“互聯網+”背景下的機械設計基礎實驗教學新模式

桂 亮， 趙衛軍， 金 悅， 郭 婷， 權雙璐

(西安交通大學 機械工程學院，西安 710049)

0 引 言

2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中首次提出制定“互聯網+”行動計劃。推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場[1]。該計劃一提出，立即引起全社會的廣泛關注。互聯網正跟傳統產業融合，互聯網金融、互聯網交通、互聯網醫療、互聯網教育等新業態正是互聯網與傳統產業人融合的產物[2]。目前各行各業都在思考如何將“互聯網+”行動計劃結合本領域實際狀況，將各項工作更好地開展和推動。教育行業也不例外，樊未晨等[5]撰文暢談互聯網模式下的教育發展方向。喬玉婷等[6]從大學功能的教學、科研和服務社會三個主要方面探討“互聯網+時代”對高等教育管理的影響并提出對策建議。沈義民[7]探討了用“互聯網+”思維建設本科生創新實踐新環境。杜剛等[8]針對互聯網的開放式創新實驗室工作模式進行了探究。郝建新等[9]探討了互聯網+背景下SPOC模式電類實驗教學。本文從事機械設計基礎的實驗教學工作已有多年，結合“互聯網+”行動計劃，近年來與教學團隊一起對該實驗課程的教學模式進行了深入的思考，提出了在實驗教學過程中的若干環節應用各類新媒體技術，增強學生的學習積極性，拉近師生之間的距離，大大提升了實踐教學效果。

1 實驗教學特點及存在的問題

1.1 特 點

實驗教學是理工科教學重要的組成部分, 除了起到使學生加深對理論知識的理解、對課堂上教授的理論知識的驗證作用外, 更重要的是培養學生工程意識、工程實踐動手能力、理論聯系實際能力、分析和解決問題的能力, 從而啟迪其創新思維[10]。

實驗教學和課堂理論教學的不同在于，課堂教學是講授抽象的理論知識，傳授知識體系，強調符號系統的邏輯性，屬于陳述性知識；而實驗教學則是將課堂知識運用到實際中解決問題，強調具象思維，屬于過程性知識。實驗教學環節是不可替代的[11]，它的難點就在于教會學生運用理論知識去實踐，用自己的雙眼去觀察，用自己的雙手去觸摸，用自己的頭腦去認知。以游泳為例，僅有游泳的理論知識，知道游泳的步驟和動作，如果不下水游，永遠只能是旱鴨子。因此，實驗教師需要通過實驗教學方法和實驗教學手段的改進來引導學生、啟發學生，從而提升實驗教學的效果。機械設計基礎是一門綜合性和實踐性都很強的課程。該課程設置的實驗是重要的實踐環節，可以幫助學生加深對理論知識的理解與應用，培養學生運用實驗方法研究解決機械類專業復雜工程問題的能力。

1.2 存在的問題

我校機械設計基礎課程是在機械原理和機械設計兩門課基礎上重組整合而成。該課程是面向機械、能動、材料、核工程等機類、近機類專業開設的大面積專業基礎課(每年機械設計基礎40余個班級)，在其培養目標中，起著承前(基礎知識)啟后(專業知識)的作用，與該課程配套開設的實驗包括縫紉機機構分析、機構創新設計與搭接、基于創意組合模型的產品運動系統方案設計、齒輪范成、帶傳動分析、回轉構件的動平衡、軸系的設計與組裝、機器和機構陳列室現場教學、機械零部件陳列室現場教學等實驗。目前，該課程實驗教學主要存在以下問題：

(1) 部分學生習慣于按照實驗指導書的操作步驟做實驗，缺乏主動性，動手實踐能力有待加強。學生缺乏動手能力的原因是多方面的，其中一個原因是驗證型的實驗教學內容造成的[12]。新版教學計劃大大增加了綜合性實驗的比重，如何精心設置實驗環節，引導學生將學到的理論知識和實際應用聯系起來，加強工程應用與拓展，值得探索。

(2) 新版教學計劃將機械工程學院10個班的機械設計基礎課程從大三上學期提到了大二下學期，且實驗學時增加了課外8學時。春季學期該課程的班級數達到近30個。加上我校實行三學期(春季學期、秋季學期和小學期)，春季學期較短。因此，實驗時間的安排、協調極為困難。

