基于慧魚(yú)模型的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

劉津彤， 劉春寶， 趙大威， 王志瓊， 周淑紅

（吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

機(jī)械類專業(yè)作為傳統(tǒng)學(xué)科分類中工科的重要組成部分，在新形勢(shì)、新環(huán)境、新需求下，專業(yè)改革正當(dāng)其時(shí)［1］。本專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力提升、創(chuàng)新精神培養(yǎng)發(fā)揮著極其重要的作用［2-3］。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系中多為單一性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)缺乏多學(xué)科知識(shí)的關(guān)聯(lián)交互，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定、受眾面窄，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一等，綜合性、開(kāi)放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占比較低［4-6］。無(wú)法滿足新工科對(duì)高校人才培養(yǎng)提出的要求。

“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”是工程技術(shù)型模型，是展示技術(shù)過(guò)程的理想教具，是創(chuàng)新能力訓(xùn)練開(kāi)發(fā)的有效載體，因此將“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”引入本科生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系十分必要［7-8］。目前，我校國(guó)家級(jí)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心已經(jīng)為機(jī)械類和近機(jī)類本科生開(kāi)設(shè)“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，已列入獨(dú)立設(shè)課的本科生必修課程“機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅰ”［9］。該項(xiàng)目以完成能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的自動(dòng)化機(jī)械模型搭建和運(yùn)行為任務(wù)導(dǎo)向，促使學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和設(shè)計(jì)原理、傳感技術(shù)、控制理論等機(jī)械工程基礎(chǔ)知識(shí)，認(rèn)識(shí)并理解機(jī)電一體化的概念，掌握機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法，提升創(chuàng)新意識(shí)，提高識(shí)別和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。但隨著該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè)，課上課下的實(shí)驗(yàn)效果反饋不佳，實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)未能良好達(dá)成，總結(jié)分析原因主要有：

（1）模型價(jià)格昂貴且維護(hù)成本高，模型臺(tái)套數(shù)不足，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限；

（2）受限于必修課程有效學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容相對(duì)固定，制約了學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一，缺少預(yù)習(xí)平臺(tái)，傳統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)已無(wú)法滿足新時(shí)代對(duì)創(chuàng)新的期望和要求。

立足新工科人才培養(yǎng)要求，為提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，以在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中發(fā)揮重要作用的“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為改革對(duì)象，基于成果導(dǎo)向教育（OBE）教學(xué)理念，開(kāi)創(chuàng)能夠梯級(jí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，探索一種線上線下相結(jié)合的梯級(jí)層次化、自主開(kāi)放、個(gè)性智能的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式［10-11］，線上線下實(shí)驗(yàn)相互依存相互補(bǔ)充，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)從而提高“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”的利用率，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。為學(xué)生創(chuàng)造良好的、適應(yīng)人才培養(yǎng)新要求、大學(xué)生成長(zhǎng)新特點(diǎn)、信息化時(shí)代教育教學(xué)新規(guī)律的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)與環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

1 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)介

1964 年，慧魚(yú)集團(tuán)創(chuàng)始人ArturFisher博士在其專利——六面拼接體的基礎(chǔ)上，發(fā)明了“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”。模型由基本構(gòu)件組合而成，可實(shí)現(xiàn)多種工程技術(shù)過(guò)程的還原，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了有效載體，近年來(lái)被眾多高校應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)。

（1）模型零部件分類。模型零部件主要分為機(jī)械零部件、電氣元件和氣動(dòng)元件3 部分，如圖1 所示。

圖1 模型零部件分類

（2）零部件連接方式。采用燕尾槽插接方式連接，可實(shí)現(xiàn)六面拼接、多次拆裝。

（3）模型控制方式。采用計(jì)算機(jī)控制或可編程控制器（PLC）控制。采用計(jì)算機(jī)控制方式時(shí)，將模型通過(guò)接口板與計(jì)算機(jī)連接，利用慧魚(yú)公司提供的編程軟件或高級(jí)語(yǔ)言編制程序控制模型。

2 混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式構(gòu)建理念

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段改革

數(shù)字化設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段［12-13］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠補(bǔ)充并完善傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的欲望。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段方面——建立線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式，將“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為3 個(gè)階段實(shí)施：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)-開(kāi)放性實(shí)物實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)考核及成績(jī)?cè)u(píng)定。實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式可實(shí)現(xiàn)：①以年級(jí)為單位，學(xué)生自由組隊(duì)、自主選題；②實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間得以延伸；③以學(xué)生為主體，教師加以啟發(fā)指導(dǎo)，學(xué)習(xí)由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)；④考核方式多樣化；⑤為科研創(chuàng)新提供平臺(tái)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革

