基于线上线下智慧教学的机械类课程教学改革与实践

朱永梅 唐文献 管小燕

[摘要]本研究将现代信息技术与课程教学相融合，结合新工科核心能力的培养和工程教育认证的成果导向理念，以教育教学理论为基础，智能化的教学资源平台和智能终端为依托，构建机械设计课程智慧化教学模式。课题组同时开展了教学实践，面向“复杂工程问题”，打造工程知识学习、分析能力培养、研究能力发展三位一体的线上线下教学闭环，探索机械设计教学内容、教学方法、评价方法的创新，以期全面拓展工程设计学习的时空，提高教学环节对人才毕业要求培养的达成度。

[关键词]智慧教育;新工科;工程教育认证;机械设计

[中图分类号]G642.0

[文献标识码]A

[文章编号]2095-3437（2020）03-0016-04

习近平总书记在2016年全国高校思想政治工作会议上指出，“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈”。工业4.0的出现、“中国制造2025”战略的实施，使得世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，同时也使得工程教育与产业发展的联系更加紧密、相互支撑更加迫切。为推动工程教育改革创新，2017年教育部高教司正式推出“新工科”计划，形成了一系列如“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性文件。

研究表明，我国工程教育改革必须重视基于能力的教育和基于成果的教育模式（Outcome Based Education，OBE）的探索，以及相应的工程教育智慧学习环境创建，以培养能够应对新工业革命挑战的卓越工程师。当前，我国教育信息化水平的显著提升，各种智慧技术的逐步成熟，教育信息化经费的持续增加以及良好教育信息化政策环境的逐步建立，为发展智慧教育提供了强有力的支持。本研究旨在探索新工科核心能力培养的新范式，基于OBE理念构建面向新工科的智慧化教学模式，并以机械设计课程为例，从理论基础、实现条件、教学目标、教学活动和教学评价五个方面来分析智慧课堂教学模式，同时加以实践应用，探索机械设计教学内容、教学方法、评价方法的创新路径。

一、新工科核心能力培养的新范式

新工科教育改革的讨论和实践，使中国工程教育界形成共识，建立了新的工程教育范式。吴爱华等提出新工科的核心内容即新理念、新结构、新模式、新质量、新体系，李茂国等提出将“融合创新”范式作为新工科教育范式。在此基础上，顾佩华提出涉及新工科教育的理念、培养模式、教学方法、教学内容、质量标准等方面的新工科教育范式的基本框架，将各种创新工程教育的理念、质量标准、模式、培养体系、教育教学方法，以及不断更新的教学内容，与理工和多学科融合、产学融合、校企融合、教研学融合等相结合，形成新工科教育范式的基本框架。通过比较新工科教育范式和汕头大学OBE-CDIO工程教育范式，发现OBE-CDIO工程教育改革在新理念、新模式和新质量方面比较接近新工科教育范式的要求，在新方法方面尚有差距，特别是翻转课堂、现代化教学手段等方面要进一步提高。

李培根院士在文中提出面向未来的工程人才应该具备的若干“新素养”，如对“超世界存在”的关注，有空间感、关联力等。关于未来“新工科”的实践和方法之要，强调应该落地在教材和教学方法的“新”，诸如“关联”、非正式学习、去中心化等。而智慧教育正是通过构建智慧学习环境，运用智慧教学法促进学习者进行智慧学习，从而培养具有高智能和创造力的人，利用适当的技术智慧地参与各种实践活动并不断地创造产品和价值，实现对学习环境、生活环境和工作环境灵巧机敏的适应、塑造和选择。新加坡、美国、韩国都已将智慧教育作为其未来教育发展的重大战略。

