基于BOPPPS教學(xué)模式的《機(jī)械原理》課程教學(xué)設(shè)計(jì)
——以《平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算》為例

盧秀泉

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

0 引言

《機(jī)械原理》這門課是面向機(jī)械類專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是在高等數(shù)學(xué)和理論力學(xué)前導(dǎo)課程基礎(chǔ)上，研究有關(guān)機(jī)械的結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題的一門學(xué)科。課程學(xué)習(xí)的專業(yè)成果是使學(xué)生具備機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的能力，此項(xiàng)內(nèi)容對(duì)應(yīng)著機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的第一個(gè)環(huán)節(jié)，方案的創(chuàng)新性孕育著產(chǎn)品的先進(jìn)性。后續(xù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、機(jī)械工藝制造等專業(yè)課程內(nèi)容均是依附于合理的運(yùn)動(dòng)方案基礎(chǔ)上展開的。因此機(jī)械原理是機(jī)械類課程體系的核心和基礎(chǔ)，起到承上啟下的橋梁作用。機(jī)械原理這門課程在機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)體系中具有重要的作用。機(jī)械原理課程研究對(duì)象是機(jī)構(gòu)，而機(jī)構(gòu)是從具象機(jī)器結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中抽象出來的骨架。課程學(xué)習(xí)內(nèi)容比較抽象，有著很深的工程背景，同時(shí)具有理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，因此教學(xué)內(nèi)容中對(duì)基本概念、基本原理和基本方法的講授顯得尤為重要。這門課程在本科二年級(jí)下半學(xué)年開設(shè)，由于學(xué)生對(duì)專業(yè)的理解尚未深入且工程經(jīng)驗(yàn)有限，在以課堂講授為主的傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，普遍存在學(xué)生興趣度差、知識(shí)點(diǎn)理解困難、課堂參與感和融入度不強(qiáng)，造成教學(xué)效果欠佳的問題。針對(duì)上述情況，基于一定的機(jī)械原理課堂教學(xué)內(nèi)容，如何制定合理的教學(xué)設(shè)計(jì)策略和方法，積極調(diào)動(dòng)、激發(fā)不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與度，引領(lǐng)學(xué)生自主、自覺學(xué)習(xí)和深入思考是提升課堂教學(xué)效果、效率的有效途徑和改革方向。

因此，本文選取《機(jī)械原理》課程中“平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算”作為案例教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容，從內(nèi)容難度和學(xué)生特點(diǎn)兩方面對(duì)學(xué)情做充分分析的基礎(chǔ)上，遵循建構(gòu)主義教學(xué)理念，基于BOPPPS教學(xué)模式建立整體教學(xué)設(shè)計(jì)框架，圍繞核心知識(shí)點(diǎn)，以工程問題為導(dǎo)向進(jìn)行層層遞進(jìn)式的探究和引導(dǎo)，教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念。

1 基于BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)框架

1.1 導(dǎo)言（bridge-in）

導(dǎo)言環(huán)節(jié)的作用是充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，賦予學(xué)習(xí)內(nèi)容以意義，讓學(xué)生充分感受到教學(xué)知識(shí)內(nèi)容的重要性，引發(fā)學(xué)生自發(fā)思考，為課程內(nèi)容的講授做鋪墊、埋伏和自然引入。本文基于課程知識(shí)內(nèi)容的具體特點(diǎn)，采用工程案例導(dǎo)入的方法。案例選取的原則是與學(xué)生在生活中接觸過的案例和前期經(jīng)驗(yàn)相連接，以興趣為導(dǎo)向，案例學(xué)科背景以吉林大學(xué)特色學(xué)科工程機(jī)械、車輛傳動(dòng)、人工智能機(jī)器人及航天航空經(jīng)典工程案例為依托和載體。課程導(dǎo)入時(shí)，在介紹案例的工程背景時(shí)，融入思政元素，從正反兩方面介紹我國(guó)在具體科研領(lǐng)域取得的成就和不足，春風(fēng)化雨，厚植愛國(guó)主義情懷，自覺建構(gòu)學(xué)習(xí)意義，充分激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、緊迫感和使命感。案例分析時(shí)，緊緊抓住“運(yùn)動(dòng)”二字，引領(lǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)化規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生對(duì)“機(jī)構(gòu)滿足什么條件可動(dòng)，滿足什么條件具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”這一核心知識(shí)點(diǎn)做初步的觀察和思考。

1.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)（Objectives）

在學(xué)習(xí)目標(biāo)環(huán)節(jié)中明確向?qū)W生交代清楚本堂課的學(xué)習(xí)目標(biāo)和能力培養(yǎng)要求，從認(rèn)知、技能、情感三個(gè)層次進(jìn)行表述。依據(jù)本文的核心知識(shí)點(diǎn)確定的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）能夠復(fù)述機(jī)構(gòu)組成相關(guān)概念，推導(dǎo)并默寫出平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，并可解釋公式中對(duì)應(yīng)符號(hào)的含義；

