線上線下相結合的機械工程控制基礎實驗教學模式探索

張靜

摘 要：針對機械工程控制基礎實驗教學普遍存在的理論授課與實驗脫節、實驗過程刻板僵化、教學與考核形式單一等問題，提出一種線上線下相結合的實驗教學模式。該模式針對課程痛點，從課前預習、課上實操、課后復習全方位入手，應用線上平臺、翻轉課堂等手段，提升實驗課堂教學效果。實踐證明，學生學習的主動性明顯提高，加深對實驗相關理論知識的理解，課程成績有所提高。

關鍵詞：機械工程控制基礎 實驗教學 線上線下相結合

1 引言

實驗教學是工科專業學生培養的重要組成部分，擔負鍛煉學生實踐能力、培養學生創新意識、發現問題和解決問題的能力的任務，為培養有卓越工程實踐能力的高級復合型、應用型和創新型現代工程技術人才提供支撐。[1-2]機械專業學生普遍反映機械工程控制基礎課程內容理論性強、不易理解、學習難度非常大，課程實驗環節在教學過程中應當起到打破學生的理論知識和實際應用之間壁壘的作用，讓學生將晦澀難懂的控制理論與鮮活生動的控制過程相關聯，真正理解控制理論基礎課程學習的實際意義，激發學習興趣[3-4]。現有的實驗教學設置與教學方案不能達成這一教學目標，為了讓實驗環節充分發揮化繁為簡、有難到易的啟發學習作用，本文提出一種線上線下相結合的教學模式。

2 機械工程控制基礎實驗的特點

機械工程控制基礎作為一門主要的專業基礎課，涉及到控制原理與系統，先修課程為高等數學、大學物理、理論力學、電工電子技術、機械原理和機械設計等課程，后續課程為測試技術、液壓與氣壓傳動、液壓控制系統、微機原理與接口技術、機電一體化系統設計、數控機床，整個課程在專業學習中起著重要的承接作用。課程內容偏重理論，主要闡述以高等數學為工具對物理系統的穩定性、準確性以及快速性進行定性和定量的分析，并導出對系統控制指標的調整和改進的理論和方法。教學過程多數被復雜的理論推導占據，內容抽象、學生不易理解吸收，即表現為難教又難學。以往的教學計劃中先進行大量的純理論講解，從基礎控制理論中的公式推導開始，讓學生在學習之初理解十分困難，很難激發出學期興趣，學習過程充滿困惑。雖然在對應理論課程后安排4課時實驗，由于理論講解和實驗內容相對獨立，實驗課前預習由于缺乏指引很難開展，導致課上教學開展困難，學生缺少主動思考，很難充分理解實驗對應的理論知識點，實驗效果欠佳。因此，針對機械工程控制基礎實驗難教難學、難預習、難理解的特點，對實驗教學方式進行探索和改進，提出了線上線下相結合的模式，對應復雜難懂的理論知識點定制直觀的小實驗，充分利用互聯網教學平臺、多媒體、云存儲等現代技術手段，在授課中應用啟發式教學、翻轉課堂等手段，利用有針對性的實驗內容擊破學生理論學習困難的屏障，將理論教學和實驗環節有機融合，提升教學效果。

3 《機械工程控制基礎》課程實驗教學存在的問題

3.1 理論授課和實驗脫節

傳統的控制理論基礎教學安排中理論課教學在課程總課時中占比90%，理論授課教師專注與知識點講解和繁瑣的公式推到，很少結合實驗教學部分進行鋪墊。由于課程內容理論性強，由于缺乏針對性的實驗啟發教學環節，學生很難在實驗前真正掌握實驗相關的知識點，頭腦中只留有抽象且不清晰的理論知識，缺乏對實驗環節所用器材、實驗原理及目的的感性認識，造成理論授課和實踐環節關聯不緊密。由于理論和實驗的脫節，只得在課上對相關知識進行講解，以便學生能進行實驗操作，動手實驗的環節進一步被壓縮，實驗的預期效果大打折扣。

3.2 課前預習不足，實驗步驟僵化

原有實驗課程僅要求學生針對實驗原理、目的和步驟進行預習，課前檢查預習情況僅能通過查看實驗報告上是否完成原理和步驟的書寫，無法保證學生真正理解并掌握實驗相關的知識。沒有循序漸進的課前鋪墊過程，預習效果無法達到獨立完成實驗的要求。預習的過程應該設置在理論授課的過程中，讓理論課的中講解內容為實驗預熱。實驗設置內容固定，課上不同小組完成的內容完全一致，沒能充分鍛煉學生的仿真能力，進而沒有自主設計和創新的機會。在實驗操作中學生依照指導書上的步驟逐一完成，機械化的完成操作，缺少獨立思考和自由發揮、創造的空間。課堂上的操作往往不夠熟練，實驗過程程式化、對實驗設備的使用不夠熟練，課堂中學習的積極性不高，嚴重影響實驗效果。

3.3 教學與考核形式單一

機械工程控制基礎以往的實驗教學中一直延續著老師教學生學的傳統教學方式，課堂按照課前簡單預習，課堂講解，學生按指導書操作，課后完成實驗報告的形式進行。學生一直是被動接受的一方，教學的形式過于單一。對于實驗課程的考核也獨立于理論課程的其他考核部分，占總成績的10%，主要依據學生的預習、課堂表現、實驗報告綜合給分，分別占實驗成績的10%，40%，50%。預習和課堂表現兩部分成績很難進行合理量化，由于實驗內容單一、步驟結果基本固定，實驗報告存在抄襲問題，導致實驗成績區分度很小。單一的教學與考核形式既不能調動學生學習的主動性、也無法起到激勵學生的作用。