(3) 實驗教學環節缺乏反饋機制和溝通互動平臺。

2 “互聯網+”下的實驗教學新模式

互聯網+背景下的實驗教學，主要是利用新媒體的特點，將其應用到實驗教學中，具有交互性、即時性、共享性、社群化等特點，是傳統實驗教學模式所不具備的[13-14]。它能使學生處于“主動、開放、較自由的狀態”。這種主動、開放、自由的狀態體現了學生的主體地位，學生在這種狀態下進行實驗，積極性將得到很大提升[15]。

2.1 豐富實驗教學內容和環節

利用新媒體平臺可以多種途徑傳遞文本、音頻、圖片、視頻以及其他多媒體內容的特點，將其引入實驗教學環節中，豐富實驗教學內容。以“縫紉機機構分析實驗”為例，該實驗安排在第7章凸輪機構內容講完之后，主要設置了如圖1所示的實驗內容和環節。

圖1 縫紉機機構分析實驗內容、環節設置

(1) 在課堂講授機構部分相關理論知識的同時，通過“機械設計基礎實驗教學信息平臺”微信公眾號向學生推送來自“機械美學”的文章“懷舊之美——老式縫紉機，還記得小時候的噠噠聲么？”[16]以及縫紉機機頭部分的運動畫面(見圖2)。

通過縫紉機的發展史：“從1755年，德裔英國工程師Charles Fredrick Wiesenthal發明了一臺能輔助縫紉藝術的機械。1790年，美國木工Thomas Saint發明了世界上第一臺先打洞、后穿線、縫制皮鞋用的單線鏈式線跡手搖縫紉機。到1844年，英國的John Fisher將一個世紀以來不同的創造成果組合在一起，發明了真正意義上的第一臺現代縫紉機。再到1851年，美國人Isaac Merritt Singer設計了上下運動的滑梭，獲得了鎖式線跡縫紉機的專利；在這期間，美國人Wilson跟Nathaniel Wheeler合伙開始生產使用旋梭縫紉機；1859年，勝家公司發明了腳踏式縫紉機；1889年，勝家公司又發明了電動機驅動的縫紉機。”學生可以了解一個產品不斷改進的過程，并進行思考“如何通過設計使得產品的性能不斷改進？”同時，結合推送的縫紉機機頭部分的運動動畫，學生對機頭部分的工作原理進行了解。

(2) 學生從中心網站或者QQ群自行下載實驗指導書進行預習。了解實驗目的和要求，對縫紉機機頭部分包含的四大機構：針刺機構、擺梭機構、挑線機構、送料機構進行初步了解。搞清楚每個機構都包含哪些構件？如何選取合理的視圖平面？

(3) 進入實驗室后，在實驗教師的指導下，學生針對縫紉機機頭實物進行機構分析并測繪機構運動簡圖和機構運動循環圖。

(4) 課后通過QQ群交流反饋。

通過以上實驗內容和環節的設置，幫助學生掌握機構分析及表達機構的結構組成方法，感受機構設計的巧妙以及設計在產品改進過程中的作用。

2.2 提供了解工程應用背景和前沿研究方向的平臺

通過公眾號可以推送和課程知識相關的各種工程實際應用的炫酷視頻或者當前科技前沿研究信息(見圖3)。例如，關于彈性皮帶在汽車中的應用視頻，講述了為什么在汽車中應用帶傳動以及未來改進的方向，并以斯巴魯車型為例，演示了彈性皮帶的安裝過程和安裝注意事項；并聯機床的介紹，可以幫助學生了解機構的應用；3D液體打印視頻、ABB協作型機器人等可以幫助學生了解當前熱門的前沿研究方向。

圖3 工程應用及科技前沿研究相關信息

這些信息的推送有效地擴充了學生的信息量，使得學生了解前沿技術信息，并初步將課本所學的理論知識與實際應用聯系起來，形成感性認識。

2.3 輔助實驗管理

2.3.1推送實驗安排

我校機械基礎實驗教學國家級示范中心近年來申請了“機械設計基礎實驗教學信息平臺”微信公眾號。任課教師在上第一節課時，將該公眾號提供給各班學生，學生通過掃一掃即可關注該平臺。目前，關注人數已達700余人(見圖4)。通過該平臺，實驗教師通知各班及時預約實驗，并將安排好的實驗時間和要求及時發布在平臺上，方便每一個學生查看(見圖5)，這樣既減輕了實驗老師的負擔，又方便每一個學生查看實驗安排。

