纸质模型在教学创新实践中的应用

李永湘 雷蔓 余欢乐 仇磊

摘要：针对当前课堂教学中存在的理论学时长、学生操作少等问题，以新工科建设和OBE教改要求为指导，研究了纸质模型在机械原理课程教学创新实践中的应用，总结了纸质模型应用的优缺点和选材。在机械原理课堂理论教学、机械原理课程设计教学和机械创新设计中采用了纸质模型辅助教学与设计。根据课程教学需求，通过教师指导，以学生为主体完成纸质模型制作，巩固了学生专业理论知识学习，锻炼了学生设计计算、绘图、模型制作和创新设计等能力，提升了学生课堂学习兴趣，为机械类专业课程教学改革提供了方向。

关键词：教学改革;OBE;创新设计;机械原理;新工科

中图分类号：G642;O3-4                              文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）02-0243-02

0  引言

随着社会的进步，大学课程教学也逐渐融入了很多时代特色的东西，三全育人、课程思政等新的要求已深入专业课课堂教学中。新工科发展要求大学专业课程中需要有更多的创新和实践内容，这种要求对于实习课程是比较好贯彻的，但对于理论课时占多数的课程教学过程中实施难度较大。如何提高教学中的实践操作时间，是新工科教學中急需解决的问题，对巩固专业理论知识学习和提高大学生的动手操作能力有着重要意义。要解决这个问题，模型教学是一个很好的方法。而纸质模型由于取材容易，价格便宜，是提高机械类专业课程教学中的实践操作时间和提高学生动手能力的好措施。

1  纸质模型的教学应用研究现状

关于纸质模型在教学创新实践中的应用，国内已有教师和学者对此进行了相关研究工作。庞艳辉等将纸质立体模型运用于等高线教学中[1]。张晓艳制作了用于生物课程教学用的纸质DNA模型[2]。杨建新将纸质模型运用于专业核心课程教学，以提升学生素养[3]。蒋飞华研究了纸模型在数学几何课程教学中的应用[4]。安家强等研究了纸模在机场混凝土施工工程中的应用[5]。

上述文献中各学者主要研究了纸质模型在教学和工程中的应用，但在纸质模型制作过程中，教师起着主导作用，学生基本没有参与纸质模型的制作过程，纸质模型在这些研究中主要是起着展示作用，让教师能在课堂上更直观地将课程理论知识展示给学生。但没有学生参与纸质模型制作，对学生动手能力提高的作用非常有限。本文研究工作将重点探讨纸质模型在教学创新实践中的应用，学生将是纸质模型制作者，以提高学生动手操作能力。

2  纸质模型应用案例

我们以机械原理课程教学为例，探讨纸质模型在机械原理课程教学中的应用。纸质模型在机械原理课程教学的应用主要分为课堂理论教学中的应用和课程设计中的应用。

2.1 纸质模型在机械原理课堂理论教学中的应用

机械原理理论课时多，有56个学时或64个学时，课程内容丰富，需要介绍机械的结构分析、运动分析、受力分析，以及连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等机械基础内容。通常情况，课堂上理论教学时间越长，学生的听课兴趣、注意力会逐渐下降，学生接受知识、理解机械原理的效果不会好，这也是传统课堂教学中存在的问题。而根据新工科教学要求和OBE理念，机械工程学科的本科生在课堂上不仅要学到知识，还要有能力的提升，学生要有获得感。新工科要求大学生要有好的工程应用能力和实际操作能力。为解决这个问题，我们在机械设计制造及其自动化专业3个本科班级的机械原理教学中积极采用了纸质模型辅助理论教学。我们给学生进行分组，每组有4～6人。在课堂理论教学过程中，我们要求每组课后需要根据课堂理论教学内容制作出纸质模型，如图1所示。通过纸质模型的制作，巩固了学生课堂所学专业理论知识，提升动手制作实物模型的能力，同时也提高了学生的学习兴趣。我们根据学生的纸质模型制作情况进行打分，并作为学生平时成绩的一部分。学生也很重视模型制作的质量，不仅纸质模型，有些还采用木材和亚克力板制作实物模型，学生思考问题、解决问题的能力显著提高。

2.2 纸质模型在机械原理课程设计教学中的应用

我们的机械原理课程设计教学都是安排在期末最后两个星期内完成。课程设计同样需要将所有同学进行分组，每组5人左右。课程设计题目可以有每个组自己拟定，也可从老师给出的题目中选择。各组题目尽可能不同，避免重复。各组设定组长一名，负责管理各组设计进度。机械原理课程设计不仅需要完成理论设计计算，还需要画出图纸，并能做出模型或实物。课程设计的工作还是比较多的，而时间相对较少，只有两个星期。只有通过小组组员的分工合作才有可能把所有工作做完。由于时间短，以往几届学生的课程设计工作都只完成了设计计算和画图，没有做出模型或实物。我们从2017级学生开始，在机械原理课程设计中指导学员做纸质模型，起到了良好的效果。由于现代物流的发展，包装用的纸盒很多，纸板取材很容易，成本也低，克服了金属材料价格贵、取材和制造困难等问题。因此，每个组的学生都可以做出纸质模型。