4 線上線下相結合的《機械工程控制基礎》實驗教學設計

4.1 教學思路

根據機械類專業人才培養和學科發展的需要，緊跟控制領域前沿技術和智能制造對人才的迫切需求，機械工程控制基礎作為一門專業基礎課程為今后進一步學習和從事機械自動化相關工作奠定基礎[5-6]。鑒于課程本身理論性強、難于理解，實驗教學服務于整個課程的教學目標，通過實驗教學提升學生學習興趣，把抽象的理論具象化，一定程度上降低學習理解難度。在控制理論基礎實驗課程教學過程中充分發揮線上平臺的優勢，創造更多學生課前預習和課后學習的機會，減少教師課上的理論講解環節，通過課前對知識點、實驗器材使用的充分學習，在課上采用翻轉課堂的方式，把課堂更多的交給學生，把學生放在學習的主體位置。充分的課前準備工作有助于提高效率，在有限的時間內設置更多學生可以進行自主設計和創新的實驗項目，把傳統的驗證性實驗轉變成設計型實驗與研究型實驗。

4.2 教學模式設計

針對本科機械工程控制基礎實驗教學，結合線上線下兩種教學手段，通過實驗的直觀性一定程度上降低控制工程理論的理解難度，在理論課中穿插實驗相關內容的視頻實例起到實驗預習的效果，提升實驗的教學效果。

把實驗課前準備工作植入到理論授課中，提前錄制好與理論課講解知識點對應的實驗小視頻，在課上輔助講解和課后拓展訓練。循序漸進的對學生進行啟發，為實驗課程預熱的同時將實驗認知準備工作以潤物無聲的形式滲透在日常教學中，彌補實驗課時少的不足，強化學生理論和實際直接的認知鏈接能力，從而幫助學生理解理論課堂講解的知識，起到理論講述和實踐課程相互促進、互為補充的作用。把包括課上課后使用的知識點視頻、演示文稿、課前思考題、設備使用操作視頻指南等所有課程相關資料上傳到線上平臺，以便學生充分進行課前預習，利用線上平臺預習，通過設置思考題便于學生自查預習效果，也使教師在上課前掌握學生的預習情況。由于充分的預習，以翻轉課堂的形式完成實驗的理論介紹[7-8]，以學生為主，讓學生自主發問，變教授為探討，以4-6人的小組為單位布置實驗項目，加強課上學生之間的交流學習、啟發學生自主思考問題、設計方案的能力，加深對相關知識的的理解。借助平臺上豐富的資料和小組同學的深入交流，學生可以更好的完成實驗課堂現場操作并完成相關參數的設置與試湊并進行記錄。在線上平臺完成實驗報告和測試題的過程中可以結合線上視頻和課件對實驗進行梳理與總結，設置調查問卷了解學生對實驗的評價真實反饋教學效果和出現的問題。通過對實驗報告、測試題以及調查反饋結果進行綜合分析，不斷優化教學內容設置和教學模式

設計。

4.3 教學成效

機械工程控制基礎實驗室每學年對機械設計制造和工業工程兩個專業共計200余名同學開展教學工作，實施線上線下相結合的實驗教學模式后，學生的預習效果明顯提高。課前思考題回答準確率從50.2%提升到85.3%，實驗時基本能夠掌握實驗儀器的使用方法。通過與學生訪談得知，由于課前通過理論課程植入的實驗例程和線上平臺充足的預習資料，學生對實驗課程的興趣和期望明顯提升，對機械工程控制基礎課程的理解進一步加深。經過一個學年的實踐，學生的實驗成績有一定程度的提升。

5 結語

本文通過線上線下相結合的方式對機械工程控制基礎實驗教學的模式進行探索研究，有效提高學生學習機械工程控制基礎實驗相關內容的效率，培養了學生把理論和實踐相結合的能力，用實踐檢驗理論知識，用實驗現象溯源實驗原理，強化知識理解。這種教學模式提高了學生對問題進行綜合分析、提出系統解決方案的能力，使學生既懂得理論又具有一定的工程實踐能力，符合現階段人才培養的要求。文中提出的教學模式不僅限于機械工程控制基礎課程的實驗教學，也可以適用于其他理論性強難于理解的其他工科課程的實驗教學，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]王敏.機電控制工程基礎層次化在線實驗教學探討[J]. 現代計算機，2020，No.702（30）：89-92.

[2]杜坡，孫鳳，段振云，等.“六化一體”工程實訓運行模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2020，v.37;No.286（06）：209-213.

[3]盧洋藩，劉芙，陳立新.線上線下相結合的大型儀器相關實驗課程教學模式研究[J].實驗科學與技術，2020，v.18;No.101（04）：117-121.

[4]孫玲，李一辰.控制工程基礎混合式教學研究[J].教育教學論壇，2020，No.498（52）：250-252.

[5]王潔，谷艷玲，劉慧芳，等.機械類課程評價機制的改革與實踐[J].教育教學論壇，2018，No.371（29）：229-230.

[6]張建新，郭亮，劉燕娜，徐云.新工科背景下測控專業特色實驗室構建[J].實驗技術與管理，2020，v.37;No.292（12）：273-277.

[7]王曉燕，胡福年，丁啟勝.一種基于LabVIEW的傳感器與測量技術實驗平臺設計與實踐[J].工業和信息化教育，2019，No.82（10）：63-67+72.

[8]湯赫男，王世杰，趙鐵軍，等.基于慕課與翻轉課堂的機械設計實驗教學[J].機械設計，2018，35（S2）：406-408.