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    毕业设计中的正向讲解与反向纠错——以兰州理工大学机械电子工程专业为例

    时间：2023-01-08 21:00:05来源：百花范文网本文已影响人

    闵为 刘新强

    兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050

    高等学校着力培养学生服务国家和服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。大学开设的课程基本可以分为理论型和实践型两类，其中设计类课程属于实践型课程。高等理工科院校机械类本科生毕业设计（论文）教学过程是实现其本科培养目标的重要环节。

    兰州理工大学机械电子工程专业（以下简称“专业”）是首批国家级一流专业，通过了教育部工程教育认证，主要培养流体传动与控制方面的高级专门人才。在六十余年的办学过程中，专业形成了以液压元件研发与设计为核心竞争力的人才培养特色，毕业设计环节采用一人一题的形式，要求学生以典型液压元件为对象、以元件主要性能参数为设计任务，综合运用所学基础理论知识和现代工具完成设计工作，实现培养学生解决复杂工程问题的能力的课程目标。

    笔者依据指导学生毕业设计的教学实践与体会，阐述了毕业设计课程的性质及特点，并以兰州理工大学机械电子工程专业毕业设计为例，在毕业设计教学环节中，结合设计内容分阶段使用正向讲解与反向纠错两种教学模式，实践结果表明教学效果良好，可为综合设计类课程的教学组织提供一定的参考。

    （一）毕业设计课程的性质

    兰州理工大学机械电子工程专业培养方案明确指出，专业培养掌握机械、控制和流体传动等领域的基础理论与专业知识，能够从事流体传动与控制领域的产品研发、设计制造、生产管理及市场开发等工作，具备创新精神和国际视野，能适应社会、经济、科技的发展，并通过不断学习提高个人素养和专业技能的高级专业人才。

    专业毕业设计课程的课程目标如下。

    1.熟悉液压元件和系统设计、生产、检测、调试的各种技术标准和规范，能够查阅文献、收集资料，能够根据设计要求确定设计方案，并进行可行性分析和论证。

    2.能够针对设计对象，选用满足特定需求的现代工具模拟与预测专业问题，并能够理解其局限性。

    3.能在考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境等现实约束条件后完成液压元件及系统的设计工作，并在设计环节中体现创新意识。

    4.具备以口头、文稿、图纸等方式与业界同行沟通交流的能力。

    以上课程目标分别支撑毕业要求3（设计/开发解决方案）、毕业要求5（使用现代工具）、毕业要求6（工程与社会）和毕业要求10（沟通）。

    为了培养学生解决复杂工程问题的能力，毕业设计课程教师在学生学习了一定的基础理论后，以给定的设计要求为任务导向，要求学生在一定时间内完成方案设计、可行性分析与论证、理论分析与计算、工程图绘制、设计说明书编撰以及答辩等任务。毕业设计课程具有知识综合性强、工程问题复杂、设计任务量大等特点，因此要较好地实现课程目标就必须采用多种教学模式。

    （二）毕业设计课程的特点

    专业毕业设计是培养学生解决复杂工程问题能力的重要教学环节，目的是在教师的指导下，使学生完成工程师的基本训练或从事科研工作的初步训练，也是学生获得学士学位的必要条件之一。

    毕业设计选题主要涉及各种典型的液压元件，现以轴向变量柱塞泵为例进行说明。轴向变量柱塞泵的主要设计内容包括：选择泵的结构形式并进行论证、确定关键零部件的结构参数与校核、关键摩擦副的材料选配、变量机构的结构设计与静动态性能分析以及设计结果的图纸化表达。

    以上设计内容涵盖了机械、材料、力学、控制和流体传动等多学科领域的知识，设计任务本身具有较强的综合性，需要通过建立合适的抽象模型才能解决，且在方案论证、静动态性能分析方面存在工程技术问题的相互冲突，要完成设计任务必须运用恰当的工程原理进行分析。因此，该毕业设计任务是典型的复杂工程问题。

    毕业设计的考评以答辩的形式进行，最终成绩需结合设计计算说明书、工程图纸（包括详细的二维设计图纸、三维总装与零件结构图）、外文翻译文献以及平时表现予以评定。该毕业设计任务的完成足以支撑工程设计、使用现代工具、工程与社会以及沟通交流等各项毕业要求。

