紙質(zhì)模型在教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用

李永湘 雷蔓 余歡樂(lè) 仇磊

摘要：針對(duì)當(dāng)前課堂教學(xué)中存在的理論學(xué)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)生操作少等問(wèn)題，以新工科建設(shè)和OBE教改要求為指導(dǎo)，研究了紙質(zhì)模型在機(jī)械原理課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用，總結(jié)了紙質(zhì)模型應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)和選材。在機(jī)械原理課堂理論教學(xué)、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中采用了紙質(zhì)模型輔助教學(xué)與設(shè)計(jì)。根據(jù)課程教學(xué)需求，通過(guò)教師指導(dǎo)，以學(xué)生為主體完成紙質(zhì)模型制作，鞏固了學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖、模型制作和創(chuàng)新設(shè)計(jì)等能力，提升了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣，為機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)改革提供了方向。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革;OBE;創(chuàng)新設(shè)計(jì);機(jī)械原理;新工科

中圖分類號(hào)：G642;O3-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0243-02

0? 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，大學(xué)課程教學(xué)也逐漸融入了很多時(shí)代特色的東西，三全育人、課程思政等新的要求已深入專業(yè)課課堂教學(xué)中。新工科發(fā)展要求大學(xué)專業(yè)課程中需要有更多的創(chuàng)新和實(shí)踐內(nèi)容，這種要求對(duì)于實(shí)習(xí)課程是比較好貫徹的，但對(duì)于理論課時(shí)占多數(shù)的課程教學(xué)過(guò)程中實(shí)施難度較大。如何提高教學(xué)中的實(shí)踐操作時(shí)間，是新工科教學(xué)中急需解決的問(wèn)題，對(duì)鞏固專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和提高大學(xué)生的動(dòng)手操作能力有著重要意義。要解決這個(gè)問(wèn)題，模型教學(xué)是一個(gè)很好的方法。而紙質(zhì)模型由于取材容易，價(jià)格便宜，是提高機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)中的實(shí)踐操作時(shí)間和提高學(xué)生動(dòng)手能力的好措施。

1? 紙質(zhì)模型的教學(xué)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

關(guān)于紙質(zhì)模型在教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已有教師和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究工作。龐艷輝等將紙質(zhì)立體模型運(yùn)用于等高線教學(xué)中[1]。張曉艷制作了用于生物課程教學(xué)用的紙質(zhì)DNA模型[2]。楊建新將紙質(zhì)模型運(yùn)用于專業(yè)核心課程教學(xué)，以提升學(xué)生素養(yǎng)[3]。蔣飛華研究了紙模型在數(shù)學(xué)幾何課程教學(xué)中的應(yīng)用[4]。安家強(qiáng)等研究了紙模在機(jī)場(chǎng)混凝土施工工程中的應(yīng)用[5]。

上述文獻(xiàn)中各學(xué)者主要研究了紙質(zhì)模型在教學(xué)和工程中的應(yīng)用，但在紙質(zhì)模型制作過(guò)程中，教師起著主導(dǎo)作用，學(xué)生基本沒(méi)有參與紙質(zhì)模型的制作過(guò)程，紙質(zhì)模型在這些研究中主要是起著展示作用，讓教師能在課堂上更直觀地將課程理論知識(shí)展示給學(xué)生。但沒(méi)有學(xué)生參與紙質(zhì)模型制作，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力提高的作用非常有限。本文研究工作將重點(diǎn)探討紙質(zhì)模型在教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用，學(xué)生將是紙質(zhì)模型制作者，以提高學(xué)生動(dòng)手操作能力。