成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）教學(xué)理念為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革指明了方向，將實(shí)驗(yàn)總目標(biāo)（匹配學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的部分能力）劃分為由淺入深的階段性目標(biāo)，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向設(shè)計(jì)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)框架、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面——根據(jù)慧魚(yú)模型特點(diǎn)、機(jī)械類專業(yè)學(xué)生各年級(jí)學(xué)習(xí)特點(diǎn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)，基于OBE教學(xué)理念，探索梯級(jí)培養(yǎng)創(chuàng)新模式［14-16］，設(shè)計(jì)能系統(tǒng)、有層次地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖3 所示，使學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力在梯級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得以循序漸進(jìn)地提升。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容如表1 所示。

圖3 梯級(jí)培養(yǎng)創(chuàng)新模式

表1 梯級(jí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)程序編輯以文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、虛擬操作等形式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的展示與操作。由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬搭建與運(yùn)動(dòng)仿真兩大模塊組成，如圖4所示。

該環(huán)節(jié)是對(duì)傳統(tǒng)課前培訓(xùn)、專題講座、課上指導(dǎo)的補(bǔ)充，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)沒(méi)有專業(yè)、年級(jí)、時(shí)間及實(shí)驗(yàn)資源等的限制，為后續(xù)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊

圖4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)K

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊分為模型簡(jiǎn)介、編程軟件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、模型視頻和零件庫(kù)6 方面內(nèi)容。模型簡(jiǎn)介以文字、圖片等形式介紹慧魚(yú)模型發(fā)展歷史，模型系列，模型零部件分類、零部件連接方式及模型控制方式，模型應(yīng)用等；編程軟件介紹ROBO Pro 軟件所有功能模塊的操作說(shuō)明；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹梯級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各階段實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，包含一系列典型慧魚(yú)模型主題以及階段性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)等；實(shí)驗(yàn)步驟和模型視頻以文字、圖片、聲音和動(dòng)畫(huà)等形式對(duì)典型慧魚(yú)模型搭建及運(yùn)行過(guò)程與注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，具體包括模型主題確立、模型工作原理、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路控制設(shè)計(jì)與編程等環(huán)節(jié)；零件庫(kù)包含典型慧魚(yú)模型零部件的三維立體模型。

3.2 虛擬搭建與運(yùn)動(dòng)仿真模塊

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，選擇與自身年級(jí)匹配的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選用給定的模型主題或確立新的模型主題；進(jìn)而根據(jù)模型工作原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，完成機(jī)械、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)；最后調(diào)用零件庫(kù)中慧魚(yú)零件進(jìn)行裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析。反復(fù)上述過(guò)程直到模型運(yùn)行性能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具體流程如圖5 所示。

圖5 虛擬搭建與運(yùn)動(dòng)仿真流程圖

4 開(kāi)放性實(shí)物實(shí)驗(yàn)

學(xué)生做完數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后，最后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，在此環(huán)節(jié)教師給予適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)引導(dǎo)。根據(jù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)，搭建慧魚(yú)創(chuàng)意組合實(shí)物模型，編寫(xiě)控制程序?qū)崿F(xiàn)模型運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)的正確性，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的工程實(shí)踐能力，如圖6 所示。

5 實(shí)驗(yàn)考核及成績(jī)?cè)u(píng)定

梯級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各階段適用于不同的學(xué)習(xí)對(duì)象，旨在取得的學(xué)習(xí)成果也具有一定的差異性。因此，應(yīng)當(dāng)探索多樣化的考核方式。基礎(chǔ)培養(yǎng)和提升培養(yǎng)階段，在開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課堂上，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)相應(yīng)考核側(cè)重點(diǎn)給予實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)，如實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，模型搭建過(guò)程，問(wèn)題分析與解決，模型展示與運(yùn)行等環(huán)節(jié)。課后，學(xué)生根據(jù)相應(yīng)培養(yǎng)階段的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求撰寫(xiě)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批改并給予實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。兩部分成績(jī)加權(quán)構(gòu)成學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。綜合培養(yǎng)和自主創(chuàng)新培養(yǎng)階段，還應(yīng)設(shè)置階段性檢查，答辯驗(yàn)收等考核方式，綜合評(píng)估、考量學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況。

圖6 開(kāi)放性實(shí)物實(shí)驗(yàn)

6 結(jié) 語(yǔ)

以“慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為改革對(duì)象，深度融合數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，探索基于慧魚(yú)模型的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式。教學(xué)手段方面建立線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間。學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)資源充分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、虛擬仿真設(shè)計(jì)工作，最后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面采取基于OBE教學(xué)理念的梯級(jí)培養(yǎng)創(chuàng)新模式，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，系統(tǒng)、有層次地培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新意識(shí)，從根本上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。在此基礎(chǔ)上，借助學(xué)校國(guó)家級(jí)機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心打造的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，全面、系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)基于慧魚(yú)模型的開(kāi)放性、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成共享特色性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)與校內(nèi)其他專業(yè)、其他高校以及所有對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目感興趣的人員的資源共享，擴(kuò)大受益面。