疫情期間基于OBE“機械原理”翻轉課堂教學實踐*

孫福佳，吳恩啟，王新華，汪昌盛

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

“機械原理”是機械設計制造及其自動化專業必修的專業大類基礎理論課程，課程主要研究機器與機構基礎理論和方法及各種機械的一般共性問題。 先修課程有高等數學、機械工程制圖、大學物理、理論力學等，后續課程有機械設計、機械制作等。 本課程的任務是使學生掌握機構、結構、運動學和機械動力學的基礎知識和基本內容。

目前，“機械原理” 課程教學方案進行了不少改革，但依然面臨著極大的挑戰，疫情期間，教育部提出停課不停學，線下變線上，如果仍然采用傳統方式講授，學生狀態比較難調整，容易對課程產生枯燥乏味之感。 “機械原理”理論教學中，課程知識點多，原理難，內容廣，共性問題比較抽象，傳統教學方式只能點到為止，很難把問題講透，沒有時間和學生交流互動；傳統填鴨式教學，以老師講授為主，課后學生覺得老師講了很多，但真正掌握的卻不多，學習效果差強人意。 疫情期間由于物理空間隔離，講授過程難以把控學習效果，因此，如何充分調動學生學習積極性，變被動學習為主動思考，讓學生學明白，學以致用，并喜歡“機械原理”課程變成線上課程教學的重要目標。 通過之前線下課程的教學實踐和摸索，疫情期間，“機械原理”采用翻轉課堂教學模式，以提高學生學習主觀能動性。 翻轉課堂是指重新調整課堂內外的時間，學生利用業余時間學習教師創建的視頻講解內容，等上課時再交流，將學習的決定權從教師轉移給學生。

1 基于OBE 理論的“機械原理”教學

成果導向教育（OBE）是以學習成果為導向的一種工程教育理念，認為教學設計與教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果，也通常被稱能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育[1]。 通過“機械原理”課程的學習，使學生具備確定運動方案、分析和設計機構的基本方法和基本能力，要求學生在知識、能力和素質方面達到的目標為：1） 掌握“機械原理”的基礎知識和基本概念，掌握機械常用機構的特點、分類、基本組成、工作原理，明確常用機構在機械制造業中的重要地位和作用。2）理解常用機械機構的原理，機構設計中的基本理論與方法，重點掌握機構自由度及機構運動簡圖，連桿機構、凸輪機構和齒輪機構的工作原理及分析。 了解間歇機構等其他常用機構的工作原理。 3） 了解并掌握機械的運轉及其速度波動的調節，機械的平衡，了解并掌握機械運動方案設計，工藝動作過程構思與運動協調設計，使學生具備拓展機械設計知識，達到可以自如解決復雜程度的機構運動設計問題的能力。 4）通過課程的學習，學生能綜合運用機械原理的知識和分析方法，針對機械工程領域的實際問題，具有擬定機械運動方案，分析和設計合理機構的能力。“機械原理” 課程的目標體系與工程認證對學生畢業要求指標 1.3、2.1、2.3、3.1、4.2 和 12.1 的培養有關。 與本課程相關的畢業要求指標點和課程目標如表1 所示。

表1 “機械原理”課程目標與畢業要求指標點矩陣圖

根據機械工程專業學生畢業要求指標，結合“機械原理”課程達成目標，對教師能為學生做什么，學生能學到什么，具體調研情況分析如表2 所示。

表2 “機械原理”課程調研情況

基于OBE 理念的 “機械原理” 課程教學已經實施多年，學生評價反饋持續向好，但也存在一些問題，比如教學過程中，有些抽象問題不夠直觀，理論講解偏多，學生積極性還是有所欠缺；部分案例教學不夠優化，學生興趣不大，比較難調動學生積極性；考核評價機制有待提高，需強化平時考核，弱化期末卷面成績等[2]。

2 翻轉課堂教學實踐

受新冠疫情影響，“機械原理” 課程全部改為線上學習，采用騰訊會議和超星平臺進行遠程教學。 超星平臺是基于慕課的新一代網絡教學平臺，教師可以在此平臺利用龐大資源建立線上課程，但由于網絡服務器延遲，難以進行翻轉課程教學，因此實時互動采用騰訊會議。

