類型教育背景下的數(shù)字化教材建設(shè)實踐
——以《機械基礎(chǔ)》教材為例

孟瑩，李圓圓，劉書利，江南

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明）

一 引言

數(shù)字化教育一直是近年來教育行業(yè)的熱點問題，同時更是實現(xiàn)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出的基本實現(xiàn)教育現(xiàn)代化目標(biāo)的關(guān)鍵[1]。而數(shù)字化教材則在數(shù)字化教育的過程中扮演著不可或缺的重要角色。它可以綜合運用各種媒體并發(fā)揮其各自優(yōu)勢, 形成媒體間的互動,并強調(diào)各種媒體的一體化教學(xué)設(shè)計, 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。

隨著職業(yè)教育體系的不斷完善，其上下聯(lián)通、左右貫通使得更多的人看到了職業(yè)教育作為一種類型教育獨立存在[3]。中國已經(jīng)迎來了教育轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。經(jīng)過早年探索和實踐，中國在數(shù)字化教育和數(shù)字化教材領(lǐng)域的發(fā)展有目共睹。但是在行業(yè)高速發(fā)展的同時，具有先天優(yōu)勢的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為支柱的發(fā)展方式，使得專業(yè)基礎(chǔ)課程領(lǐng)域的數(shù)字化教材水平落后于前者，職業(yè)院校對于優(yōu)質(zhì)數(shù)字化專業(yè)基礎(chǔ)課程資料的需求更是迫在眉睫。

二 編寫背景

在類型教育的背景下，職教教材的根本指向在于教材所代表的技術(shù)技能如何在現(xiàn)實中得以實現(xiàn)，所以職教教材的有效性、指導(dǎo)性、一般性是職教教材的建設(shè)重點[4]。而職教教材的學(xué)習(xí)者大多是以即將走向生產(chǎn)一線的實踐者為主，這就要求所賦予的技術(shù)學(xué)習(xí)要有現(xiàn)實價值，能夠幫助學(xué)習(xí)者盡快由“學(xué)習(xí)者”向“生產(chǎn)者”進行角色轉(zhuǎn)換。

機械基礎(chǔ)作為傳統(tǒng)學(xué)科是機電類專業(yè)主要的基礎(chǔ)課程之一，其課程影響范圍覆蓋軌道交通、汽車車輛、數(shù)控機床、機械工程設(shè)計等細(xì)分專業(yè)學(xué)科，在學(xué)科體系中起到了承上啟下的重要作用。

筆者從事機械基礎(chǔ)教育20多年，課程教學(xué)內(nèi)容經(jīng)歷了從手工制圖到數(shù)字制圖的轉(zhuǎn)變，深刻意識到教學(xué)體系應(yīng)該具有隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展進行不斷深化改革的重要性，職教教材作為技術(shù)學(xué)習(xí)的主要載體，應(yīng)反映技術(shù)發(fā)展的歷史，并以此為出發(fā)點開展教材編寫工作。

目前教材市場上的《機械基礎(chǔ)》或《機械設(shè)計基礎(chǔ)》雖然對該課程的數(shù)字化進行了探索，多以二維碼結(jié)合移動設(shè)備的形式加以展現(xiàn)，采用AR（Augmented Reality增強現(xiàn)實）技術(shù)打造教學(xué)環(huán)境，但所呈現(xiàn)出來的資源不足以滿足教學(xué)要求。而我校所開辦的專業(yè)是鐵道運輸類和城市軌道交通類的相關(guān)專業(yè)，人才培養(yǎng)目標(biāo)要求通過這門課程的學(xué)習(xí)學(xué)生需具備設(shè)計簡單機械的能力，而市場上的教材在內(nèi)容編排上缺乏機械設(shè)計這一環(huán)節(jié)。真實、立體、全方位對課程內(nèi)容的機械模型及設(shè)計運動原理進行觀察學(xué)習(xí)是課程特性對教材提出的剛需。基于教材市場現(xiàn)有教材不能滿足教學(xué)需要的情況及高職高專教材對于前瞻性設(shè)計的需求特征，教學(xué)團隊對《機械基礎(chǔ)》進行了編寫。