    毕业设计任务本身的复杂性和对学生能力培养的多样性决定了该教学环节实施的难度，要切实完成该环节的课程目标，并保证人才培养质量，靠单一的教学方法较难实现。

    笔者在毕业设计指导过程中，结合设计内容分阶段运用正向讲解与反向纠错两种模式组织教学，扬长避短，取得了较好的教学效果。

    正向讲解的教学模式就是指导教师对学生先进行比较系统完整的设计理论及方法的讲解，然后安排学生根据给定的设计任务进行参数计算、方案设计、工程制图、说明书编撰等。简单来讲，就是指导教师先教会学生“怎么做”，再让学生自己去实践。这种教学模式在其他课程教学中比较常见，比如计算机语言教学中，教师往往先对学生讲解一类算法，然后让学生以某个具体问题为实例，自己动手编程计算结果。正向讲解模式的特点如下。

    （一）基本知识讲解较为系统全面

    在正向讲解的教学模式中，教师有充足的时间向学生讲解毕业设计课程前期需要掌握的基本知识和技能。在专业毕业设计中，指导教师可以针对小组设计任务（某种典型液压元件），讲解其结构组成、工作原理及性能特点、现有典型产品特点；
    设计基本流程，包括文献检索、方案确定、参数计算、工程制图和说明书编撰等环节，其中加强文献与情报检索是搞好毕业设计选题的关键所在。另外，指导教师应提醒学生掌握必要的计算或绘图软件。可见，学生在动手设计前已经具备了较为系统完善的知识和较高的技能。

    （二）训练针对性强

    经过指导教师系统而全面的正向讲解，学生对设计目的、设计流程和注意事项都已比较清楚，因此训练的针对性就比较强。在具体实施过程中，学生收到指导教师发给的毕业设计任务书后，查阅文献、搜集资料，进行综合分析、方案拟定、理论设计、工程绘图，最后撰写设计计算书和论文等。其中每个执行环节都可以与讲解内容印证。

    （三）学生探索创新性不足

    在教师的正向讲解下，学生常处于被动接受知识和机械式实践操作验证的状态，对于设计活动中的“异常情况”（即正向讲解中未涉及的问题）往往显得不知所措，学生的主动探索和创新能力不够。毕业设计涉及机械、材料、数学、力学、控制等多学科领域的知识，指导教师自身知识结构也可能存在缺陷，因此仅仅依靠教师所讲授的内容是不够的。

    正向讲解是比较传统的毕业设计教学模式，但其极大地限制了学生在设计过程中的自主性和创新性，难以较好地满足课程目标的要求。

    反向纠错的教学模式是指导教师在设计前只讲基本的任务要求和总体流程，要求学生主动设计，自主查询文献、设计方案、计算参数、制图等。在这些环节中，教师监督、检查、发现学生设计中的问题并及时引导学生纠正。简单来讲，反向纠错模式就是“学生先做，教师再纠错”，其特点如下。

    （一）学生主动性强

    在反向纠错教学模式中，几乎没有教师的直接讲授，相关文献及知识需要学生根据实际需要去查询获取，同时学生自己还得思考、加工，然后再加以应用。在指导教师检查—发现问题—改错的过程中，学生不断思考和积累，在设计中的主动性很强。

    （二）训练效率较低

    在毕业设计的每个环节，学生都要经历自我探究—应用—纠错—改错过程，比如关键零件设计环节，学生可能依据某本参考书上的设计计算流程确定一种零件的设计方案，然后计算其主要几何参数，再绘制三维图或工程图，但可能在装配过程中会出现阀芯零件之间空间干涉或者校核强度不够等情况，原因就是考虑因素不全面或者计算公式有误，进而导致设计进度较慢，整个训练效率较低。

    （三）知识结构不够系统

    由于指导教师只针对学生出现的问题进行纠错，学生对于有错的地方掌握得很好，却对没有出差错的地方缺少深入的思考。相对于正向教学，这可能会导致学生对设计中所涉及的知识掌握得不系统、不完整。

