机械实验教学混合教学模式的研究与探讨

陈勇 李娇 陈晓红

摘  要：针对机械实验教学中心传统的教与学现状，基于互联网+教育的新模式，对以学生为中心、线上线下混合式实验教学模式进行了研究。通过建设线上云平台中心，按需部署机械实验教学各类应用软件与仿真软件，构建基于互联网的线上线下混合式机械实验教学新模式，实现教师与学生共享实验教学资源，学生可随时随地自主学习，教师可持续优化教学资源以及改进教学方法。

关键词：云平台；线上线下；自主学习；混合教学模式；传统教学

中图分类号：TP39；G642.0 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）06-0186-04

Research and Discussion on the Blending Learning Mode of Mechanical Experimental Teaching

CHEN Yong， LI Jiao， CHEN Xiaohong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan  442002， China）

Abstract： In view of the traditional teaching and learning status of the mechanical experiment teaching center， based on the new mode of Internet + education， the student-centered， online and offline blending experimental teaching mode is studied. By constructing an online cloud platform center， deploying all kinds of application software and simulation software for mechanical experiment teaching as required， and building a new internet-based online and offline blending mechanical experiment teaching mode， teachers and students can share experimental teaching resources， students can learn independently at any time and anywhere， teachers can continue to optimize teaching resources and improve teaching methods.

Keywords： cloud platform; online and offline; autonomous learning; blending learning mode; traditional teaching

0  引  言

在《國家教育事业发展“十四五”规划》中提到，建成“互联网+教育”大平台，构建“互联网+”条件下的人才培养新模式，支撑各类创新型教学的常态化应用[1]，推动优质教育资源开放共享，发展基于互联网的教育服务新模式。在教育行业中，使用互联网技术对传统教学方式的改革已经非常广泛，出现了很多基于互联网的线上教育平台，如慕课、超星学习通等教学平台，使用了丰富的多媒体技术、虚拟仿真技术等，使教学具有了信息化、智能化、移动化的新特性。但在课程对应的实验教学中，大部分教学还是传统的教与学的模式，不符合当前大学生对教学工具、教学形式的多样性需求，需要不断推进基于互联网的实验教学改革。

1  机械实验教学中心的实验教学的现状

湖北汽车工业学院机械实验教学中心承担着机全校机械设计制造、汽车、材料等多个专业课程实验教学，主要有机械原理、机械设计、CAD技术基础与应用、CAE技术基础与应用、数字化设计制造等所有专业课程的实验教学任务，如图1所示。

作为教学中的实验教学环节，中心的实验项目还是传统的教与学的模式。教学中学生根据实验指导书完成实验预习、实验操作、实验报告这三个教学环节，存在学习形式单一、实验设备操作不足（设备台套有限）、课后无法回顾等问题[2]。学校现用的超星学习通等网上教学平台，在涉及实验课程中基于3D的VR虚拟实验仿真系统效果很不理想，CAD/CAE课程的上机软件（CATIA、UG、中望3D、ANSYS）上机环境构建困难；使用基于互联网的高校共享虚拟仿真实验室平台，但由于涉及每个学校实验设备硬件条件不同、实验要求不同，使用效果一般。机械专业实验教学中普遍存在学生无法进行线上实验预习、仿真操作、课后复习与提交报告的过程。也存在任课教师、实验教师、学生三者沟通困难，资源不能共享的现状。

2  机械实验教学中心混合教学建设的意义

针对机械实验教学中心教学现状，构建基于云平台中心的混合教学方式，建设实验中心信息化、智能化共享硬件平台与实验室信息化、智能化仿真资源，以改革教法，强化实验操作，推进实验教学建设，丰富实验教学资源，简化实验环境准备工作，实现学生为中心，因此，实现基于互联网的教育技术的混合教学新模式具有重要意义[3]。

3  机械实验教学中心混合教学模式建设方案

机械实验教学中心混合教学模式建设中，转变教与学的方式，尤其是转变学生的学习方式是本项目的核心任务之一，目的是转变实验教学方式，改变学生在学校里的学习环境，培养学生的学习自主性和创新实践能力，以学生为中心，实现实验教学信息共享（随时随地访问），实验教学过程合理（线上、线下），实验操作“智能”（VR、仿真、创新），实验教学结果实时反馈的研究内容，实现任课老师、实验教师、学生完全可以共享实验资源。

