机械原理混合式教学课程改革与实践

祝雁辉 王首军

(济宁学院 产业学院，山东 曲阜 273155)

伴随着移动互联科技时代的进步，工程教育领域相继出现了工程教育专业认证、新工科、OBE理念(Outcomes-based Education)、NEET(New Engineering Education Transformation)、卓越、精品课程、国家一流课程、省级一流课程、混合式教学、研究型教学、翻转课堂、创新创业等一系列热门概念[1]241-242。教育领域发生了翻天覆地的变化，优质教育资源逐渐普及化，教育部在“十二五”期间建设4000门国家级精品开放课程，课程的完整教学周期的授课录像、教学课件、测验题资源、实验配套等已在2015年于“爱课程”网站免费上线。在“十三五”期间延伸至2022年建设4000门精品慕课，此时国家级在线共享课及慕课共8000门。截止2020年12月，中国各个平台上运行的慕课总量已超过3.4万门。教育部要求全面开展一流本科课程建设，于2022年完成一流本科课程“双万计划”。2017年初教育部高教司组织的复旦会议提出了针对工程教育未来发展的新工科建设理念，同时在新经济的发展推动下，创新型企业正在异军突起，制造业智能化的趋势方兴未艾，装备的智能化升级、智能工厂的兴起已经成为制造业升级的重要趋势。

教育部牵头组织开展的相关工程教育专业认证[2]23-26和新工科建设等研讨会[3]98-100，相继出台了一系列新工科建设理念、工程教育专业认证理念等相关文件[4]193-395，不仅对工科院校提出建设要求，还对各个课程建设指明了方向。针对《机械原理》本科课程改革建设，从学生与教师的转变、课程目标重定、混合式教学策略分析及教学评价等方面进行了探索和实践。

一、移动互联时代学生和教师的转变

(一)学习现状

身处互联网+时代，智能手机、平板、腾讯QQ、微信等移动工具高校教师感同身受，学生也亲身经历其中，其学习习惯、学习态度、学习方式都在发生变化。首先，在学习习惯方面，“抖音”“快手”“小红书”“哔哩哔哩”这些短视频平台的出现，一定程度上开阔了学生视野，学习中遇到的疑点，上网搜索能够解决；但通过此方式获取的知识高度碎片化，与人类的基本认知规律相悖，不能有效提高学生的学习成绩及学习能力。其次，在学习态度方面，00后学生与90后、80后的学习观念截然不同，学生的价值取向多元化，追求全面发展；部分学生努力学习文化课程争取第一，部分学生积极参加社团组织的各项活动，部分学生积极参加学院创新实验室，参加国家级和省级机电产品创新等大赛，少部分学生大学期间创业等等。再次，在学习方式方面，学生信息来源丰富化，知乎、百度百科、维基百科、慕课等均可搜索到优质教育信息，学生获取知识的能力和意愿显著增强，即使身处休闲运动场所，也可通过智能手机或者平板电脑利用在线资源学习新知识。

(二)教师面临的挑战

针对学生在上述三方面的变化，教师面临巨大挑战，在保证课程质量的前提下，课程的讲授方法、手段、课程设计、课程考核及教学评价等方面既要满足少数高精尖学生的学习要求，又要兼顾学习成绩中等及以下学生的需求。教师必须采取有效的应对措施，其中之一是提升自身专业素养，用高水平科研经验和成果反哺教学，在课堂中讲授出慕课或资源共享课中没有的内容，但在大多数基础教学中很难做出突破。只有在课程中不断发现学生学习瓶颈，引导学生独立分析、思考并对知识有所感悟提升，帮助学生解决学习困惑，秉承以学生为中心的教育理念，了解学生的学习成效，开展针对性的教学，让学生对课堂充满期待。在学生学习什么、怎样学习上下功夫，培养自主学习、终身学习、人际交往、动手实践、发现创新等能力，培养创造性思维、系统性思维、评判性思维、分析性思维、计算性思维、实验性思维、工程性思维、人本主义思维等，进而培养出基础扎实、超越现实，引领产业界和社会发展的大学生。