为了适应工业4.0与工程发展的新趋势，针对网络一代大学生的学习特点，当前我国新工科教学宜采用合作学习、整合教育技术、创建虚拟学习环境、跨学科协同合作、重视本科生科研、促进师生互动、实行实践互动的教学策略，并实施深度学习、混合学习、虚拟学习环境、学习分析的智慧教学模式，从而培养新工科学生个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力等5类核心能力，并让学生达成6项本质性学习成果：人文、科学与技术基础知识，智力与实践技能基础，职业能力，伦理、价值、态度与行为，社区与全球意识，综合与应用学习。

二、面向新工科的智慧教学模式构建

本研究遵循“以学生为中心，成果导向”理念和行业认可的既定质量标准要求，建立具有可视化、可听化、协作化、互动化的机械设计课程智慧教学模式，充分发挥线上线下教学互促、互补优势，构建线上线下教学闭环，促进学生问题关联、研究开发、工程设计和工程管理等能力的螺旋递进式提升，拓展教学时空，提升教学实效。

机械设计课程智慧教学模式框架设计如图1所示，共分为5个组成部分：

（1）理论基础：融合混合学习、多元智能、建构主义、人本主义、交互式教学等教学理论及学习策略，对工程知识单元设计、实践技能训练设计、课内外多元化教学互动设计、研究创新意识激发、自主学习能力培养等进行有效指导。

（2）实现条件：建立有效连接线上线下、课堂内外的教學环节，建立具有互动、开放、集成特点的“超星泛雅平台”+“学习通APP”移动应用软件链以及技术支持团队，以此构成线上教学的技术支撑。

（3）教学目标：按照机械设计课程对毕业要求指标点的支撑，制订课程的教学目标，并根据课程内容需要，选择性地将工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具（技术）等12条毕业要求，融入所对应课程教学全过程的不同阶段。

（4）教学活动：包括线上教学和线下教学。依托线上教学支撑环境开展课内外线上教学活动，包括：自主预习、在线交流、课内在线互动、课外个性辅导、在线测试、实时数据统计等。线下教学主要是传统的课堂教学环节，完成机械零件设计的基础知识讲解和设计能力提升。围绕课程对应的指标点，打造线上线下教学闭环，充分进行两者的互补，整合优化，实现毕业要求达成。（5）教学评价：根据毕业要求指标点与课程的对应关系，选择“解决复杂工程问题的能力”指标为主要评价内容，构建与之关联的教学评价体系，采用多元化评价手段，形成内外结合、持续改进的质量控制体系和文化，多方位、多尺度持续改进课内外教学活动。

三、机械设计课程智慧教学实践

在机械设计智慧教学模式下，本研究开展了为期一年的教学实践。工程教育认证标准规定的毕业要求分别从12个方面对毕业生的能力提出了非常具体的要求。值得注意的是，其中有8个都提到了解决“复杂工程问题”的能力。由此可见，解决“复杂工程问题”的能力是毕业要求的核心内容。本门课程的学习需要学生具有解决“复杂工程问题”所需的机械设计知识以及掌握解决“复杂工程问题”的分析、研究方法，如表1所示，机械设计课程对应3个毕业要求，每个毕业要求各含一个能力指标点，课程目标含课堂教学和实验教学两部分。现以其中的“复杂工程问题分析能力培养”“复杂工程问题研究能力培养”两项教学任务为例，展示线上线下教学闭环的实际运作。

（一）复杂工程问题分析能力培养实例

“解决复杂工程问题”是我校“机械设计制造及其自动化”专业达成工程教育认证要求的重点和难点。“解决复杂工程问题”并不是追求技术水平的先进性和复杂性，而是应考虑解决问题的各种内外部影响因素和需求。“复杂工程问题”作为一类“工程”问题，从根本上是以应用为目的的问题，因此，解决“复杂工程问题”所需的知识、素质，以及所采用的分析、研究方法，都需要在社会应用、工程应用中形成。因此，本研究采用“项目式教学”，从教师的科研课题中提取项目，例如将“大锥孔键槽加工机床”作为典型案例分析其传动系统、轴系支撑等的结构组成和实现方案，将“1200吨船用构件力学性能测试平台研发”中的螺纹连接部件作为案例分析其结构设计，结合船舶、海工机械装备行业背景，选择锚机、吊机等典型船舶或海工产品为对象，并抽取典型零件或部件，作为相应内容的学习对象。