2? 紙質(zhì)模型應(yīng)用案例

我們以機(jī)械原理課程教學(xué)為例，探討紙質(zhì)模型在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用。紙質(zhì)模型在機(jī)械原理課程教學(xué)的應(yīng)用主要分為課堂理論教學(xué)中的應(yīng)用和課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 紙質(zhì)模型在機(jī)械原理課堂理論教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械原理理論課時(shí)多，有56個(gè)學(xué)時(shí)或64個(gè)學(xué)時(shí)，課程內(nèi)容豐富，需要介紹機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、受力分析，以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等機(jī)械基礎(chǔ)內(nèi)容。通常情況，課堂上理論教學(xué)時(shí)間越長(zhǎng)，學(xué)生的聽課興趣、注意力會(huì)逐漸下降，學(xué)生接受知識(shí)、理解機(jī)械原理的效果不會(huì)好，這也是傳統(tǒng)課堂教學(xué)中存在的問(wèn)題。而根據(jù)新工科教學(xué)要求和OBE理念，機(jī)械工程學(xué)科的本科生在課堂上不僅要學(xué)到知識(shí)，還要有能力的提升，學(xué)生要有獲得感。新工科要求大學(xué)生要有好的工程應(yīng)用能力和實(shí)際操作能力。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)3個(gè)本科班級(jí)的機(jī)械原理教學(xué)中積極采用了紙質(zhì)模型輔助理論教學(xué)。我們給學(xué)生進(jìn)行分組，每組有4～6人。在課堂理論教學(xué)過(guò)程中，我們要求每組課后需要根據(jù)課堂理論教學(xué)內(nèi)容制作出紙質(zhì)模型，如圖1所示。通過(guò)紙質(zhì)模型的制作，鞏固了學(xué)生課堂所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)，提升動(dòng)手制作實(shí)物模型的能力，同時(shí)也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我們根據(jù)學(xué)生的紙質(zhì)模型制作情況進(jìn)行打分，并作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的一部分。學(xué)生也很重視模型制作的質(zhì)量，不僅紙質(zhì)模型，有些還采用木材和亞克力板制作實(shí)物模型，學(xué)生思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力顯著提高。

2.2 紙質(zhì)模型在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

我們的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)都是安排在期末最后兩個(gè)星期內(nèi)完成。課程設(shè)計(jì)同樣需要將所有同學(xué)進(jìn)行分組，每組5人左右。課程設(shè)計(jì)題目可以有每個(gè)組自己擬定，也可從老師給出的題目中選擇。各組題目盡可能不同，避免重復(fù)。各組設(shè)定組長(zhǎng)一名，負(fù)責(zé)管理各組設(shè)計(jì)進(jìn)度。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)不僅需要完成理論設(shè)計(jì)計(jì)算，還需要畫出圖紙，并能做出模型或?qū)嵨铩Ｕn程設(shè)計(jì)的工作還是比較多的，而時(shí)間相對(duì)較少，只有兩個(gè)星期。只有通過(guò)小組組員的分工合作才有可能把所有工作做完。由于時(shí)間短，以往幾屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)工作都只完成了設(shè)計(jì)計(jì)算和畫圖，沒(méi)有做出模型或?qū)嵨铩Ｎ覀儚?017級(jí)學(xué)生開始，在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中指導(dǎo)學(xué)員做紙質(zhì)模型，起到了良好的效果。由于現(xiàn)代物流的發(fā)展，包裝用的紙盒很多，紙板取材很容易，成本也低，克服了金屬材料價(jià)格貴、取材和制造困難等問(wèn)題。因此，每個(gè)組的學(xué)生都可以做出紙質(zhì)模型。

課程設(shè)計(jì)總成績(jī)由考勤成績(jī)、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書、圖紙、模型、答辯幾個(gè)部分的成績(jī)構(gòu)成。以小組為單位，每個(gè)組需提交一份課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書、圖紙和模型，答辯時(shí)，每個(gè)小組的同學(xué)都將進(jìn)行答辯，回答教師的提問(wèn)。由于每個(gè)同學(xué)都要參與答辯，都有接受老師的提問(wèn)，學(xué)生在組內(nèi)也不能懶惰松懈，因?yàn)槌煽?jī)的高低不僅跟組員的協(xié)同工作有關(guān)系，還跟學(xué)生個(gè)人對(duì)課程設(shè)計(jì)的掌握程度直接相關(guān)。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算、畫圖、紙質(zhì)模型制作和答辯四個(gè)過(guò)程的歷練和考核，學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中所蘊(yùn)含的機(jī)械原理有了較深的理解和掌握。學(xué)生的理論知識(shí)得到鞏固，實(shí)踐操作能力得到加強(qiáng)。