(三)改革势在必行

机械原理是机械设计制造及其自动化专业的核心主干课之一。从全国范围内来看，发展参差不齐，在相当部分高校中，课程的教学模式停留在20年前的水平。积极参与专业认证的高校中，机械原理课程因其特殊的地位往往成为认证专家重点考察的课程，查阅教学大纲、培养方案、考查试卷、课程设计等均是必要环节。山东省内4所高校机械工程专业认证通过，借鉴相关经验，从提交专业认证申请到审核通过，关乎到专业建设闭环的每个环节，需要切实结合各自学校专业发展特色，对照认证标准及申请指南，提炼切合本校的认证方案进行整改。由Spady于1981年提出的以学生学习结果为驱动的导向教育，不仅是工程教育专业认证的核心理念之一，而且是指引各类课程建设的风向标。该课程在以往建设过程中没有将OBE理念深入渗透到课程教学每个环节，要达到新工科建设及工程教育认证标准，还有更艰巨的工作有待开展，因此以OBE为理念基于雨课堂的机械原理混合式教学课程改革势在必行。

二、明确课程目标

我国科学技术快速发展，大力进行自主创新，为机械行业带来了空前的发展机遇。任何机械系统的发展离不开机构的创新，该课程以机构为主要载体，主要研究机构的结构组成、运动分析、动力学分析、平衡、效率及常用机构。例如连杆机构、凸轮机构及齿轮机构的类型、功能、特点、应用及设计方法，从而进行机械系统总体方案设计、执行系统的方案设计、传动系统方案设计和原动机选择等。课程教材选用高等教育出版社孙桓主编《机械原理》(第八版)，主讲内容共十二章，前七章主要讲授机构的共性问题，后五章主要讲授常用机构的应用设计及机械系统设计方案。

表 1 课程目标

本课程以高等数学、理论力学、计算机控制技术、机械制图、材料力学等课程为先修基础，后续课程为机械设计和机械基础综合设计，在人才培养的过程中起到承上启下的重要接口作用，旨在培养学生的机构运动设计、机械动力设计和机械系统方案设计能力。以机构的运动设计、机械的动力设计和机械系统方案设计的基本知识为载体，培养学生机械系统方案创新设计的思维方式和方法及自主学习的能力，从而达到提高学生的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力的目的。通过学习机械原理，学生可以获得的技术能力有：基础知识应用能力，例如数学与自然科学等基础学科知识应用；工程实践实验能力，利用工程思维解决工程问题、同时强调动手实践实验、团结协作、自主学习及独立思考与判断的能力；方案设计设计，强调技术创新，思维创新；综合运用多学科理论、各种技术和现代工具使用，例如标准、文献、工程软件等；研究开发能进行机械系统设计能力(含科研思维与科学素养)。根据以上分析课程目标定义如表1所示。

表 2 课程目标、教学环节对毕业要求的支撑

以学生学到什么为前提和准则，学生从学科知识的学习到熟练应用，针对工程现象问题能有效地提出解决方法，并独立思考与判断。教师围绕课程目标达成进行合理有效的教学环节设计，课程目标体系与教学环节设计支撑机械专业毕业要求如表2所示。

三、基于雨课堂混合式教学

课程改革是对课程内涵与外延的重构。“双一流”高校的教学过程通过在线课程解决课程共性教学，用微课和理论课堂讲授解决特色教学[5]234。针对同等水平应用型普通本科院校的学情，学生各科基础与“双一流”高校比较相对薄弱，校内在线课程未建设完善，采用各类教学方式，如课堂教学、信息化教学、现场教学、实验课、项目训练、习题课、讨论课、自主学习等。在每次理论课堂的伊始，以小练习作为导入兼顾旧知识点，经统计发现学生作答情况一般，教师把精心制作的课件通过各种途径方法讲授清楚，但学生学习成效达不到预期的效果。其中信息化教学利用雨课堂平台，这是清华大学与学堂在线推出的一款高效便捷的智慧教学工具[6]72，该工具与手机微信、PPT相融合，将课程教学环节的每一项任务及相关课件推送到学生的手机上，学生按时完成，科学地覆盖了课前、课上及课后三模块；针对每一模块均有后台数据统计，教师能够及时掌握学生的学习情况及学习效果，为教师与学生的沟通互动提供了便携途径，受到广大高校的青睐与使用。以学生学习目标为中心、以学习成效为中心、以学习需求为中心，理论内容和实验、仿真实践课均利用雨课堂开展混合式教学，策略如下。