    反向纠错教学模式可有效地提高学生设计的主动性和创新性，但其训练效率低和运用知识不够系统的缺点使得单纯地使用这一教学模式亦具有较大的局限性。

    根据两种教学模式的特点，结合毕业设计的具体内容，课程组在不同的任务阶段采用了不同的教学模式，以有效实现毕业设计的课程目标。

    （一）总体结构方案设计与可行性论证阶段

    总体结构方案设计与可行性论证阶段是毕业设计前期的重要工作，完成该任务需要学生具备综合运用机械设计、力学、数学、流体传动基本原理以及充分使用各种网络和电子数据库资源的能力，同时兼顾工程与社会、技术经济性分析等各方面的因素，比较容易激发学生设计的主动性和创造性。因此，在该任务阶段可以采用反向纠错的教学模式，鼓励学生大量查找相关产品资料和学术研究论文，使学生熟悉该领域产品的技术现状和研究热点，并培养学生的创新性设计能力。

    在该任务阶段采用反向纠错教学模式过程中，笔者发现，学生在实现柱塞泵功能的前提下，通常能提出一些比较新颖的设计方案，但在设计过程中不太注意加工工艺的实现，缺乏控制生产成本的观念。因此，在反向纠错的教学过程中，指导教师应针对具体的问题与学生进行深入交流与讨论，在方案论证时，应提醒学生注意设计方案的技术可行性和经济可行性。

    （二）关键零部件的结构参数确定与校核阶段

    以学习变量柱塞泵关键零部件的结构参数确定与校核为例，需要学生运用机械设计、力学以及流体传动基本原理等相关理论知识对关键零部件进行设计与校核。学生在前期已经通过具体课程的学习具有了一定的理论与实践工作基础，因此在该阶段主要采用正向讲解的模式进行教学。在详细讲解设计流程的前提下，学生能以最高的效率完成该阶段的工作。

    （三）关键摩擦副设计阶段

    变量柱塞泵的三大摩擦副是影响该元件主要性能参数、可靠性和寿命的关键部分，涉及工程材料和机械设计方面的基础知识，其设计理论相对比较成熟，学生需要了解更多的工程材料方面的信息与研究进展。因此，该设计任务阶段宜采用正向讲解的模式进行教学实践，以提醒学生将更多的精力花在工程材料的前沿信息收集方面。

    （四）变量机构设计与性能分析阶段

    变量机构的结构设计与静动态性能分析是该毕业设计环节的一大难点，要求学生运用机械设计、力学、数学、控制理论对变量机构进行结构设计、数学建模及性能分析。该部分的工作需要学生综合考虑变量机构的工作稳定性和响应速度的矛盾性，从而合理设计控制阀阀口的结构。因此，在实际教学过程中笔者综合采用正向讲解与反向纠错相结合的模式进行。

    在正向讲解阶段，主要跟学生讲解变量机构的结构设计流程、数学建模方法以及静动态性能分析思路，具体的设计和分析由学生根据自己的理解独自完成。在学生得到具体的结构性能参数和静动态性能指标以后，采用反向纠错的模式，结合不同的设计结果，与学生进行深入分析和交流，找到影响变量机构综合性能的控制阀关键参数，并实现结构设计的优化。

    该阶段采用正向讲解和反向纠错两种教学模式，虽然比较耗时，但是由于该部分内容是多学科知识综合应用的典型代表，是培养学生“液压元件本身就是一个复杂的系统”观念的生动实例，也是专业打造液压元件研发与设计核心竞争力的有效手段，本阶段两种教学模式的综合应用可切实提高学生解决复杂工程问题的能力。

    （五）工程制图阶段

    工程制图是设计结果的图纸化表达，学生在毕业设计之前就具有机械制图的基础，在指导过程中不需要进行正向讲解，因此主要运用反向纠错的模式进行指导，以加深学生对关键零部件加工工艺及材料选型的理解。

    毕业设计教学环节是大学本科阶段的最后一次综合性实训环节，具有知识综合性强、任务量大等特点，着力于培养学生解决复杂工程问题的能力。毕业设计任务本身的复杂性和对学生能力培养的多样性决定了该教学环节实施的难度，靠单一的教学方法较难实现课程目标。本文以兰州理工大学机械电子工程专业毕业设计为例，在具体指导过程中，综合运用正向讲解和反向纠错两种教学模式进行有益探索。实践表明，该方法可较好地完成课程目标要求，实现毕业设计课程目标对毕业要求的有效支撑，其经验对于综合设计类课程的教学组织具有一定的指导意义。

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