一、《机械产品设计学》课程说明及科学素质教育的动因
1.课程说明。《机械产品设计学》是我校“机械设计制造及其自动化”专业的一门专业课。该课程将《机械设计学》[5]作为主要教材，整合了《机械设计方法学》[6]的部分内容，以“产品”为研究对象，以“功能设计”、“结构设计”和“创新设计”为核心内容，其目的是使学生掌握产品设计的基本方法、促进设计过程中机械制图、力学以及机械设计、制造等方面基础知识的综合运用，启发创造性，训练和培养学生的机械产品创新设计能力。“功能设计”是《机械产品设计学》的核心内容之一，也是教学重点与难点，它要求学生学会运用“功能”的观点来看待产品，对产品进行功能分析。然而学生对于功能分析比较陌生，他们往往习惯于对机械产品进行结构分析和结构设计。因此在教学过程中，需要多方面探索，加强“功能原理设计”教学内容，注重培养学生的“功能”观点，改变学生只重视产品“结构”、忽视“功能”和不习惯对产品进行“功能思考”的现状，强化“功能设计”方面的训练。
2.科学素质教育的动因。《机械产品设计学》涉及到许多关于机械产品设计的方法，如系统工程方法、产品设计的一般进程、解决问题的逻辑步骤、黑箱法、功能分解、物场分析法、技术矛盾分析法等。学习和掌握机械产品设计的一般性、通用方法是课程的主要教学目标之一。然而，这些方法理论性较强，在学习过程中，学生往往感到比较枯燥、不容易理解，从而影响学习效果。实际上，《机械产品设计学》课程中讲述的关于机械产品设计的方法，不仅是指导机械产品设计活动的有效方法，还可以帮助我们正确、科学地思考问题、分析问题和解决问题，从而指导日常生活、学习、工作中一些问题的有效解决。因此，如果将机械产品设计中的一些问题及其设计方法，映射为日常生活、学习、工作中的有关问题与解决方法，进行类比讲解，将科学与人文相融合，教学内容会更加丰富、充实和生动，学生也会豁然开朗，促进所学知识的理解、掌握和实际应用。与此同时，学生也在潜移默化中学会了举一反三、触类旁通，并能够在今后的日常生活、学习、工作中，自觉地运用机械产品设计的相关科学思想方法去思考、分析和解决问题。由此可见，《机械产品设计学》课程为结合专业课教学、培养学生的科学思想方法提供了丰沃的土壤。设计的本质是革新和创造。机械产品设计中必须突出“创新”的原则，通过直觉、推理、组合等途径，探求创新的原理方案和结构，做到有所发明，有所创造，有所前进。此外，机械产品设计是一项十分复杂的工作，也是一项严肃的科学活动，需要一丝不苟的求实精神。因此，教师在《机械产品设计学》的教学过程中，有责任和义务有意识地结合教学内容进行科学精神教育，注重启迪学生的创新意识、培养创新精神，同时向学生强调做事、做学问必须本着严肃认真的科学态度和严谨求实的科学作风，培养学生对待科学工作和科学研究一丝不苟的求实精神。综上所述，结合《机械产品设计学》专业课教学，对学生进行科学思想方法的训练以及科学精神和价值观的熏陶，是对大学生进行全方位科学素质教育的良好途径。
二、培养学生的科学思想方法
在《机械产品设计学》这门课中，学生将学习和掌握很多有关机械产品设计的基本、一般性、通用方法。在教学过程中，本课程教师注意结合教学内容，有意识地将机械产品设计方法的相关知识上升到观点、精神、方法、思想的层次上，在培养和提高学生产品设计能力的同时，也使学生受到科学思想方法的训练，从而使学生在专业学习的过程中潜移默化地接受到科学素质教育，学会学习，并将一些方法自觉用于思考、分析和解决日常生活、学习、工作中的有关问题。下文结合系统工程思想方法和功能分解这两个教学内容，介绍本课程教师如何通过专业教学与科学素质教育的融合来提升大学生的科学素质。
