涉及多種齒輪,如直齒輪、斜齒輪和錐齒輪;多種間歇運動機構,如棘輪機構、槽輪機構和不完全齒機構等;多種傳動形式,如齒輪傳動與蝸桿傳動、帶傳動和鏈傳動等。這些機構在結構形式、受力分析和應力分析等方面都具有相似性,可針對此種情況,為學生建立學習對比學習卡片,將類似機構的結構分析、受力分析和應力分析等進行比較,并列出各自的不同點。學生利于此學習卡片,可清晰地對比相似機構的異同點,從而有助學生對知識點的掌握。
四、考核手段
本課程一般采用閉卷考試對學生進行考核,在此考核方式下,學生通常要記憶大量復雜公式而倍感厭煩,故閉卷考試并非最佳的考核方式。在閉卷考試不能完全改革的情況下,可增加其他考核方式的權重,以“應用”作為考核學生的主要依據。
1.口頭考核:
教師結合教材內容,提煉出多個理論知識點與工程應用細節相結合的問題,針對學生的回答考核學生對理論知識的掌握和對實際問題的解決思路。此考核方式是針對討論式教學和案例教學的檢驗。
2.課程設計式考核: