基于线上+线下的机械制造基础实验教学研究

2022-02-15刘雅静史成坤陈娇娇

北京航空航天大学学报（社会科学版） 2022年1期

刘雅静，史成坤，陈娇娇

(北京航空航天大学北航学院，北京 100083)

实验教学模式的改革对高校人才培养起着重要的作用。机械制造基础作为一门来源于实践的课程，其实验环节一直必不可少。在传统的教学实践中，面临一些具体矛盾，导致实验环节的教学效果会打折扣，未能完全发挥其应有的作用[1-3]。例如，小班化教学、自主选课模式等减少学生的统一时间，影响实验进度，无法保证实验与理论课程同步；实验预习中，学生只能依靠教材去了解实验的相关知识，很难对实验形成深刻的认识；实验指导书等纸版载体单一，实验指导效果差；有限的课时加上学生被动的学习状态，很难实现最佳教学效果。实验课程与理论课程不同之处在于需要实验场地、仪器设备、实验材料等硬件设施, 更重要的是需要培养学生的动手能力、分析思维能力和团队协作能力，这在单一的网络教学中无法实现，使“互联网+”实验教学成为难题[4]。

针对上述问题，北京航空航天大学工程训练中心基础实验教学部建设了线上习题库和数据提交及评分系统，还制作了一系列的操作视频微课，在机械制造基础实验课程中开展线上+线下混合式教学。这种混合式教学可实现现代化网络线上教学与传统课堂教学的优势互补，丰富课堂形式、充实实验内容，在有限的实验课时内让学生充分掌握加工工艺和测量方法的基本原理和实验技能，有效激发学生学习的主动性，提高学生自主学习的能力和解决问题的能力[3-10]。

一、线上+线下混合教学模式建立

(一)以微课为基础搭建线上平台

1. 结构化微课内容设计

在结构化微课设计中，如图1所示，不仅要注重技术与设计的结合[11]，还需综合考量微课对预习、复习等教学环节及其在开展翻转课堂中的作用。例如，预习环节的重点是理解实验原理，了解仪器构造，掌握仪器操作步骤、读数方法等；复习环节的重点则是实验报告中数据处理、合格判定、误差分析中存在的普遍问题以及课后思考题的详细解答等。

图1 微课结构设计

通过筛选该门课程的教学内容，可将机械制造基础[12]实验拆分为互换性测量、冷加工基础、热加工基础三个模块，这三个模块可以涵盖目前所有实验内容。

例如，互换性测量模块，按公差类型将其划分为尺寸误差测量、形状误差测量和位置误差测量，选择具有代表性的几何特征作为测量项目，结合实验设备特点，选择适合的零件作为载体，进行微视频的制作。视频围绕知识点展开，详细讲解误差的内涵、影响、测量原理、设备使用方法和合格性判定规则等。

图2展示了部分微课的视频截屏。每门微课都由四部分组成，即知识点讲解、设备介绍、操作演示和结论分析；时长为5～10分钟，尽量做到短小精炼，重点突出。其中，知识点讲解部分采用“PPT+图片+动画”相结合的方式来呈现，主要围绕具体知识点展开，讲解相关公差的标注、定义、含义、原则、应用场合等；设备介绍部分主要采用“视频+动画+图片”相结合的方式予以展开，具体讲解工具、量具、仪器的内部构造、测量原理、读数方法以及测量项目的被测要素、基准要素在仪器上的体现方法等；操作演示部分主要采用“视频+字幕+图片制作”的方式详细演示实验方法和操作步骤，以便学生们能正确掌握实验设备的使用方法和操作步骤，顺利完成复现性实验，获得相关实验数据；结论分析部分仍然采用“PPT+图片+动画”的方式来呈现，讲解实验数据的处理方法、合格性判定原则、误差产生的原因及影响等，既能达到理论指导实践和实验论证理论的实验目的，也可以通过实验使学生能够触类旁通，掌握此类公差的测量方法。

图2 微课视频截屏(示例)

2. 搭建线上平台

利用北航云盘、校课程中心、QQ群、微信群、问卷星等工具搭建线上环境，如图3所示，建立以微课为载体，以学生为中心的线上师生互动学习平台，并充分利用线上平台的灵活性和个性化优势，把控整体教学质量。

图3 线上平台截屏(示例)

具体搭建过程如图4所示。第一步，将实验教学微课以及该门课程的教学大纲、教案、实验指导书和实验报告等相关资料上传至北航云盘和校课程中心。第二步，更新文字版实验指导书，将视频二维码插入文字版实验指导书中，弥补传统纸版实验指导书载体的不足。学生通过手机轻轻一扫，即可获得配套的视频资源。第三步，在校课程中心上发布预习测验、设立讨论区，学生在预习过程中遇到困难可及时在讨论区与教师进行沟通交流。第四步，通过微信群、QQ群和邮箱等发布公告和任务，保障课程有序运行。第五步，预习测验成绩合格后，学生可进行实验预约，在问卷星上发放、回收实验预约问卷，实现教师对学生学习进度的跟踪与评价。