1.系统工程的思想和方法。为了使学生能够正确、全面地理解“设计”，同时也促进学生更好地开展机械产品设计活动，课程教学一开始就从多个角度向学生阐释讲解“设计的基本内涵”。设计活动是一项系统工程，这是设计的基本内涵之一。然而对于“系统工程”，机械专业的学生并不了解。于是，我们进行了如下的延伸教学：首先，介绍了系统工程的概念，说明它是以大规模复杂系统为对象的一门交叉学科，而大规模复杂系统由许多相互作用、相互依赖、关系密切的子系统所组成。其次，举例说明载人航天工程、登月工程等都是典型的系统工程。再次，说明系统工程思想的核心是整体观念，就是要用系统的方法研究系统的对象，立足整体，统筹全局，全面规划，协调处理，使系统的总体与部分之间、部分之间、系统与环境之间达到辩证统一。然后，强调产品设计，尤其是大规模复杂产品设计，需要以系统工程思想和方法作为指导，这样才能处理好产品局部与整体之间的关系，通过协调配合实现整体最优，并有利于综合考虑产品全生命周期的各个环节以及人（产品使用者）－机（产品）－环境的大系统关系。接着，说明系统工程方法是一种现代的科学决策方法，也是一门基本的决策技术，可以帮助我们科学、全面地分析和处理问题，也能够有效指导解决日常生活、学习、工作中遇到的一些问题。例如，考研是高年级大学生面临的一个重大现实问题，专业教师应该积极加以引导。事实上，考研的准备及其整个过程涉及到方方面面，完全就是一项系统工程。因此，可以引导学生有意识地运用系统工程的思想和方法进行分析、决策和实施，对整个考研活动进行全局规划，对各方面需要解决的问题和矛盾进行协调考虑和处理，从而帮助学生顺利、成功地完成考研。最后，借助讲解闪耀着系统工程思想的杰出典范———都江堰水利工程，让学生在人文知识的学习中进一步体会系统工程的思想和方法。
2.由“功能分解”学会“任务分解”。“功能设计”是《机械产品设计学》的核心内容之一，也是教学重点与难点。所谓“功能设计”是指“功能原理设计”，包括“功能分析”和“工作原理设计”两个方面。“功能分解”是“功能分析”的重要内容，是指由产品的总功能分解得到各个分功能。“功能树”表示了总功能的分解情况，是描述产品的总功能、分功能以及对总功能进行逐层分解的一种图形工具，它既体现了功能分解的过程，也是功能分解的结果。因此，“功能分解”这一教学内容的讲解和学习是围绕“功能树”进行的。教学过程中，“功能树”的教学从什么是功能树（What）、为什么要对总功能进行功能分解得到功能树（Why）以及如何进行功能分解（How）这三个方面逐步展开。对于“功能树”的“What”方面，除了相关定义、概念的讲授外，重点是通过类比，讲解功能树中“上级功能”和“下级功能”之间“目的”和“手段”的关系，使学生能够轻松理解和很好地把握“功能树”的概念，在帮助学生学会看懂“功能树”的同时，也启发了功能分解的思路。在讲解“Why”的时候，首先从“抽象和具体”、“复杂和简单”的关系出发，向学生说明：功能分解是将产品抽象的总功能逐步具体化的过程，从而使得产品的功能易于实现；并且通过功能分解得到的各个分功能，其复杂程度相比总功能小得多，更容易实现。其次，通过举例，进一步说明功能分解的目的和意义，也让学生在直观讲解中更好地理解。最后，说明“功能分解是设计过程从抽象到具体的一种体现”，让学生更好地理解设计过程和进行产品设计。“功能分解”既是教学重点，也是难点。为此，在“How”的教学中，为了帮助学生适应和逐步习惯“功能思考”方式，掌握功能分解的方法，并能够灵活运用，我们反复向学生强调掌握分解思路的重要性，也非常重视思路、方法的启发教学，并注意多种教学方法的综合运用。例如，通过各种典型功能分解的案例分析，归纳总结出4条思路，帮助学生根据不同产品的特点，按照一定的逻辑步骤完成分解工作；通过大量案例教学，引导学生熟练掌握功能分解方法。此外，在“how”的教学中，注意采用师生互动的教学方法，调动学生的积极性，提高学习热情。首先，布置开放式作业，选取学生比较熟悉的产品对象和日常生活中的小家电产品，如减速器、吸尘器、榨汁机、咖啡壶、加湿器等，让学生进行功能分析，画出功能树，并了解和分析产品的工作原理。然后，鼓励学生制作PPT和走上讲台，以PPT的形式对作业进行汇报，并组织同学们一起讨论。