任课教师可以通过平台详细了解实验项目的内容和效果，合理的修订教学大纲。实验教师可以通过平台改革实验教学过程，持续丰富实验教学资源，提高实验教学质量，基于OBE形成一個闭环的实验教学反馈系统；学生可以随时随地便捷访问平台资源，及时完成实验预习和课后复习，实现实验过程中“课前预习，课后复习”为线上模式，以提高学生多渠道多形式自主学习为目标，构建基于校园网的线上线下混合实验教学模式，在教与学中充分发挥信息技术的优势，给学生更多的主动性和自由，实现从以教师为中心向以学生为中心转变；机械实验教学混合教学模式建设方案如图2所示[4]。

4  机械实验教学中心混合教学建设内容

4.1  实验室线下资源建设

机械实验教学中心根据专业认证要求在2016—2021年度期间完成了机器人、机床装备与液压气压等实验室线下资源建设，计划2022—2023年度建设机械原理、机械设计、CAD/CAE等课程线下实验资源建设。其中，机械原理实验共9学时，4个实验项目（机构认识实验、机构运动简图的测绘与分析实验、齿轮范成原理实验、机械运动方案设计与搭接实验）计划购置相应的实验设备共3种（机构运动试验台、齿轮范成试验台、机械运动方案设计与搭接试验台）。机械设计实验共8学时，5个实验项目（带传动实验、螺栓联接实验、滑动轴承实验、减速器拆装实验、组合式轴系结构设计与分析实验），实验设备4种（带传动实验台、螺栓联接实验台、滑动轴承实验台、组合式轴系结构设计与分析实验箱）。CAD/CAE课程实验软件有国产中望3D和HyperWorks软件，每个实验设备配套有虚拟仿真实验系统，能够满实验教学要求。

4.2  机械实验教学线上云平台中心建设

4.2.1  云平台中心建设

机械实验教学中心线上云平台中心由GPU高性能服务器、分布式云存储系统、高性能开放实验平台系统、3D云桌面系统、云终端设备五个部分组成。云平台中心结构构架如图3所示。

线上共享实验平台建设是基于HPC的开放云平台实践环境，如图4所示。HPC桌面云数据中心为教师与学生每人交付一台GPU云电脑及个人专属云存储空间，可以在任意终端流畅地运行各类VR虚拟仿真实验或高性能CAD/CAE应用。线上学生通过终端设备登录自己的GPU云电脑账号，在寝室、图书馆或是家中，随时随地便捷访问共享的开放实验项目仿真资源，及时完成实验预习，了解实验内容与设计实验方案。线下学生完成实验操作后，可以随时访问共享的开放实验项目仿真资源，复习总结实验过程，撰写提交实验报告。线上线下混合教学极大拓宽了学生自主学习时长，实现实验课内外无缝对接。成为可运行机械设计、机械原理等实验仿真系统及CAD/CAE的高性能开放云平台中心[5]。

IaaS层，按需配置多台GPU高性能服务器，构建GPU集群超算云资源池，前端为实验实训机房的瘦终端设备或利旧机房低配旧电脑。服务器通过接入实验中心的汇聚交换机与校园网核心交换机相连，以保证全院的师生在实验教室之外、接入校园网的任何终端登录个人工作空间，即可获得高性能的应用服务。

PaaS层，采用高性能开放实验平台系统及云桌面系统搭建新工科开放实验平台，为各类实验实训软件提供承载与运行环境，以微服务架构，针对不同课程的实验需求，一次性批量交付大量一致的实验教学云桌面应用环境。

SaaS层，应用承载库可支持上百个实验仿真资源应用集中部署，并以单一实例方式实现应用发布、应用升级及应用运维，且可扩展。满足实验教学的多个实验项目仿真应用场景下的各类虚拟仿真实验等教学得以顺利开展。

