“机械原理”课程混合式教学改革与探索

任小勇 刘雨微 李秀明 郑晓雯

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

机械原理作为机械类专业的一门重要专业基础课，起到连接基础课程和专业课程桥梁的作用，其目标是让学生掌握机构学和机器动力学的基本理论知识，熟悉机械中常用机构的特点和设计方法，培养学生的实践能力和创新能力[1]。 该课程的教学质量对学生后续专业课程的教学效果及学生的整体培养质量具有重要影响[2]。 机械原理课程中的知识实践性强，初接触专业课的学生普遍感觉该课程抽象难学[3]。 在新工科建设背景下，国家对机械专业学生的实践能力和创新设计能力提出了更高的要求，但该课程的学时却有所缩减[4]。 因此，高校教师需要对机械原理授课方式进行改革和探索，提升教学效率、改善教学质量。

随着互联网技术的普及， 信息传播成本大幅度降低，网上学习资源越来越丰富，如MOOC 平台上就有大量的机械原理课程教学视频， 其中仅国家精品课程就有6 门之多。线上教学资源的普及，使学习者可以不再拘泥于学习时间和地点，可利用课余的“碎片化”时间进行线上学习。 目前线上教学成为一种基于网络环境的新型教学模式。 2020 年由于疫情影响，高校部分课程开展了全面线上教学，然而教学效果却差强人意，主要是由于线上教学缺乏教师的监督和主导， 仅靠学生自主学习，很难达到一定的深度，对于机械原理这类实践性较强的课程，单纯采用线上教学，学习效果更加难以满足教学要求[6，7]。因此，如何将线上教学和线下课堂教学有机融合，发挥各自优势，形成线上线下混合教学模式是目前教学模式改革探索的热点话题[8-10]。

机械原理混合式教学不仅仅是独立开展线上教学和课堂教学，而是二者的相互配合，实现优势互补，所以如何进行混合式教学设计是开展混合式教学的关键[11，12]。 本文基于“机械原理”课程教学现状，以“以学生为中心”教学理念为核心，开展混合式教学模式设计，对课程重点知识结构进行划分，使学生能够利用“碎片化”时间学习概念性知识，增加课堂教学互动性和趣味性，充分激发学生学习的能动性，从而提高学习效率，改善教学质量。 以下介绍关于机械原理混合式教学改革与探索的具体内容。

1 “机械原理”课程教学现状

机械原理是研究机构结构、 运动及机器动力学共性理论问题的专业基础课程， 具有概念晦涩、 理论抽象、知识繁杂、工程实践性强等特点，对于初接触专业课的学生，由于缺乏实践经验和相关知识基础，学习起来具有一定的难度，目前其教学主要存在以下特点：

1.1 知识抽象繁杂，不及格率较高

“机械原理”课程一般面向的是大学二年级学生，是学生们接触较早的专业基础课之一。 由于大部分学生缺乏机械专业基础知识和相关实践经验，因此普遍感觉课程内容抽象难学。 同时在新工科建设背景下，课程的信息量逐渐加大， 而课程学时却有所缩减，更加增加了学习难度。 对于抽象繁杂的内容，学生在有限的课堂教学中很难全面理解和掌握，同时由于每位学生的知识基础和理解能力有所差别，在有限的课堂教学中，教师很难照顾到每位同学，致使部分学生会逐渐产生厌学、弃学情况，导致这门课程的不及格率多年居高不下。

1.2 课堂气氛沉闷，师生互动性差

抽象繁杂的概念以及学生欠缺的知识基础导致在机械原理授课中学生难以与教师形成有效的互动，课堂气氛沉闷。 而出于教学进度的考虑，在有限的课堂教学中也主要以教师的讲授为主，学生处于被动接受状态，课堂参与度不高。 沉闷的学习气氛，难以调动学生学习的积极性，学生走神、错位、茫然时有发生，教学效果可想而知。