(一)课前预习

重新制作课前预习课件。优先选用爱课程平台，其中大量“双一流”高校精品在线课程免费观看，推荐机械原理名师慕课引导学生进行课前预习。借助哔哩哔哩、优酷、腾讯等视频网站，下载视频资源或者制作仿真动画，在预习课件中设置相关视频链接；同时在课件中添加练习题，以填空题选择题为主上传至雨课堂，发布预习任务，预习完成情况可在预习反馈报告中看到。例如全部学生线上预习观看课件的时长、观看的课件页数、学习时间分布、作答测验题的得分情况，教师均可在详细数据中看到统计情况，预习环节作为平时成绩的评价依据之一。预习情况后台数据统计如此精细，从中看出学生的学习态度完全不同，部分学生利用较长时间预习，并提出问题等待教师回复，部分学生未预习。预习情况和期末成绩成正相关。

(二)课堂讲授

课上环节主要以理论讲授为主，采用信息化教学方式，围绕相关案例系统地设计教学课件，配合基础知识点，添加简单程度的测试题。依据预习效果及课前反馈着重讲授重点难点部分，为保障课堂效率，使学生充分理解相关知识点，推送练习题。此类题型以考察基础知识掌握情况为设计目的，题型主要是选择题，在有限的时间内作答，收题，通过后台数据统计正确率，教师及时发现学生的学习瓶颈；跟随课堂知识点的讲述进度教师发起提问，学生发送弹幕回答问题，也可将疑问及反馈发送至弹幕中，此种课堂设计方式不仅能有效实现师生交流互动，还带动全班的学习氛围，提高学习兴趣，学生分享感悟，是其它在线课程不能媲美的。线上教学资源尽管可以发送问题，但慕课名师团队回复需要等待一段时间。因此，利用雨课堂的课堂教学可及时为学生解决困惑，更有利于教师掌握学生学习情况，为师生互动提供了便利条件，有效提高了学生的课堂学习效率。

(三)课堂内容的减法

做好线下教学与线上学习的教学融合，协调课程资源、平台和方法，提高教学质量，突出教学特色，实现混合式教学。原来的课堂教学设计流程如图1所示。通过导入案例引出新知识点1、2、3，同时穿插2、3的推广应用，最后总结本节课程主要知识点，反馈已解决案例中提出的问题，最后总结及引申。为了探索混合式教学方法，授课内容势必要缩减，但课堂教学效果做加法。缩减流程如图2所示。

图 1 课堂教学流程1

图 2 课堂教学流程2

教师于课前将课堂知识点以发现问题、找出导入点、学生分享心得、解答疑惑的顺序设计好，抽丝剥茧，由表及里，将导入、推广应用、总结部分放到课下。学生依据雨课堂任务发布进行课前预习时，通过做预习题即可发现疑问，课堂中重点讲授知识点，课下及时总结知识点及作相关练习题加以巩固，同时观看教师在雨课堂平台上关于相关知识点的推广应用案例，加深理解。

以第八章内容连杆机构第1学时为例，课前将连杆机构在古今生活、工业工程中的应用案例、连杆机构基本类型和演化类型的案例及慕课视频链接上传至雨课堂，学生通过预习总结连杆机构的结构特点及应用，同时感受大国工匠精神，科技在机构中运转，机构不仅承载着辉煌的千年历史，承载着科技传承的民族精神。课上教师主要讲授连杆机构的优缺点、演化类型的演化方法及曲柄存在的条件，主要讲授大约30分钟，余下时间用于课堂随堂测验、发送弹幕分享感悟，教师解答疑问。课后，教师将课堂总结及连杆相关知识点推广知识上传至雨课堂，可看到雨课堂课后总结反馈情况。通过此种教学设计，教师能够获取每个学生预习和复习情况，学生用弹幕回答问题的情况，学生对课堂PPT的反馈情况，每页中有哪些不懂，每位学生对每道练习题回答情况，同样可获得课堂反馈报告。

