翻轉機械設計基礎課程設計課堂的實踐探索

劉后廣　楊建華　劉送永　程志紅

摘要 機械設計基礎課程是培養學生綜合設計能力的重要課程，但實際教學中存在課時少、師生互動不足等問題。引入翻轉課堂教學模式，并設計針對該門課程的教學過程。實踐結果表明，翻轉課堂的引入提高了學生的自主學習能力、團隊協作能力及獲取網絡信息的能力。

關鍵詞 機械設計基礎；課程設計；翻轉課堂；信息技術

中圖分類號：6642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0018-03

1 引言

機械設計基礎是近機械類專業的一門必修主干課，其課程設計是該課程的配套教學環節，用于培養學生獨立運用所學知識綜合分析、解決實際工程問題的能力。可見，機械設計基礎課程設計的訓練對學生將來的技術工作具有深遠的影響。然而，傳統課程設計由于課時短，且與考試周重合，造成學生實際學習時間不足、指導教師與學生缺乏互動等問題，嚴重影響了課程設計的完成質量。如何提高課程設計，一直是該門課程任課教師不停探索解決的問題。

《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》指出，高等教育信息化是促進高等教育改革創新和提高質量的有效途徑，是教育信息化發展的創新前沿。高校要促進人才培養模式創新，就必須創新信息化教學與學習方式，提升個性化互動教學水平，創新人才培養模式，提高人才培養質量。故對機械設計基礎課程設計的教學創新改革，應積極探索現代信息技術與傳統教學方法的整合。翻轉課堂（Flipped Classroom）作為一種新型的基于信息技術的教學模式，為該門課程的教學改革提供了一個新的思路。本研究通過進行一個學期的教學實踐，在2013級材料科學與工程專業學生的課程設計中，探索適合該課程性質的翻轉課堂教學流程，力圖提升學生的綜合分析及設計能力。

2 機械設計基礎課程設計存在的問題

教師課程設計講解時間不足 機械設計基礎課程設計是針對非機械專業的課程，安排的時間從1周（如采礦工程專業）至3周（如材料科學與工程專業）不等。而該門課程涉及的專業知識較多，很多參數的確定還需要結合工程經驗，近機類專業的學生之前相關制圖等訓練又較少，進而造成所補知識較多，所給課程設計時間很難完成工作要求。如所教采礦工程專業的學生，在進行課程設計時，沒有材料力學的基礎，無法展開齒輪、軸、鍵等強度分析和校核，教師僅僅補充該相關知識至少需要6個課時。

此外，課程設計通常安排在期末，與考試周重疊，學生將會占用很多課程設計的時間復習去參加其他課程的考試。最終，能真正參與教師講解課程設計的時間大大減小。

教師與學生有針對性的互動少 如前所述，課程設計往往與考試周重疊，該期間學生往往忙于應付考試，對課程設計的預習及資料的查閱不足。但課程設計遠高于機械設計基礎課程，其理解需要基于很多背景知識的補充。而這些知識的量過大，教師無法在課堂上講解。最終，白天教師對課程設計講解時，學生因為沒有做好充足的準備，無法與教師很好地互動，通常被動吸收。與此同時，學生由于沒有提前開始課程設計內容，無法提出針對性的問題，教師也無法及時、準確評估學生對所授知識的掌握情況，控制教學進度。

3 實施翻轉課堂教學模式過程

針對上述傳統機械設計基礎課程設計教學模式存在的問題，且考慮到翻轉課堂能夠將“預習時間”最大化，延長教與學的時間，探索了翻轉課堂教學模式在該門課程中的應用。首先，將講解內容根據進度分解為11個微課視頻，再通過學生課前自主學習、課中協作學習、課后反饋評價3個過程，提高學生課程設計學習質量。其具體實施過程如圖1所示。

發布教學視頻和資源 根據機械設計基礎課程設計的教學目標，將課程指導劃分為8個單元，即傳動方案設計、電機選型、傳動比分配及各軸主要參數計算、帶與帶輪設計、齒輪設計、軸設計、裝配圖繪制、零件圖繪制。再針對各單元，將各單元對應的課程設計任務進行分解。如將軸設計單元分解為軸的材料選擇、軸結構設計、軸強度校核等任務。針對各子任務，規劃其對應的學習目標、學習內容、重點和難點、參考資料，并相應地錄制微視頻課程。每個視頻錄制時間控制在50分鐘以內，方便學生學習。對于普遍存在的關鍵問題，另外單獨錄制視頻，重點講解，如軸承具體型號的選擇過程。除錄制視頻，還根據每單元內容，整理相關參考資料，供學生設計時查閱。

通過建立的QQ課程群，將錄制的視頻、整理的資料發布。QQ群提供較大存儲量的共享空間，將錄制的視頻放于QQ空間中都會自動提醒群會員更新，方便學生下載學習。在發表視頻課程時，每次僅僅更新一個單元內容，并配上相關參考資料。在該單元內容結束后，再更新下一單元的內容。