在教学组织上，采用线上线下相结合的方法，课堂教学以达到传授基本的理论知识为目的，以适当的研讨时间培养学生认识问题和解决问题的能力。线上以习题与项目练习加深学生的理解，强化学生知识体系。通过布置任务让学生主动去学习知识、思考问题和运用知识去设计方案以解决问题。师生在班级群中分享学习资源，开展学习交互，不断完善自身的知识结构体系;在课堂上针对具体问题进行深入交流，解决实际的问题，促进群体共识的形成，其教学组织如图2所示。

（二）复杂工程问题研究能力培养实例

工程教育认证和新工科要求以综合的培养方式，使学生在工程基础知识掌握、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等4个层面上达到预定目标。因此，本研究围绕专业核心理论课程，理论与实践教学相结合，实验、实习、课程设计和第二课堂彼此紧密衔接，选择合适的产品对象，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，达到提升学生的研究开发、工程设计和工程管理能力，以及新工科要求的问题空间感的建立、关联能力的培养之目的。其教学设施思路如图4所示，实现由认知实习、专业实习、企业实习，逐步强化;从验证性、综合性到创新性实验，逐步加深;由单元设计、工艺设计到工程设计，复杂程度逐步提高，注意在教学的多个环节体现“关联”。

本课程结合课程设计完成一个简单机械的实践，强化学生的整机、系统的观念。具体确定了以下项目：船用起锚机的设计、船用铰缆车的设计、大扭矩疲劳试验机的设计、加热炉装料机的设计、平板搓丝机的设计、简易卧式铣床传动装置的设计及管道机器人设计等。课程组织基于“非正式学习”和“去中心化”的理念，采用“任务分解+角色轮换”的教学模式，学生可自由分组。本课程的评价体系包括任课教师对学生的评价和课程目标达成评价。对学生的评价从学生学业的知识与技能、过程与方法、综合素质三个维度进行综合评价，同时将学生纳入评价主体，灵活运用教师评价、学生自评、学生互评等多种形式。课程目标评价采用任课教师自评和专业评价工作组评价两个层次进行，课程目标达成度评价由任课教师依据课程教学大纲进行，判断课程设计教学质量，提出改进方案，确保学生培养目标的达成。

四、智慧教学应用调查

本调研向2016级机制1班发放《机械设计课程智慧教学应用情况调查问卷》38份，回收38份，回收率100%。本次调查问卷主要涉及学生对机械设计课程智慧教学应用情况反馈，共包括5个大类共20个具体问题，分别为学习体验调查、课前预习资源和学习平台调查、学习过程调查、新型教学模式优势及其影响因素调查、课程學习效果和满意度调查5大类，其中学习过程调查数据如表2所示。

从问卷调查情况看，大多数学生对机械设计课程智慧教学持欢迎态度，认为智慧化教学平台能加强学生自主学习能力的培养，让学生更加主动地学习，课前积极预习，提高了机械设计课程学习效率。

五、结语

在“打造新工科”及“中国制造2025”等背景下，我们基于“互联网+”打造智能化、交互化、泛在化的教学资源平台，构建了面向新工科、适应行业发展的机械设计课程智慧化教学模式，推动了教学理念、教学内容、教学方法的改革。围绕工程教育专业认证标准要求，面向“复杂工程问题”，我们打造了工程知识学习、分析能力培养、研究能力发展三位一体的线上线下教学闭环，推进了非正式学习、去中心化学习、想象学习等新方法的实施，并开展了教学实践，为提高教学环节对人才毕业要求达成提供了新的思路和途径。

[责任编辑：钟岚]