课程设计总成绩由考勤成绩、课程设计说明书、图纸、模型、答辩几个部分的成绩构成。以小组为单位，每个组需提交一份课程设计说明书、图纸和模型，答辩时，每个小组的同学都将进行答辩，回答教师的提问。由于每个同学都要参与答辩，都有接受老师的提问，学生在组内也不能懒惰松懈，因为成绩的高低不仅跟组员的协同工作有关系，还跟学生个人对课程设计的掌握程度直接相关。通过设计计算、画图、纸质模型制作和答辩四个过程的历练和考核，学生对课程设计项目中所蕴含的机械原理有了较深的理解和掌握。学生的理论知识得到巩固，实践操作能力得到加强。

2.3 纸质模型在机械创新设计中的应用

新工科教育中非常重视学生创新能力的培养，机械创新设计其中一项重要内容。每年举办的全国大学生机械创新设计大赛水平越来越高，比赛中的一项重要要求就是要制作出作品实物。在平常的机械类专业课程教学过程就借助纸质模型进行辅助教学，并让学生来完成纸质模型的制作，极大提高了学生的学习兴趣和动手能力，同时也启发了学生的创新意识。不同组的学生都在追求所做模型的独特性，与众不同的模型使学生获得更大的成就感。创新在理论上对于很多学生而言是一件非常高深、困难的工作，但通过制作纸质模型，学生消除了创新设计的恐惧心理，参与机械创新设计的同学变多了。2018级的两个机制班就有96%的同学参与了大学生创新创业项目，申请各项大创项目约20项。还有30多名同学参加了省级大学生机械创新设计大赛，并获得一等奖1项，二等奖3项，三等奖6项的好成绩。模型制作的历练过程贡献很大。学生对参加这样的比赛也不再畏惧，参与积极性很高，设计和制作作品的速度较快，10组参赛学生都在比赛规定时间内做出了参赛作品实物模型，完成了机械装置和电控系统的联合测试。教学改革和纸质模型的引入给专业课教学注入了新活力，初步取得了好的效果。尽管同学们的创新水平还不是很高，模型制作还不够精致，但学生积极参与的这股干劲是值得鼓励的，不足的地方需要在以后的项目和比赛中逐步完善。

3  纸质模型应用的利弊分析

与金属材料做的实物相比较，纸质模型有着一些显著优点，例如：

①纸板价格便宜，纸质模型制作成本低;

②纸质模型容易上色、可以制造多种颜色;

③纸质模型容易剪切加工、折叠塑形;

④纸质模型制作不需要长期培训，人人可以制作，上手速度快，模型更改难度低。

同时，在机械原理课程设计过程中，我们发现纸质模型也存在一些不足。例如：

①纸质模型的强度低，不能承受较大载荷;

②纸质模型不能受潮，遇水后纸质模型容易变形损坏;

③纸质模型不适合制作高精度的传动零部件;

④纸质模型不适合制作尺寸很小的微小零部件和结构极度复杂的装置模型。

根据纸质模型的特点，我们在机械原理课程教学过程中尽量发挥纸质模型的优点，克服其缺点，模型尺寸整体尺寸一般都大于200mm，模型质量和教学效果得到了保证。另外，制作纸质模型的纸板厚度不能太薄，例如A4复印纸制作纸质模型就不合适，其强度低，刚性差，模型太软，不稳定，容易塌。而采用瓦楞纸板制作纸质模型比较好。单瓦楞纸板厚度约1.1～5mm，双瓦楞纸板厚度约3～10mm。由瓦楞纸板制作的纸质模型有一定的强度和刚度，模型稳定性較好，各运动副构件之间能做相对运动，基本可以展示出作品的相关功能。

4  总结

针对新工科建设和OBE教改新形势下机械原理课程教学过程中学生实践操作时间少等问题，将纸质模型引入课程教学中。在机械原理课堂理论教学和机械原理课程设计教学中采用了纸质模型辅助教学，并在机械创新设计中运用纸质模型辅助创新设计。根据课程教学需求，通过教师指导，以学生为主体完成纸质模型的制作。锻炼了学生设计计算、绘图和纸质模型制作等能力，启发了学生创新设计思想，巩固了学生的专业理论知识学习，提升了学生的课堂学习兴趣，为机械类专业课程课堂教学改革提供了一个方向。纸质模型有着成本低、制造容易的优点，也存在着强度低、易受潮等不足，需要我们在教学应用过程中不断探索、持续改进。

参考文献：

[1]庞艳辉，张晓芹，刘斌，等.纸质立体模型在等高线教学中的应用研究[J].高考，2020（11）：101.

[2]张晓艳.DNA纸质模型在高中生物教学中的应用[J].高考，2019（09）：34.

[3]杨建新.用纸质模型培养学生学科核心素养的策略[J].中学生物教学，2019（Z1）：25-27.

[4]蒋飞华.浅谈纸模型制作与几何创新教学[J].职业，2015（27）：142.

[5]安家强，王佳斌，于庆强，等.机场工程圆柱纸模应用分析[J].居业，2016（08）：43-44.