教師通過微信群和超星通知提早一天告知課程內容，騰訊會議ID，通過超星后臺監測學生觀看和學習視頻的講解內容情況，并及時提醒。 超星平臺包括課程內容（視頻+PPT）、活動、統計、資料、通知、作業、考試、分組任務、討論、管理等模塊。 學生利用業余時間完成課程內容；通過活動模塊完成簽到、投票、搶答主題討論等；統計模塊包括班級統計、資源統計、課程報告，用于后臺統計；資料模塊包括課程資料、題庫、作業庫、試卷庫等；課前預習情況和課后測試通過考試模塊實現；學生作業上傳、教師批改通過作業模塊； 每節課討論主題通過討論模塊課前發布。 通過騰訊會議，課堂變成了教師與學生之間以及學生與學生間的互動場所，用于答疑解惑、辯論探討和知識運用等，充分調動學生主觀能動性，取得了比較好的教學效果[3]。

通過疫情期間“機械原理”翻轉課程教學實踐，結合期末學生評教和督導評價，翻轉課程教學方式取得了比較好的教學效果。 具體實施方案如下：1） 精心設計課前、課中、課后的教學內容和教學進度，課程教學組成員精心錄制教學視頻和設計學習任務單、 課前課后測試討論等，確保最大限度提高學生上課積極性。 2）“機械原理” 課程概念、公式、圖表繁多，原理理解比較困難，通過教具、動畫、多媒體、虛擬樣機、軟件程序等多種方式，豐富教學手段，以提高學生積極性和主觀能動性。 3） 課程教學組還負責大學生機械創新比賽，因此教學過程中結合比賽內容，以賽促學，將比賽中用到的機械原理結合作品進行討論，極大地提高了學生學習興趣[4]。 4）教學組承擔多項國家縱向與企業橫向項目，課程中融入科研項目經驗與學生分享，學生更有工程概念。5）“機械原理”課程評價考核體系更加強化平時，弱化期末考試，重視工程實踐，弱化應試。

3 “機械原理”翻轉課堂討論教學案例

第9 章凸輪機構及其設計一節，課前學生觀看錄制視頻學習，通過超星后臺監測學習情況，通過課前測試強化視頻觀看效果。 并布置課程討論： 組織學生針對尖頂、滾子、平底凸輪設計過程進行討論，通過自學，提問，討論、分析等方法調動學生的主觀能動性，教、學、做融為一體，使學生成為課堂的主體。

課程教學中，以班上某同學創意設計《鴿食翠園間》為案例進行討論教學，該同學場景設定為一個機器人坐在公園長凳上喂食鴿子，眾鴿百態，如圖1 所示。

圖1 鴿食翠園間

作品設計一個機器人外觀模型和四個鴿子模型，機器人模型的右手肢體將能運動，兩個鴿子頭部將上下運動，一個鴿子翅膀將揮動以及一個鴿子頭部將轉動。 機器人運動機構使用凸輪機構推動，揮翅膀鴿子運動機構使用曲柄連桿機構推動，兩個吃食鴿子運動機構使用凸輪結構推動，轉頭鴿子運動機構使用一種簡單的間歇機構。

在講授過程中，引導學生找出所學機構，畫出運動簡圖，計算自由度，使用哪些凸輪，分析凸輪運動規律，根據運動規律如何設計凸輪。 以鴿子喂食過程為例，通過組織學生討論，發表各自意見，在教師的引導下，詳細設計出凸輪機構及凸輪曲線，使得機器人的頭部往復抬高，嘴部一張一合，并帶動右臂來回揮動，產生喂食鴿子形態。 該案例是凸輪設計的重點，也是難點。通過同學中的例子討論，培養了學生使用已學簡單知識解決未學復雜問題的能力。

該案例設計了動畫VR 模型，在課程教學中，學生可以利用VR 頭盔詳細觀看動畫演示。 將 “機構運動分析”“機構結構分析”“凸輪設計”融合到課程討論中，對學生進行分組討論，每3～4 人一組，制定項目任務，提出相關聯的知識點，以鍛煉學生的專業能力、方法能力、社會能力為目的，引導學生提出問題，查找相關資料，自行解決并記錄。 利用超星平臺，統計本章學習情況，納入平時成績中。 教師應讓學生從機械，枯燥的“學答”向“學問”轉變，以問題為導向，引導學生探索性學習，從“學會”向“會學”轉變，成為學習的主人。

4 結束語

疫情期間，基于學習成果為導向理念，本課題小組設計了“機械原理”翻轉課程教學方式，采用超星平臺+騰訊會議，精心設計課前、課中、課后教學各環節，通過學生和督導評價，雖然疫情期間師生物理距離隔離，也取得了良好教學效果。