(四)线上线下教学融合的节奏

为使学生对课程保持新鲜感，全身心投入到学习中，课堂教学内容和线上学习内容相互支撑与补充。整个学期教学课堂中利用雨课堂推送大约100道练习题，占到期末总成绩的5%，有利于学生课上集中精力，提高课堂效率，保持危机意识。课堂中每道练习题结束后立即展示全班作答情况，让学生看到得分情况，课堂内每一分钟都保持紧张感。为了保持学生的学习兴趣，多数学生获得成就感，课上推送题目比课后作业相对简单，得分率较高。对于难度适中的题目回答正确额外加分，并推送到全班学生手机上，让部分学生获得荣誉感，以此激励其他学生。

四、教学评价

教学评价主要包含考核与评价两项内容。有效的课程考核越来越强调相对完整、形式多样的过程考核，以促进学生自主学习。完善的课程评价则要求学生和教师能定期评价学生的课程学习效果，特别是针对教学目标达成进行评价。评价过程融合知识、情感及能力相关评价。考核方式主要由平时成绩、期末考试、课程设计、实验、虚拟仿真实验四部分组成。其中平时成绩占比5%、期末考试占比60%，课程设计占比20%，虚拟仿真占10%，实验占比5%。评价方式，主要围绕课程目标、毕业要求目标进行，对各教学目标评价方式如表3所示。其中，每一项都有评价标准。

表 3 各教学目标的评价方式

平时成绩模块，包括课前预习统计情况，课堂中随堂练习统计情况，课后雨课堂总结三部分。课程设计模块，可选择教师指定题目，或者自拟题目班级分组，时间安排在教学学期的第八周以后，持续八周的时间，其中最后一周提交设计报告、答辩PPT、相关仿真动画视频，结合大学生创新创业计划或其他科创比赛，有经费支持的小组可提供实物样机模型，促使学生踊跃报名参加本校创新实验室，通过参赛培养创新能力、应用能力及团结协作能力。课程设计评价标准分为五档如下：一档18—20分：有明显创新、功能性模型样机、文档完整、答辩效果好。二档15—18分：有创新、功能性模型样机、文档较完整、答辩效果较好；三档10—15分：有模型样机、文档较完整、答辩效果尚可；四档6—10分：只有仿真模型、文档及答辩效果一般；五档6分以下：无仿真模型、或文档及答辩效果差。

在使用现代工具方面，掌握相关仿真软件，例如MATLAB或者ADAMS，熟练运用编程C语言。由线上慕课视频自学ADAMS基本使用方法，课外安排上机指导，以提高学生解决工程问题能力为目标，虚拟仿真类分为原理赏析类、分析验证类，并建立相关资源库。利用ADAMS等软件完成机构运动学及动力学仿真分析。在扩展机构运动参数测试实验内容，学生除完成构件位移、速度及加速度等参数的测试外，需建立机构的虚拟样机模型，完成运动仿真分析，与实验结构进行对比。利用最熟悉的CAD软件完成机构的图解法设计和分析，并建立机构运动设计为主的习题库。利用MATLAB完成凸轮轮廓曲线的设计等等。以2018级夏季班48人教学班为例，针对5个目标，每个目标平均分初步统计，每项目标的达成度，如图3所示。

图 3 课程目标达成度

图3表明课程目标1、4相对较低，原因之一期末试卷教考分离，题库出题，总体偏难；该年级学生相关软件使用熟练程度及编程语言基础薄弱，后续需加强。课程目标3达成度一般，表明学生查阅、标注文献的能力有待加强。为使学生对课本内容熟练掌握，虚拟仿真实验部分需要提高，加强开展基于雨课堂混合式教学的课前课上课后三个环节的总结考核很有必要。

五、总结

机械原理课程在工程教育认证和新工科建设标准要求下，按OBE理念转型升级，以学生学习目标、成效及需求为中心，对机械原理课程目标、混合式教学策略分析及教学评价等方面提出了改革的方法，提出了发现瓶颈、分享感悟、解决困惑的设计思路。基于优质慕课、雨课堂工具实现混合式教学是明确的教改方向，用雨课堂外推慕课，课内翻转课堂在线交互，可满足多种不同的教学目标，能有效为其他机械专业课程改革提供了教改参考。课程建设是长期艰苦的任务，在建设过程中不断总结和改善，能够有效地推动学科建设。