三 應(yīng)用環(huán)境

《機械基礎(chǔ)》教材針對機電類一年級下學(xué)期的學(xué)生進行課程設(shè)計，其課程開設(shè)目的在于將一年級學(xué)生從高中階段的普適化教育向?qū)I(yè)化教育進行引導(dǎo)，并作為后續(xù)專業(yè)課程的重要銜接環(huán)節(jié)。

作為一年級學(xué)生最早接觸的技術(shù)課程之一，教學(xué)過程中學(xué)生普遍存在好奇、疑惑、恐懼、逃避甚至是厭惡的情緒反饋，為了滿足學(xué)生對于課程內(nèi)容的探索意愿，緩解學(xué)生對于陌生課程內(nèi)容的逃避情緒，通過原有教學(xué)經(jīng)驗的累積，在現(xiàn)有的硬件條件下形成了現(xiàn)在圖文教學(xué)為主、模型實操為輔的教學(xué)模式，并取得了一定成效。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式雖然能夠在一定程度上幫助學(xué)生更快、更容易地接受課程內(nèi)容，但是仍然存在諸多問題。其中學(xué)生人數(shù)眾多，硬件空間有限是這些問題的關(guān)鍵。

機械類課程不同于其他學(xué)科，屬于技術(shù)知識，具有實踐性與“默會性”。技術(shù)知識的習(xí)得與發(fā)展重在實踐體驗, 要求在“做中學(xué)”、在“學(xué)中做”。其課程重視動手實踐和解決問題的能力培養(yǎng)，使得課程包含大量的實踐環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)教育模式下，最具教學(xué)效果的模型實操由于空間時間限制，多數(shù)情況下仍然只能停留在教師演示或輪流操作的階段。這樣就導(dǎo)致了學(xué)習(xí)時間成本高，參與程度低，課后復(fù)習(xí)難的情況。而《機械基礎(chǔ)》的編寫則將以傳統(tǒng)教學(xué)所遇到的問題為切入點，以國家大力發(fā)展建設(shè)現(xiàn)代化教育為契機，著力解決這些問題。

四 內(nèi)容制定

作為職業(yè)院校，教材內(nèi)容的選取既要體現(xiàn)作為知識體系的基礎(chǔ)性、必要性, 又必須關(guān)注專業(yè)學(xué)習(xí)的現(xiàn)實需求, 為專業(yè)學(xué)習(xí)的應(yīng)用做好知識儲備[5]。所以教材內(nèi)容的選擇就不能是簡單的增減變化, 要盡可能體現(xiàn)出職業(yè)教育特色，加強對學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的內(nèi)容。該版《機械基礎(chǔ)》為適應(yīng)我國軌道類高等職業(yè)教育教學(xué)編寫。教材在編寫之初首先通過資料收集法，深入專業(yè)教研室，對專業(yè)組機械基礎(chǔ)課程的要求進行調(diào)研，同時深入企業(yè)，了解崗位能力對課程內(nèi)容的要求，明確課程的現(xiàn)狀和要求；其次通過文獻法，通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館、相關(guān)學(xué)校和企業(yè)等途徑，查閱各種對教材編寫有價值的文獻資料，借鑒優(yōu)秀的課程設(shè)計的教學(xué)模式；然后通過教育經(jīng)驗總結(jié)法，通過組織教師一起討論、分析、總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗，找出課程的規(guī)律和輔導(dǎo)方式方法，使之系統(tǒng)化、理論化，上升為經(jīng)驗并初步形成教材體系；最后通過頭腦風(fēng)暴，結(jié)合市場和企業(yè)的崗位能力需求，借鑒其它專業(yè)的經(jīng)驗，分析本學(xué)科的實際情況，提出盡可能多的設(shè)想并進行決策，形成了課程內(nèi)容的框架。