學生課前自主學習

機械設計基礎課程設計工作周，學生被安排在專門的課程設計教室繪圖，任課教師每天上、下午集中一、兩次輔導。基于此作息時間，安排學生于晚上自主學習課程QQ群中發布的視頻，即學生結合每單元任務，課后自主安排學習時間、學習地點（優選宿舍，以便于相互討論）觀看教學視頻，自主學習。觀看過程中，學生可根據自身的學習情況及內容的難易，決定視頻播放的次數。看完視頻后，學生結合視頻指導，完成本單元對應的課程設計內容。視頻中的疑點及設計過程中遇到的問題，隨時記錄下來，在QQ群中與同學進行討論。教師關注群中討論的問題，對一般的問題，在群中加以輔導；對關鍵難點問題，記錄下來留課堂集中講解。整個過程中，學生需要根據學習的內容及自我設計過程不停地與同學、教師進行交互，進而擴展、構建深度知識。

課中針對問題協作學習 指導教師針對QQ群中討論得出的關鍵難點問題，課中采用拋錨式教學引導學生進行相互討論，促進學習共同體的形成，并最終確定具體解決方案。因學生在課前都已提前完成相應單元的課程學習，且都進行了相關設計，對所提問題都有一些直觀認識和個人的看法。這些前期基礎使得這種課堂討論相對于傳統教學模式下的討論效果更好。該討論將引導學生主動思考，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。在討論過程中，指導教師需把握好方向。具體解決方案得出后，再安排學生對前期自學開展的課程設計內容進行相應的補充和修改。對學生課程設計修改過程中遇到的問題，指導教師再進行個性化輔導。

課后評估教學效果 對學生課下的自主學習狀態、課程設計完成情況，指導教師應及時給予準確評估。一方面，通過課堂上學生參與討論的表現及課下QQ群討論情況來評價；另一方面，在完成每一單元課程設計任務后，要求學生將設計手稿拍攝作為電子文檔發給教師，通過評閱該電子手稿來評估學生的實際知識掌握情況。在評估過程中，對發現的課程設計問題及時進行糾正、課堂講解。此外，對該教學模式實踐存在的問題及時進行教學反思，對教學方案的實施過程及視頻課程的錄制進行改進，并進一步完善教學資源。

4 翻轉課堂實踐效果

針對課程設計往年存在的問題，于2014-2015學年第2學期，對中國礦業大學材料科學與工程專業2013級1、2班的機械設計基礎課程設計開展翻轉課堂教學實踐。在三周的課程設計過程中發現，相對于傳統教學模式，翻轉課堂實踐中的學生更加注意自己的學習過程；此外，在整個過程中，學生得到溝通交流、團隊合作、信息處理等能力的培養。從課程設計最終圖紙和說明書的完成質量及學生答辯情況來看，學生對該設計過程的掌握程度得到較大的提高，不再有往年出現的基本問題回答錯誤的現象，圖紙、說明書完成較好。

學生對翻轉課堂教學模式的實施也給予積極的評價，認為該教學模式下的課堂比傳統課堂內容更加豐富，與同學及教師的溝通更加密切。如材料13-2班的陳琦同學評價說：“這次課程設計過程中，老師始終在我們身邊指引我們方向，讓我們學會怎樣解決問題；讓我知道如果在工作中遇到問題，應該怎樣試著自己去解決或者是和同學交流一起進步共同解決。相信我們每個人在這次設計中都學到了很多，能在出校門之后，遇到問題知道怎樣去尋找解決之道。收獲的不僅僅是書里面的東西，更多的是以后生活工作中的面對問題的心態和處理問題的能力。”而材料13-1班的吳睿哲同學評價說：“這門課是我上大學以來上的最認真且課堂氣氛最活躍的一門課。此外，這門課也是唯一一門讓我們寢室所有人晚上一起鉆研的課程。”

發現在翻轉課堂模式在機械設計基礎課程設計實施過程中也存在一些問題。首先，翻轉課堂雖然節省了教師課堂上的時間，卻花費學生大量課后時間。而對部分專業來說，課程設計所給時間過少（如采礦工程專業僅1周），且與考試周重疊，課后學生往往需要把時間用于考試復習，不利于翻轉課堂教學模式的應用。針對這個問題，特別是課程設計僅1周的專業，后期將嘗試結合課程設計嵌入課堂的方案加以解決，即在機械設計基礎課程進行過程中便開展課程設計，從而為學生爭取更多的時間。其次，翻轉課堂對學生自主學習能力提出較高的要求。翻轉課堂需要學生在主動觀看視頻的基礎上查找資料，開展課程設計；總結問題，并在QQ群中及課堂上與同學、教師討論。整個過程的完成，都需要學生具有良好的自主學習能力和信息獲取能力，而這些遠遠高于傳統教學模式對學生的要求。此外，翻轉課堂教學模式也對視頻制作及教師教學方法提出較高的要求，需要進一步針對性地改進。

5 小結

針對機械設計基礎課程設計課程傳統教學模式課堂教學時間不足、教師與學生互動少等問題，本實踐試著探索翻轉課堂教學模式在該門課教學上的應用。首先根據教學目標將課程設計分為多個單元，再對各單元進行任務分解；在此基礎上，制作錄制相應的視頻課程、整理參考資料，并將其上傳至QQ群共享空間中，安排學生課前自主學習；課堂上，通過拋錨式教學方法引導學生主動學習；課后，再對每個單元的課程設計完成效果及時進行評價和反思。通過對中國礦業大學13級材料科學與工程專業1、2班的實踐，結果表明，翻轉課堂教學模式的應用激發了學生的學習興趣，提高了學生的自主學習能力、團隊協作能力及獲取網絡信息的能力，有利于學生綜合素質的提升。