2.3 紙質(zhì)模型在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

新工科教育中非常重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。每年舉辦的全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽水平越來(lái)越高，比賽中的一項(xiàng)重要要求就是要制作出作品實(shí)物。在平常的機(jī)械類專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程就借助紙質(zhì)模型進(jìn)行輔助教學(xué)，并讓學(xué)生來(lái)完成紙質(zhì)模型的制作，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，同時(shí)也啟發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。不同組的學(xué)生都在追求所做模型的獨(dú)特性，與眾不同的模型使學(xué)生獲得更大的成就感。創(chuàng)新在理論上對(duì)于很多學(xué)生而言是一件非常高深、困難的工作，但通過(guò)制作紙質(zhì)模型，學(xué)生消除了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的恐懼心理，參與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的同學(xué)變多了。2018級(jí)的兩個(gè)機(jī)制班就有96%的同學(xué)參與了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，申請(qǐng)各項(xiàng)大創(chuàng)項(xiàng)目約20項(xiàng)。還有30多名同學(xué)參加了省級(jí)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，并獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，三等獎(jiǎng)6項(xiàng)的好成績(jī)。模型制作的歷練過(guò)程貢獻(xiàn)很大。學(xué)生對(duì)參加這樣的比賽也不再畏懼，參與積極性很高，設(shè)計(jì)和制作作品的速度較快，10組參賽學(xué)生都在比賽規(guī)定時(shí)間內(nèi)做出了參賽作品實(shí)物模型，完成了機(jī)械裝置和電控系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試。教學(xué)改革和紙質(zhì)模型的引入給專業(yè)課教學(xué)注入了新活力，初步取得了好的效果。盡管同學(xué)們的創(chuàng)新水平還不是很高，模型制作還不夠精致，但學(xué)生積極參與的這股干勁是值得鼓勵(lì)的，不足的地方需要在以后的項(xiàng)目和比賽中逐步完善。

3? 紙質(zhì)模型應(yīng)用的利弊分析

與金屬材料做的實(shí)物相比較，紙質(zhì)模型有著一些顯著優(yōu)點(diǎn)，例如：

①紙板價(jià)格便宜，紙質(zhì)模型制作成本低;

②紙質(zhì)模型容易上色、可以制造多種顏色;

③紙質(zhì)模型容易剪切加工、折疊塑形;

④紙質(zhì)模型制作不需要長(zhǎng)期培訓(xùn)，人人可以制作，上手速度快，模型更改難度低。

同時(shí)，在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)紙質(zhì)模型也存在一些不足。例如：

①紙質(zhì)模型的強(qiáng)度低，不能承受較大載荷;

②紙質(zhì)模型不能受潮，遇水后紙質(zhì)模型容易變形損壞;

③紙質(zhì)模型不適合制作高精度的傳動(dòng)零部件;

④紙質(zhì)模型不適合制作尺寸很小的微小零部件和結(jié)構(gòu)極度復(fù)雜的裝置模型。

根據(jù)紙質(zhì)模型的特點(diǎn)，我們?cè)跈C(jī)械原理課程教學(xué)過(guò)程中盡量發(fā)揮紙質(zhì)模型的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，模型尺寸整體尺寸一般都大于200mm，模型質(zhì)量和教學(xué)效果得到了保證。另外，制作紙質(zhì)模型的紙板厚度不能太薄，例如A4復(fù)印紙制作紙質(zhì)模型就不合適，其強(qiáng)度低，剛性差，模型太軟，不穩(wěn)定，容易塌。而采用瓦楞紙板制作紙質(zhì)模型比較好。單瓦楞紙板厚度約1.1～5mm，雙瓦楞紙板厚度約3～10mm。由瓦楞紙板制作的紙質(zhì)模型有一定的強(qiáng)度和剛度，模型穩(wěn)定性較好，各運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件之間能做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，基本可以展示出作品的相關(guān)功能。

4? 總結(jié)

針對(duì)新工科建設(shè)和OBE教改新形勢(shì)下機(jī)械原理課程教學(xué)過(guò)程中學(xué)生實(shí)踐操作時(shí)間少等問(wèn)題，將紙質(zhì)模型引入課程教學(xué)中。在機(jī)械原理課堂理論教學(xué)和機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)中采用了紙質(zhì)模型輔助教學(xué)，并在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中運(yùn)用紙質(zhì)模型輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)。根據(jù)課程教學(xué)需求，通過(guò)教師指導(dǎo)，以學(xué)生為主體完成紙質(zhì)模型的制作。鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖和紙質(zhì)模型制作等能力，啟發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，鞏固了學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，為機(jī)械類專業(yè)課程課堂教學(xué)改革提供了一個(gè)方向。紙質(zhì)模型有著成本低、制造容易的優(yōu)點(diǎn)，也存在著強(qiáng)度低、易受潮等不足，需要我們?cè)诮虒W(xué)應(yīng)用過(guò)程中不斷探索、持續(xù)改進(jìn)。

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