在汇报、讨论的过程中，教师注意捕捉学生思维中的闪光点，对于新颖、巧妙的解答方案及时鼓励。设计问题不同于计算问题，具有多解性，没有标准答案。开放式作业可以促进学生开动脑筋、积极思考，通过查阅资料、产品拆装、咨询讨论等多种途径探求解答方案，通过自主学习、探究学习和趣味学习，进一步巩固掌握所学的知识、方法，提高产品设计与分析的能力。教学过程中，学生们普遍反映，开放式作业和汇报、讨论的师生互动教学激发了他们学习的主动性和积极性，也为他们提供了自我展示的机会，各方面能力得到了综合锻炼。“功能分解”是将抽象、复杂的总功能逐层分解得到具体、简单的各个分功能，从而使产品的功能更容易实现，其思想实际上体现了“任务分解”的思想：对于一个复杂问题，直接对它进行求解往往很困难，一个通常的办法是先将原来的任务进行逐层分解，得到多个相对简单、具体的子任务，然后对这些子任务进行求解，从而完成对原来复杂问题的求解。由此，在教学过程中，教师会很自然地由“功能分解”联想和引出“任务分解”，并引导学生运用“任务分解”的思想、方法分析和解决日常生活、学习、工作中的一些复杂问题。例如，考研不仅是一项系统工程，也是一项十分复杂的重大任务，如果同学们在对考研进行全局规划的基础上，利用“任务分解”的思想，将考研任务逐层分解为若干个子任务，然后各个击破，考研过程将会更加科学、有序。从上述“功能分解”知识点的教学过程中可以看出，教师十分注意思路、方法的分析、归纳和引导，同时也注意将知识上升到观点、精神、方法、思想的层次上，从而结合专业教学，很好地对学生实施了科学素质教育。
三、提升学生的科学精神
科学精神是指由科学性质所决定并贯穿于科学活动之中的基本的精神状态和思维方式，是体现在科学知识中的思想或理念。科学精神的提升不仅能够帮助大学生培养正确的科学观，与此同时也影响着大学生的世界观、人生观、价值观。事实上，科学精神和人文精神是有机融合、相互渗透的。结合专业教学，以人文知识、人文精神为桥梁，让学生体会和感受科学精神、受到熏陶，是提升学生科学精神的良好途径。创新是机械产品设计的本质要求，而严谨求实、一丝不苟则是设计者所必须具备的科学态度和科学作风，其二者都是科学精神的重要体现。下文以创新精神和严谨求实精神为例，介绍本课程教师在《机械产品设计学》的教学过程中，如何有目的地结合教学内容，适当引入学生感兴趣的人文知识，使学生通过人文精神和科学精神的有机融合，在开阔眼界、丰富知识、陶冶情操的同时，体会和感受科学精神并进行自我提升。
1.培养创新意识和创新精神。“创新设计”是《机械产品设计学》的核心内容之一，而启发创造性、训练和培养学生的创新设计能力是课程的重要教学目标。围绕“创新设计”的相关教学内容，本课程教师在教学过程中注意深入浅出、循序渐进，专业教学与创新教育融为一体。首先，从设计内涵出发，说明“设计的本质是革新与创造”，让学生认识到创新在机械产品设计中的地位和重要性。其次，讲解考虑产品的不同属性（包括功能、原理方案、结构、外观等），从不同的角度和方面进行创新设计，并强调功能创新、工作原理创新，这是产品创新的根本所在。鉴于学生对“功能原理”以及“功能原理创新”的教学内容比较陌生，在对比分析讲解了激光加工机床和金属切削机床的工作原理之后，梳理分析讲解了火车和打印机功能原理的演进过程，接着对各种钟表、显示设备的不同功能原理进行发散、分析，从而在生动活泼的趣味讲解中，引导学生更好地理解和巩固掌握“功能原理”的概念，同时启发思维，开阔思路。然后，结合典型创新设计案例的分析，对创新思维特点、创造性思维方法、创造技法等进行讲解，让学生对创新设计的有关知识、原理、方法、思想获得整体、全面的了解和认识，同时通过案例分析法，深入浅出、虚实结合，让学生对理性的知识、思想、方法获得直观、感性的认识，提高讲授效果。最后，补充讲解全国大学生机械创新设计大赛的相关内容。通过介绍历届大赛的主题、内容以及比赛程序，使学生对全国大学生机械创新设计大赛有比较全面的了解和认识，便于学生为参加比赛做好相应的准备工作。此外，选取部分获奖优秀设计作品，分析其设计目的、工作原理、设计方案、功能及特点、主要创新点，并播放作品演示的视频录像，从而使学生获得对机械创新设计的感性认识，消除对创新设计的神秘感，激发他们的创新意识和创新热情，同时在一定程度上为学生的机械创新设计活动提供启发思路。
