“機(jī)械原理”課程混合式教學(xué)改革與探索

任小勇 劉雨微 李秀明 鄭曉雯

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

機(jī)械原理作為機(jī)械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，起到連接基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程橋梁的作用，其目標(biāo)是讓學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器動(dòng)力學(xué)的基本理論知識(shí)，熟悉機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1]。 該課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的教學(xué)效果及學(xué)生的整體培養(yǎng)質(zhì)量具有重要影響[2]。 機(jī)械原理課程中的知識(shí)實(shí)踐性強(qiáng)，初接觸專業(yè)課的學(xué)生普遍感覺該課程抽象難學(xué)[3]。 在新工科建設(shè)背景下，國(guó)家對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提出了更高的要求，但該課程的學(xué)時(shí)卻有所縮減[4]。 因此，高校教師需要對(duì)機(jī)械原理授課方式進(jìn)行改革和探索，提升教學(xué)效率、改善教學(xué)質(zhì)量。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及， 信息傳播成本大幅度降低，網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源越來越豐富，如MOOC 平臺(tái)上就有大量的機(jī)械原理課程教學(xué)視頻， 其中僅國(guó)家精品課程就有6 門之多。線上教學(xué)資源的普及，使學(xué)習(xí)者可以不再拘泥于學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)，可利用課余的“碎片化”時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。 目前線上教學(xué)成為一種基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的新型教學(xué)模式。 2020 年由于疫情影響，高校部分課程開展了全面線上教學(xué)，然而教學(xué)效果卻差強(qiáng)人意，主要是由于線上教學(xué)缺乏教師的監(jiān)督和主導(dǎo)， 僅靠學(xué)生自主學(xué)習(xí)，很難達(dá)到一定的深度，對(duì)于機(jī)械原理這類實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，單純采用線上教學(xué)，學(xué)習(xí)效果更加難以滿足教學(xué)要求[6，7]。因此，如何將線上教學(xué)和線下課堂教學(xué)有機(jī)融合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，形成線上線下混合教學(xué)模式是目前教學(xué)模式改革探索的熱點(diǎn)話題[8-10]。

機(jī)械原理混合式教學(xué)不僅僅是獨(dú)立開展線上教學(xué)和課堂教學(xué)，而是二者的相互配合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，所以如何進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)是開展混合式教學(xué)的關(guān)鍵[11，12]。 本文基于“機(jī)械原理”課程教學(xué)現(xiàn)狀，以“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念為核心，開展混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)，對(duì)課程重點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，使學(xué)生能夠利用“碎片化”時(shí)間學(xué)習(xí)概念性知識(shí)，增加課堂教學(xué)互動(dòng)性和趣味性，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，從而提高學(xué)習(xí)效率，改善教學(xué)質(zhì)量。 以下介紹關(guān)于機(jī)械原理混合式教學(xué)改革與探索的具體內(nèi)容。

1 “機(jī)械原理”課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械原理是研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、 運(yùn)動(dòng)及機(jī)器動(dòng)力學(xué)共性理論問題的專業(yè)基礎(chǔ)課程， 具有概念晦澀、 理論抽象、知識(shí)繁雜、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于初接觸專業(yè)課的學(xué)生，由于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)起來具有一定的難度，目前其教學(xué)主要存在以下特點(diǎn)：

1.1 知識(shí)抽象繁雜，不及格率較高

“機(jī)械原理”課程一般面向的是大學(xué)二年級(jí)學(xué)生，是學(xué)生們接觸較早的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。 由于大部分學(xué)生缺乏機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此普遍感覺課程內(nèi)容抽象難學(xué)。 同時(shí)在新工科建設(shè)背景下，課程的信息量逐漸加大， 而課程學(xué)時(shí)卻有所縮減，更加增加了學(xué)習(xí)難度。 對(duì)于抽象繁雜的內(nèi)容，學(xué)生在有限的課堂教學(xué)中很難全面理解和掌握，同時(shí)由于每位學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和理解能力有所差別，在有限的課堂教學(xué)中，教師很難照顧到每位同學(xué)，致使部分學(xué)生會(huì)逐漸產(chǎn)生厭學(xué)、棄學(xué)情況，導(dǎo)致這門課程的不及格率多年居高不下。

1.2 課堂氣氛沉悶，師生互動(dòng)性差

抽象繁雜的概念以及學(xué)生欠缺的知識(shí)基礎(chǔ)導(dǎo)致在機(jī)械原理授課中學(xué)生難以與教師形成有效的互動(dòng)，課堂氣氛沉悶。 而出于教學(xué)進(jìn)度的考慮，在有限的課堂教學(xué)中也主要以教師的講授為主，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，課堂參與度不高。 沉悶的學(xué)習(xí)氣氛，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生走神、錯(cuò)位、茫然時(shí)有發(fā)生，教學(xué)效果可想而知。