（2）熟練應(yīng)用平面機(jī)構(gòu)自由度公式正確計(jì)算平面機(jī)構(gòu)的自由度；

（3）總結(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)條件，能夠從運(yùn)動(dòng)的角度判斷工程機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性；

（4）激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)械原理的學(xué)習(xí)興趣，體會(huì)到“應(yīng)用理論”對(duì)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的直接指導(dǎo)作用，對(duì)工程師職業(yè)產(chǎn)生認(rèn)同感，自覺樹立職業(yè)理想，培養(yǎng)學(xué)生客觀、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和素養(yǎng)。

1.3 先測(cè)（Pre-Test）

在正式進(jìn)入本堂課內(nèi)容講解之前，通過先測(cè)環(huán)節(jié)可以了解學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的掌握程度，幫助教師調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容的深度、安排和進(jìn)度，通過回顧和梳理上堂課所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聚焦本堂課的目的。因此，本文在先測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中緊緊圍繞機(jī)構(gòu)組成的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式的推導(dǎo)做充分的鋪墊和準(zhǔn)備。

方法上采用客觀題測(cè)試的形式，根據(jù)回收的測(cè)試結(jié)果針對(duì)知識(shí)掌握薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)充和加強(qiáng)。具體先測(cè)知識(shí)點(diǎn)如圖1所示。

圖1

1.4 參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning）

在參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師作為核心知識(shí)的傳遞者和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，結(jié)合授課學(xué)生的具體學(xué)情特點(diǎn)，以具體的工程案例為載體，以工程問題為導(dǎo)向和情景，連接學(xué)生先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，消除學(xué)生畏難情緒、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，緊緊圍繞“平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算”這一核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層層遞進(jìn)式的探究和引導(dǎo)，在討論環(huán)節(jié)中采用“4F（Facts-feeling-findings-future）”理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)全面覆蓋不同學(xué)習(xí)風(fēng)格學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和習(xí)慣，貫徹以“學(xué)為中心”的教學(xué)理念和方法。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)注重師生和生生之間的參與和互動(dòng)，突出強(qiáng)調(diào)真實(shí)任務(wù)和情境化教學(xué)。具體參與式教學(xué)設(shè)計(jì)流程如下圖2所示。

圖2

1.5 后測(cè)（Post-assessment）

教師在講解完計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度注意事項(xiàng)——復(fù)合鉸鏈的概念和處理方法后，布置學(xué)生重新計(jì)算圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度，提示學(xué)生重點(diǎn)分析機(jī)構(gòu)中存在復(fù)合鉸鏈的位置和形成對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。在教師的限時(shí)督促、指導(dǎo)下，通過組內(nèi)獨(dú)立計(jì)算、同組交流和組間分享三個(gè)環(huán)節(jié)，促使每位學(xué)生都參與到同伴教學(xué)中，最后通過演示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，教師引導(dǎo)學(xué)生從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的角度自主驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。后測(cè)環(huán)節(jié)全面覆蓋和檢測(cè)了本堂課學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成效果。

1.6 總結(jié)（Post-assessment）

對(duì)本堂課的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理、總結(jié)和強(qiáng)調(diào)，從工程實(shí)際應(yīng)用的角度重申核心知識(shí)點(diǎn)——“平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算”是從運(yùn)動(dòng)的角度判斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理性的依據(jù)和基礎(chǔ)，布置課后作業(yè)并發(fā)布下堂課的預(yù)習(xí)任務(wù)，督促學(xué)生在課下要多加練習(xí)。最后，布置思考題“如何計(jì)算空間機(jī)構(gòu)的自由度”，提供必要的相關(guān)文獻(xiàn)資料和檢索渠道，培養(yǎng)學(xué)生檢索和整理資料的能力、既有知識(shí)的聯(lián)想和遷移能力及高階思維方式。

2 結(jié)語

基于建構(gòu)主義的BOPPPS教學(xué)模式自然蘊(yùn)含“以學(xué)生為中心”的教育理念，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，BOPPPS教學(xué)法在《機(jī)械原理》課程中的應(yīng)用實(shí)踐，可以在課堂中充分創(chuàng)造學(xué)習(xí)情境，積極調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，教師作為核心知識(shí)的傳遞者和深度學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行深度思考與團(tuán)隊(duì)協(xié)作經(jīng)驗(yàn)共享，教學(xué)過程經(jīng)過“理論推導(dǎo)—實(shí)踐驗(yàn)證—理論修正—實(shí)踐驗(yàn)證”的閉環(huán)設(shè)計(jì)，滿足不同學(xué)習(xí)風(fēng)格學(xué)生的需求，可以顯著提升課堂效率和教學(xué)效果。