张亚恒等[26]选用欧拉双流体模型，揭示了振动流化床气泡尺寸、气泡上升速率沿高度分布和床层压力脉动信号周期性变化特征规律。结果表明：普通流化床气泡尺寸分布比较均匀，大气泡较少，气泡直径随着床层高度增加而增大；振动流化床气泡分布不均匀，大气泡较多；在气泡上升初期，气泡直径不断变大，气泡上升速度不断增大，上升后期，气泡上升速度不断减小，床层压力脉动信号的周期性明显增强。

图4 线上平台搭建及各自职能

(二)结合线上平台建立线下环境

线下环境是指传统的课堂、实验室，包括硬件条件和师资条件。教学中，由于有了线上微课资源与平台以及预习测验的要求，学生不再过分依赖课堂讲解，而是带着预习好的知识储备进入实验室，他们已经了解了实验原理和实验要点。因此，在线下课堂教学中要摒弃过去传统课堂的教学设计，不需把实验的基本理论、基本原理、实验仪器、实验步骤及实验安全规定重新讲一遍。此外，每次线下授课内容还需根据线上的学习效果进行动态调整。

线下环境支持的机械制造基础实验包括复现性实验和设计性实验。复现性实验是指学生按照微课的操作方法和步骤进行实验，得到实验数据的实验。设计性实验是指在复现性实验的测量项目和方法基础上学生进行的拓展性实验，如复现性实验做了圆跳动误差的测量，要求学生自己设计全跳动误差的测量等。设计性实验与复现性实验的内容及知识点相关，所采用的方法和仪器互通。

在线上环境的支持下，线下复现性实验的内容减少，设计性实验的内容逐步提高。教师的角色也由“授人以鱼”向“授人以渔”转变，引导学生进行知识的深入挖掘。

二、线上+线下混合教学模式的学习流程

图5展示的是线上+线下混合实验教学模式中，学生的学习流程。

图5 线上+线下混合实验教学模式

线上+线下混合教学模式的学习流程为：课前，教师通过线上平台对实验学生调查其课表，确定可以安排实验的时间，反馈给学生；学生再根据个人情况选实验课(学生可以灵活选择是按规定时间上课还是单独预约时间上课)。这个过程通常需要反复沟通。课表确定后，学生登录北航云盘或校课程中心下载实验微课和其他实验资料进行自主学习，完成线上预习与自测。教师同步进行线上督学，及时关注学生学习动态。线下实验课堂上，教师用少量时间根据测验情况重点讲解集中问题并进行现场答疑，大部分时间留给学生用于回顾微课，并快速完成复现性实验和开展设计性实验。课后，学生在线上平台展开讨论，教师线上进行答疑、点评，学生对实验数据进行处理和总结，完成实验报告并上传至平台。

三、线上+线下混合教学模式的实践效果

(一)线上+线下混合教学模式实践

线上+线下混合式教学模式自2019年春季学期开始投入使用。经过30轮次的实验教学，已有543人下载了微课作为学习的教辅资料(下载率达98%)。86人采用线上+线下混合教学模式完成实验，教学效果和教学管理方面都有明显改善。

笔者也对相关教师进行了访谈，他们认为，“利用微课开展翻转课堂能够在不增加课时的情况下延展实验内容”“设计性实验的引入使机械制造基础实验不止步于理论验证层面上”“线上平台是很好的教学支撑”“能有效弥补沟通不足，互动、点评能有效激发学生的学生兴趣和主动性”。

(二)线上+线下混合教学模式问卷调查分析

笔者对某高校某院系138名学生进行了不记名问卷调查，回收有效问卷120份。

学生认为微课对于实验各环节的指导作用调查结果如图6所示。实验预习环节选择“大”和“较大”的人数占比之和为91.66%，实验操作环节选择“大”和“较大”的人数占比之和为91.67%，完成实验报告环节选择“大”和“较大”的人数占比之和为75.00%。

图6 微课对于实验各环节的指导作用调查结果

学生对现在开展的线上+线下混合模式实验课的认同情况调查结果显示，选择“很满意”和“满意”的人数占比之和为93.33%，如图7所示。

图7 线上+线下混合模式实验课的认同度调查结果

此外，对混合式实验模式可推广的价值也开展了调查。如表1所示，87.50%的学生表示如果同时开线下和线上+线下两种模式实验，更愿意选择线上+线下模式；88.33%的学生认为微课可以完全或部分代替实验课上教师的面授集中讲解；目前，学校分校区只有没有条件按时实验的学生采用线上+线下模式实验，91.07%的学生认为这种实验模式可以向更多的学生推广；92.86%的学生认为微课作为实验操作指南可以借鉴到更多的类似需要操作设备的实验课(如工程材料实验、大学物理实验等)。