1.3 理论实践分离，创新能力有待提高

机械原理作为一门工程实践性很强的课程，对理论与实践相结合， 提高学生创新能力具有更高的要求。 而在目前有限的课堂授课中，教师不得不腾出大量时间来讲授相关概念和理论推导，用于实践运用分析和创新能力训练的课时严重不足。 同时期末考试主要以理论知识测试为主，而对综合实践能力的考核不够，易出现“高分低能”现象，所培养的学生整体创新能力有待提高。

2 “机械原理”混合式教学改革与探索

“机械原理” 混合式教学改革的目标是通过线上教学和线下教学相互配合，充分利用线上教育和线下教育的优势，提高教学效率，改善教学质量。 该教学改革以“以学生为中心”教学理念为核心[13]，将分别从教学资源库建设、混合式教学设计、学生学习活动和学习效果考核几个方面进行论述，如图1 所示。

图1 混合式教学改革主体模式

2.1 线上线下教学资源库建设

在现有的教学资源基础上， 针对混合式教学模式，以学生学习为中心，进行线上线下混合教学资源库建设。 该资源库建设内容主要包括视频资源、多媒体资源、文档资源和题库资源等。 视频资源主要是指MOOC、SPOC 等平台现有的机械原理国家精品课程教学视频、教研组录制知识讲解微视频以及收集的知识拓展视频等。 多媒体资源主要为机械原理课程的PPT课件、机构的Flash 动画和机构的图片等。文档资源主要包括授课所用的电子教材、课后辅导书、实验指导书、课程设计创新指导书、相关软件使用教程等。 题库资源主要包括概念测试题、综合应用例题分析、运用案例分析、课后练习题等。

学习是一个复杂的过程，不同学生掌握知识的快慢可能有所不同，并且不同学生最佳的学习模式也会有所差异，教学资源库的建设是以提高学生学习效率为核心，改善教学质量为最终目标的。 教师可以依托教学资源库进行线上线下混合式教学设计，学生也可以依据自己的学习喜好，选用相应的学习资源进行学习。 同时，通过多种教学资源相互配合，可以进一步加深学生对知识的记忆和理解，而通过不断的学习效果反馈，教学资源库也会逐渐进行优化和丰富。

2.2 线上线下混合式教学设计

混合式教学设计的核心理念是“以学生为中心”，授课教师基于教学资源库进行教学设计，改造传统课堂教学模式，使线上教学和线下教学有机融合，形成高质高效的混合式教学模式。 而如何通过教学设计实现课堂教学和在线学习无缝对接，让学生参与深层而有意义的学习，则是机械原理混合式教学设计所面临的挑战。 在该教学改革探索中，混合教学设计主要可分为学习目标设计、学习内容设计、学习模式设计和学习活动设计四部分，具体内容如图2 所示。

混合式教学的设计目标在于让学生能够主动参与学习，提高学习效率。 因此，学习目标设计应由传统的概念知识传递转向为知识的综合运用和创新能力的培养。 具体在设计每一章节的学习目标时，要充分收集教师和学生的意见，依据章节知识，设立记忆、理解、应用和创新四个目标考察点，其中“记忆、理解”为初级认知目标，而“应用、创新”是高级认知目标。 在新型的混合式教学中，“应用、创新”的学习目标在设计中应占有更多比重。

“机械原理”课程内容相对比较繁杂，理论性强且与工程实际联系紧密，并不是所有知识都适合线上学习，而线下学习常常又受到课时量的约束，因此，需要对课程内容进行学习设计，对各章节知识点进行结构划分，确定适合的学习模式，充分利用线上学习和课堂教学的优势，实现线上线下教学的有机融合，提高学习效率。 各章节的知识主要可以划分为概念记忆类、推导理解类、应用实践类和综合创新类四种，每种知识所对应的学习模式有所不同，如图2 所示。