全書根據(jù)“知識維度”和“認(rèn)知過程維度”分為工程力學(xué)、機械原理與機械零件、機械設(shè)計三個篇章，由靜力學(xué)、材料力學(xué)、機械系統(tǒng)常用運動機構(gòu)、螺紋連接與螺旋機構(gòu)、機械傳動、軸系零部件、機械的潤滑與密封、減速器設(shè)計八個單元組成，這些單元再通過學(xué)習(xí)情境的方式分割出三十二個學(xué)習(xí)情境。每個學(xué)習(xí)情境都先告知該學(xué)習(xí)情景的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)習(xí)者了解本章節(jié)所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，明白通過學(xué)習(xí)所要達(dá)到的目標(biāo)，然后提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生帶著探究的心理進入到學(xué)習(xí)狀態(tài)中。

課程的核心主旨是以培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、技能型人才為目標(biāo)，緊抓高職高專學(xué)生特征，從突出機械類學(xué)生注重實際操作，培養(yǎng)動手解決實際問題的能力出發(fā)，創(chuàng)新將“真題真做”的課程方式運用到教材編撰當(dāng)中。

“真題真做”早在20世紀(jì)80年代就曾被提出，經(jīng)過三十余年不斷探索，其模式在設(shè)計教育領(lǐng)域的先進性和前瞻性已經(jīng)被證明。“真題真做”是指在真實存在的課題下，將教學(xué)融入到設(shè)計項目當(dāng)中，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的同時提升專業(yè)水平。通過“真題真做”將學(xué)生帶入到具體課程當(dāng)中，通過課程的設(shè)計進行引導(dǎo)，使學(xué)生在動手實踐的過程當(dāng)中切身體會專業(yè)知識，培養(yǎng)解決問題的能力，并從單個課程題目當(dāng)中進行發(fā)掘?qū)W習(xí)，最終在教材內(nèi)容引導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)單一課題與整個學(xué)科之間存在共性，進而達(dá)到學(xué)以致用、融會貫通的目的。

教材采用“真題真做”的編排方式，一方面意在解決傳統(tǒng)教育中“去語境化”的設(shè)計教學(xué)弊端，為學(xué)生創(chuàng)造真實設(shè)計需求及學(xué)習(xí)情境。另一方面，通過結(jié)合數(shù)字化教材，也使得“真題真做”成為一種可能。這也使設(shè)計實踐訓(xùn)練不再“紙上談兵”，解決了過去設(shè)計實踐“一個人在做，一群人在看”的教學(xué)難題，可以說是現(xiàn)代化教育的推進賦予了“真題真做+數(shù)字化教育”成為一種現(xiàn)實的可能。在課程的編撰過程當(dāng)中，筆者選擇了“一級直齒圓柱齒輪減速器的設(shè)計”作為課程主線，其意在該部件設(shè)計所涉及的知識點繁多且全面，整個設(shè)計流程和課程難度與高職高專學(xué)生特點相切合，設(shè)計過程當(dāng)中理論知識與職業(yè)技能相輔相成[6]。通過減速器設(shè)計課題的進行，在向?qū)W生闡釋專業(yè)性理論知識的同時，兼顧學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，從“工程力學(xué)”中的受力分析、強度校核，“機械零件”中的“機械傳動”、 “軸系零件”，到“機械設(shè)計”中的“機械的潤滑與密封”等都圍繞著“一級直齒圓柱齒輪減速器的設(shè)計”，貫穿在這一主線上，使得整個課程的教學(xué)內(nèi)容有了連貫性。同時在教材的編寫過程中很多內(nèi)容都要從“一級直齒圓柱齒輪減速器的設(shè)計”這一目標(biāo)結(jié)果逐級反推回來，這就對編寫者提出了較高的要求。編寫者必須熟悉整門課程的知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容特點，課程在設(shè)計上本著懂方法、重應(yīng)用的總體思路，突出體現(xiàn)應(yīng)用性、技能型特色，著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，力求達(dá)到理論方法夠用，技能過硬的目的[7]。同時還必須考慮到高職學(xué)生邏輯計算能力相對較弱的特點，對計算部分的推導(dǎo)過程弱化，重在結(jié)果的應(yīng)用。