创新教育的目的是提高学生的创新素质，使他们能够打破常规、突破传统，具有敏锐的洞察力、直觉力、丰富的想象力、预测力和捕捉机会的能力等等，从而使思维具有一种超前性、变通性。科学家的故事可以帮助人们了解科学家的成长经历和科学研究以及科学发明、发现的过程，从中学习科学家的科学思维方法，感受和学习科学家的情感、品德和价值观，受到鼓舞。在“创新设计”教学过程中，结合相关教学内容，和学生一起分享科学家的故事，这是结合创新设计专业教学开展创新教育、培养学生的创新意识和创新精神的重要途径。为此，我们在授课过程中穿插讲解了许多科学家关于创新的故事。例如，分享德国科学家魏格纳的个人经历，以及他面对世界地图，通过奇妙联想提出了著名的“大陆漂移学说”，帮助学生认识和重视联想、想象等感性思维对于创新的重要性。分享了富兰克林揭示雷电秘密、发明避雷针的过程以及著名的“费城实验”，让学生认识到强烈的好奇心和浓厚的兴趣对于创新的巨大推动力，感性地了解到通过联想、推想、假设、实验、验证等一系列步骤进行发明、创造的创新思维方法和过程，强烈感受到科学家不畏艰难、勇于探索、执着追求真理的科学精神，激发学生的创新热情和创新意识。又例如，iPhone、iPad等是风靡全球的电子产品，也深受大学生喜爱。于是分享了美国苹果公司创始人、前首席执行官斯蒂夫·乔布斯这位贴上“创新”标签的传奇人物的人生经历，展示了他给现代通讯、娱乐、生活方式等带来的深刻改变，并通过他对世界的贡献以及世人对他的评价，让学生强烈认识到乔布斯拥有的那种全人类共同珍视和稀缺的财富：“创新精神和富有想象力的心灵”，由此激发、鼓励学生的创新。
2.培养严谨求实精神。机械产品设计需要创新精神，也需要严谨求实、一丝不苟则的科学态度和科学作风。为了强调产品设计是一项复杂而严肃的科学活动，引导学生重视养成优良的科学习惯、培养学生严谨求实的科学精神，给学生讲解了“蝴蝶效应”（TheButterflyEffect）。通过“蝴蝶效应”这一种混沌现象，学生不仅接触到了新的科学知识、理论，而且更加直观地理解和认识到机械产品设计需要遵循一定的科学步骤和方法，同时也存在不可测的“变数”。这个“变数”可能来自一个微小的设计失误而引发的蝴蝶效应，从而可能导致不可挽回的设计错误，产生严重的后果，造成彻底的设计失败。为了说明设计失误可能造成的严重后果，进一步分享了一个关于加拿大魁北克大桥的真实故事。由于计算有误，魁北克大桥在施工过程中发生过2次倒塌，造成80多人丧生。在大桥竣工后，加拿大的七大工程学院从此每年都给从工程系毕业的学生发一枚戒指，作为对每个工程师的一种警示，这就是在工程界闻名的“工程师之戒”（IronRing）。这个真实的故事，无疑给每一位同学进行了一次生动的科学精神教育，让他们懂得严谨求实的重要性，从而以严肃认真、一丝不苟的态度和精神科学对待今后的机械产品设计工作。教师的职责不仅仅是“传道、授业、解惑”，还要开发学生的潜能，注意培养、提高学生的综合素质与能力。专业课程中不但蕴含丰富的专业思想，也蕴含着丰富的素质教育素材。科学素质是大学生综合素质的重要组成部分。根据《机械产品设计学》的课程内容、教学目标以及学生实际情况，课程教师积极思考和开展教学改革，主动挖掘素质教育素材，创新教学设计，精心组织，把对学生的科学素质教育融入到日常的课堂教学中去，在提高学生的科学素质和综合能力的同时，也提高了教学效果和教学质量。通过《机械产品设计学》专业课教学中科学素质教育的研究与实践，教师们更好地抓住了本课程的本质与精髓，课堂更加生动活泼，教师自己也充分体会了“教书又育人”的成就感。
作者：曹鹏彬 单位：武汉工程大学