圖4 公眾號用戶分析

2.3.2立體實驗中心

目前實驗中心總面積6 108 m2，24個實驗室、5個實驗區、2個計算機房、1個小型加工車間。各類設備儀器總值3 000多萬元。為讓學生及時了解實驗中心的布局和相應儀器設備，實驗中心網站建有“立體實驗中心”模塊(見圖6)，將鼠標放置在相應的實驗室名稱上，會顯示該實驗室的設備、管理人、可做實驗、聯系方式等信息。通過立體實驗中心，學生可以很方便地了解各實驗室的基本情況。

圖5 公眾號推送實驗安排表

圖6 立體化實驗室分布圖

2.3.3實驗相關資料

實驗教學大綱、實驗指導書、實驗報告模板等文本資料通過實驗中心網站“資料下載”模塊或者QQ群共享，學生可以根據需求自行下載。

2.4 加強與學生的互動交流

QQ群是一個公共交流平臺，學生可以不受時間和空間的限制，在實驗前或者實驗后有任何問題都可以隨時隨地和實驗教師互動交流，很好地輔助了實驗教學，將其從實驗室延伸到課外。同時，也是一個反饋平臺，實驗教師能夠了解學生對實驗的掌握情況，學生可以向實驗教師提出建議，從而促進實驗教學。

3 “互聯網+”環境下交互學習模式的效果

通過新媒體平臺，大量隱性知識(經驗、技能、思想等)得到分享，極大地提高了信息傳遞的效率和效果。“互聯網+”所帶來的全新體驗已經遠遠超越了傳統的面對面交流方式。自從將新媒體平臺引入實驗教學以來，學生反映可以很方便地了解實驗室的相關信息，實驗內容和環節得到豐富，知識及時得到更新和補充，和教師的溝通交流不受時間和空間的限制，這些都是實驗教師在授課過程中不能完全實現的。在新模式的培養下，學生的自主能動性、創新能力、實踐動手能力得到提高。這些在機械設計基礎課程后續拓展環節中得以體現。在第7屆全國大學生機械創新設計大賽中，我校取得了有史以來最好成績：全國比賽一等獎5項，二等獎5項；省級一等獎12項，二等獎7項，三等獎1項；慧魚組一等獎5項。實踐表明，“互聯網+”背景下的實驗教學新模式具有良好的效果。

4 結 語

實驗教學是培養學生實踐能力、發揮學生創新能力的重要環節。機械工程學院近年來大大加強對本科生在實踐環節的培養，從實驗教學內容、教學環節設置、教學手段等方面不斷探索。在“互聯網+”背景下，將新媒體平臺和實驗教學相結合，有效地提升了實驗教學的效果。

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[3] 樊未晨.“互聯網+”教育會產生什么化學反應[N].中國青年報,2015-04-08(6).

[4] 蔡 偉.“互聯網+”時代的教育變革[N].中國教育報,2015-04-09(4).

[5] 南旭光，張 培.“互聯網+”教育：現實爭論與實踐邏輯[J].網絡教育，2016(9)：55-60.

[6] 喬玉婷，鮑慶龍，曾 立.“互聯網+”時代高等教育管理模式創新及啟示[J].高等教育研究學報，2015，38(4)：83-87.

[7] 沈義民.用“互聯網+”思維建設本科生創新實踐新環境[J].實驗室研究與探索，2016，35(9)：158-162.

[8] 杜 剛，鄒 波，張東霞.基于互聯網的開放式創新實驗室工作模式的探究[J].實驗技術與管理，2016，33(6)：17-20.

[9] 郝建新，郭曉靜.互聯網+背景下SPOC模式電類實驗教學[J].實驗室研究與探索，2016,35(9)：209-213.

[10] 張列林，聶昌平，羅意平，等.機械基礎實驗系列教學改革[J].實驗室研究與探索，2001，20(6)：26-28.

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[13] 嚴建駿，朱順兵.新媒體背景下的開放式實驗與學生創新能力培養[J].實驗技術與管理，2013，30(2)：165-167.

[14] 張賽男，沈成君，曹麗英.新媒體環境下高校實驗管理與教學模式的創新[J].實驗室研究與探索，2016，35(7)：202-204.

[15] 楊 威．實驗室開放與管理[J]．實驗技術與管理，2012，29(1) ：186-187．

[16] 機械美學公眾號.懷舊之美——老式縫紉機，還記得小時候的噠噠聲么．(2016-03-07)[2017-5-8].