图2 混合式教学设计

概念记忆类知识的学习模式主要为线上学习，学生可通过线上教学视频、多媒体课件以及动画演示等进行线上学习，充分利用自己课余的“碎片化”时间对课程中的名词定义和相关概念进行学习和记忆。 概念记忆类知识既基础又重要，学习特点是需要大量的时间进行记忆，且需要重复学习来加深记忆。 将该类知识移至课前线上自学，不仅可以节省大量的课堂学时用于后续的创新训练，同时不同学生可根据自己的能力和学习偏好选用不同的线上资源进行不同的学习，最终达到相同的概念记忆程度，方便教师开展后续的课堂讲解。 推导理解类和应用实践类知识的学习模式主要为线上自学和课堂教师讲解。 对于推导理解类知识，学生课前通过观看教学视频进行学习，总结学习中难以理解的部分，在线下课堂中，教师对学生难以理解的知识进行推导讲解，同时，教师可通过讲解具体例题，加深学生对知识的理解程度。 对于应用实践类知识，学生同样先通过教学视频对相关知识进行线上自学，对内容和实践应用有大概的了解，而在线下课堂中，教师通过配套的实验和实践让同学们对所学知识有更深的认识和理解，提高同学们的应用实践能力[14]。 对于综合创新类知识，主要学习模式为线下讨论，具体的学习活动可以采用翻转课堂、设立专题讨论、课程创新设计以及参加创新设计训练等。

2.3 学生学习活动

学生学习活动过程是混合式教学的具体实施体现，教师完成教学设计后，向学生发布学习任务、学习模式以及相应的学习资源。 学生学习活动可以分为线上视频课件学习、课堂面对面学习、实践操作学习和创新训练学习四类，如图3 所示。 线上学习时间由学生自行安排，但需要在规定时间内完成学习并通过线上考核测试。 课堂学习时间按课表进行，学生课前总结线上学习疑问，课堂上由教师进行答疑解惑。 同时依据教师设计的例题对课程内容进行更深入的学习，积极参与课堂讨论，回答教师提问，实现参与式和探究式学习。 实践操作学习主要为参与具体实验实践，通过体验式和探究式学习方式，对应用实践类知识进行学习，同时通过课堂实践讨论加深对应用实践类知识的理解。 相比于传统的课堂学习，学生在混合式教学学习活动中更需要注重创新能力的提高，积极参与创新设计训练。 学生依照设定的讨论专题进行讨论学习，在提高知识综合应用和创新能力的同时，通过课堂演讲汇报，向大家展示自己的创新设计，培养与人交流沟通的能力。

图3 学生学习活动和学习效果考核模式

2.4 学习效果考核

学习效果考核是对教学情况的阶段性测量，不同的考核方式对应不同的学习活动，考核结果为混合式教学设计和学生学习活动提供反馈和修正方向[15，16]。线上学习考核的题型主要为选择题和填空题，对学生所学概念知识进行快速测试。 学生每观看一个微视频即自动弹出快速测试练习，完成测试后方可观看下一个微视频，同时整节内容学完后，会有总的通关测试，学生进行完整的视频学习和通关测试后，才能获得相应线上学习分数。 课堂学习中采用答疑提问的方式进行考核，并布置课后作业，依照作业完成情况给定平时成绩， 最后采用期末考试的方式进行学习效果考核。 实验实践活动考核采用平时答疑提问和撰写实验报告的考核方式。 创新训练通过完成创新设计报告、专题讨论报告以及讨论演讲报告等来进行考核。 线上线下相结合的多元考核方式和过程，能最大限度地记录学生整个学习过程，为教师快速调整教学设计提供反馈信息，也及时为学生学习活动提供指导帮助。

3 结语

采用线上线下混合式教学模式可以提高“机械原理”课程的教学效率，有利于提高教学质量，是机械原理教学改革和探索的重要方向之一。 基于“机械原理”课程当前的教学现状，提出开展机械原理混合式教学的改革方案。 主要通过将课程重点知识划分为概念记忆类、推导理解类、应用实践类和综合创新类，不同种类知识采用不同的学习方式，做到“以学生为中心”，实现了线上教学和线下教学的优势互补。 教学实践表明， 该混合式教学方式可以使学生充分利用课余的“碎片化”时间来学习，同时课堂学习的互动性和趣味性增加，提高了学习效率，改善了课程教学质量。