机械实验教学中心与武汉兴和云公司达成了基于云平台构建的共享实验体系的协议，进行了方案论证与功能测试，在2022年度初步完成了平台基础的建设，云平台中心如图5所示。

4.2.2  实验项目智能化应用资源建设

主要实验项目智能化应用资源如下：

（1）实验设备自带项目仿真资源。实验室线下资源建设中设备厂商都开发了与实验设备配套的实验项目VR和虚拟仿真实验，可以满足学生使用该系统进行实验项目仿真，将实验虚拟现实技术与传统的实验设备紧密结合，将实物模型与虚拟动画模型结合，构造一个虚实结合的实验环境，充分展示其实验设备操作与实验过程原理及特点，让学生在虚拟实验台上大胆动手，充分操作，使实验操作具有智能化，是共享实验资源。

（2）工程软件。CAD/CAE实验课程上机需要使用大量工程软件，主要有中望3D、CATIA、Hyper-works、Math-Lab等。这些工程软件对机器配置要求高，安装和配置过程复杂，是共享上机资源，如图6所示。

（3）教师制作教学资源。理论教师根据教学大纲要求制作实验教学大纲与考核标准，实验教师根据教学大纲实验要求制作的教学资源，主要有实验指导书、实验设备操作视频、软件操作视频、建模分析视频等，图7是自己制作的插补原理仿真实验资源。实验教师还可以对实验课程内容进行扩展，制作创新性的实验项目资源供学生选做，加强学生工程实践能力和研究精神。

5  结  论

机械实验教学云平台中心支持专有的实验设备。机械实验教学中心在2016—2022年度期间采购的实验设备来自不同区域、不同厂家，实验设备区别较大，不同设备的虚拟仿真操作也都不相同，比如机械原理与机械设计的实验设备分别采购的湖南佳讯公司和杭州星辰公司设备，系统自带的仿真软件各不相同。通过机械实验教学云平台中心合理配置各种仿真软件，云平台就根据师生需求动态并合理地分配实验教学资源，根据不同课程实验项目仿真要求，按需封装成不同的实验项目资源容器，自由组合，灵活便捷交付所有学生使用。后期可以进一步扩展专用实验设备的仿真资源和自建资源，满足实验内容和教学手段的不断发展与更新。

机械实验教学云平台中心实现了师生共享教学资源。云平台可以根据师生需求动态并合理地分配实验教学资源，支持了机械原理与机械设计虚拟仿真实验、CAD/CAE等高性能应用；在2022年的“CAD技术基础与应用”等实验课程中，使用效果良好。

机械实验教学云平台中心实现了混合实验教学的新方法。基于云平台中心的机械实验教学转变了实验教与学的方式，改变了学生在学校里学习环境，培养出来的学生能够比传统方式培养出来的更具自主性和创新实践能力。今后在机械实验教学中可以进一步通过改革教法、强化线上线下实验方法，丰富实验教学内容，简化实验环境准备工作，构建基于信息技术的实验教学新方法、发展基于互联网的教育服务新模式。

参考文献：

[1] 王创.以数字教材规模化应用促进信息时代的“课堂革命” [J].教育信息技术，2019（1）：3-6.

[2] 王淑静，王文琴.给排水科学与工程专业《水分析化学》实验教学探索研究——以天津大学仁爱学院为例 [J].居业，2019（2）：133+135.

[3] 陈为满.“互联网+”背景下高职软件专业课程教学模式研究 [J].数码世界，2018（11）：157.

[4] 刘敬露，王国超，杨晓.基于混合学习的工业机器人实践教学模式研究 [J].实验科学与技术，2018，16（1）：99-101+106.

[5] 蒋玉宇，刘镇.基于云平台的02O实验教学体系构建 [J].实验室研究与探索，2016，35（10）：188-191.

作者简介：陈勇（1972—），男，汉族，湖北十堰人，高级实验师，学士，研究方向：数字化设计与制造、智能制造、高等教育实践教学。

收稿日期：2022-10-03

基金项目：教育部产学合作协同育人项目（202102213049）；教育部产学合作协同育人项目（202101354014）；教育部产学合作协同育人项目（220604555293718）；湖北省高等学校实验室研究项目（HBSY2021-19）