在“機械原理”的內(nèi)容設(shè)計上，案例分析講解盡量與專業(yè)銜接，以實際專業(yè)生產(chǎn)工作中的部件作為藍(lán)本，如“高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的受電弓”、“地鐵的塞拉門” 等，通過這些結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，理解相關(guān)機構(gòu)的工作原理。當(dāng)專業(yè)課上對其結(jié)構(gòu)進行深入研究，學(xué)生就能很快地反應(yīng)出它們是如何實現(xiàn)相應(yīng)動作的，從而解決了專業(yè)課程中相應(yīng)機構(gòu)工作原理分析的問題，為學(xué)生今后的橫向和縱向發(fā)展、知識遷移提供了基礎(chǔ)保障。

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)生可以在其中進行自由探索和自主學(xué)習(xí)的場所[8]。而數(shù)字化資源的開發(fā)利用充分體現(xiàn)了學(xué)習(xí)以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)是個性化的，能滿足個體的需要。然而，缺少教學(xué)設(shè)計的媒體是缺少生機的，不同類型的課程需要使用不同的媒體去表達(dá)其教學(xué)信息，這樣才容易實現(xiàn)它的教學(xué)目標(biāo)[8]。針對課程特點，全書與教材用圖相匹配的數(shù)字資源全部以AR方式呈現(xiàn)，其中三維動畫39個，原理演示視頻8個，微課視頻多個（根據(jù)課程進度實時更新）。教材中數(shù)字資源采用AR呈現(xiàn)手法相比傳統(tǒng)教學(xué)，為學(xué)生提供了更多的互動可能。其中AR與三維動畫模型素材結(jié)合，使模型可以隨時隨地調(diào)用查看，根據(jù)不同需求通過交互旋轉(zhuǎn)開合拆卸，全方位直觀展現(xiàn)內(nèi)容。而原理視頻和微課則可以隨時回放課堂內(nèi)容，幫助學(xué)生查缺補漏。數(shù)字化資源的制作，是以多年教學(xué)經(jīng)驗為依托進行歸納的重點、難點內(nèi)容，借助出版社現(xiàn)有成熟的技術(shù)手段，最終實現(xiàn)全書重點、難點內(nèi)容數(shù)字化。由于《機械基礎(chǔ)》課程的特點，既有“理論計算”、“工作原理與運動分析”，又有“結(jié)構(gòu)組成”。針對不同的難點和知識點，“理論計算”部分多以制作微課和視頻錄像呈現(xiàn)，通過在線學(xué)習(xí)的方式反復(fù)學(xué)習(xí)和反復(fù)觀摩教學(xué)，同時，還能彌補學(xué)校課時不足的問題（圖1）；“工作原理與運動分析”部分多以二維動畫形式呈現(xiàn)其工作原理及運動特性，化抽象為直觀的具象（圖2）；“結(jié)構(gòu)組成”部分則借助于三維動畫的方式展示其結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和操作步驟，并借助AR增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)人機交互功能（圖3）。

同時，數(shù)字化教學(xué)素材還將囊括教學(xué)大綱、習(xí)題試題庫及答案、課程電子教案、課程PPT、微課、小視頻、flash動畫、三維動畫等，這些教學(xué)素材將通過互聯(lián)網(wǎng)在線平臺“學(xué)習(xí)通”結(jié)合移動端設(shè)備給予呈現(xiàn)。該方案的使用效果在現(xiàn)有的數(shù)字化教材上得到了廣泛證實，屆時將極大程度提升學(xué)生課堂參與度，降低學(xué)生課后復(fù)習(xí)難度，有效利用學(xué)生的碎片化時間，提高學(xué)習(xí)效率。通過系列化的教學(xué)體系構(gòu)架，將構(gòu)建立出一套完整的數(shù)字教材體系。

圖1 低碳鋼拉伸變形的應(yīng)力-應(yīng)變圖

圖2 四桿機構(gòu)的演化

五 總結(jié)

隨著基本實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的目標(biāo)進入關(guān)鍵時期，填補上機械類專業(yè)基礎(chǔ)課程數(shù)字化教材空缺的工作也迫在眉睫，筆者自2017年底開始著手《機械基礎(chǔ)》數(shù)字化教材的編寫工作，該教材已于2019年7月由西南交通大學(xué)出版社出版。教材將著力解決本文所論述的教學(xué)問題，同時也將通過實際反饋對教材的數(shù)字化內(nèi)容進行進一步的更新及完善。

圖3 一級直齒圓柱齒輪減速器