1.3 理論實(shí)踐分離，創(chuàng)新能力有待提高

機(jī)械原理作為一門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，對(duì)理論與實(shí)踐相結(jié)合， 提高學(xué)生創(chuàng)新能力具有更高的要求。 而在目前有限的課堂授課中，教師不得不騰出大量時(shí)間來講授相關(guān)概念和理論推導(dǎo)，用于實(shí)踐運(yùn)用分析和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的課時(shí)嚴(yán)重不足。 同時(shí)期末考試主要以理論知識(shí)測(cè)試為主，而對(duì)綜合實(shí)踐能力的考核不夠，易出現(xiàn)“高分低能”現(xiàn)象，所培養(yǎng)的學(xué)生整體創(chuàng)新能力有待提高。

2 “機(jī)械原理”混合式教學(xué)改革與探索

“機(jī)械原理” 混合式教學(xué)改革的目標(biāo)是通過線上教學(xué)和線下教學(xué)相互配合，充分利用線上教育和線下教育的優(yōu)勢(shì)，提高教學(xué)效率，改善教學(xué)質(zhì)量。 該教學(xué)改革以“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念為核心[13]，將分別從教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)和學(xué)習(xí)效果考核幾個(gè)方面進(jìn)行論述，如圖1 所示。

圖1 混合式教學(xué)改革主體模式

2.1 線上線下教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)

在現(xiàn)有的教學(xué)資源基礎(chǔ)上， 針對(duì)混合式教學(xué)模式，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，進(jìn)行線上線下混合教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)。 該資源庫(kù)建設(shè)內(nèi)容主要包括視頻資源、多媒體資源、文檔資源和題庫(kù)資源等。 視頻資源主要是指MOOC、SPOC 等平臺(tái)現(xiàn)有的機(jī)械原理國(guó)家精品課程教學(xué)視頻、教研組錄制知識(shí)講解微視頻以及收集的知識(shí)拓展視頻等。 多媒體資源主要為機(jī)械原理課程的PPT課件、機(jī)構(gòu)的Flash 動(dòng)畫和機(jī)構(gòu)的圖片等。文檔資源主要包括授課所用的電子教材、課后輔導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新指導(dǎo)書、相關(guān)軟件使用教程等。 題庫(kù)資源主要包括概念測(cè)試題、綜合應(yīng)用例題分析、運(yùn)用案例分析、課后練習(xí)題等。

學(xué)習(xí)是一個(gè)復(fù)雜的過程，不同學(xué)生掌握知識(shí)的快慢可能有所不同，并且不同學(xué)生最佳的學(xué)習(xí)模式也會(huì)有所差異，教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)是以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率為核心，改善教學(xué)質(zhì)量為最終目標(biāo)的。 教師可以依托教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生也可以依據(jù)自己的學(xué)習(xí)喜好，選用相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。 同時(shí)，通過多種教學(xué)資源相互配合，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶和理解，而通過不斷的學(xué)習(xí)效果反饋，教學(xué)資源庫(kù)也會(huì)逐漸進(jìn)行優(yōu)化和豐富。

2.2 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)設(shè)計(jì)的核心理念是“以學(xué)生為中心”，授課教師基于教學(xué)資源庫(kù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，改造傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，使線上教學(xué)和線下教學(xué)有機(jī)融合，形成高質(zhì)高效的混合式教學(xué)模式。 而如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)和在線學(xué)習(xí)無縫對(duì)接，讓學(xué)生參與深層而有意義的學(xué)習(xí)，則是機(jī)械原理混合式教學(xué)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。 在該教學(xué)改革探索中，混合教學(xué)設(shè)計(jì)主要可分為學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)模式設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)四部分，具體內(nèi)容如圖2 所示。

混合式教學(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于讓學(xué)生能夠主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。 因此，學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)由傳統(tǒng)的概念知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)向?yàn)橹R(shí)的綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 具體在設(shè)計(jì)每一章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，要充分收集教師和學(xué)生的意見，依據(jù)章節(jié)知識(shí)，設(shè)立記憶、理解、應(yīng)用和創(chuàng)新四個(gè)目標(biāo)考察點(diǎn)，其中“記憶、理解”為初級(jí)認(rèn)知目標(biāo)，而“應(yīng)用、創(chuàng)新”是高級(jí)認(rèn)知目標(biāo)。 在新型的混合式教學(xué)中，“應(yīng)用、創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)目標(biāo)在設(shè)計(jì)中應(yīng)占有更多比重。

“機(jī)械原理”課程內(nèi)容相對(duì)比較繁雜，理論性強(qiáng)且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，并不是所有知識(shí)都適合線上學(xué)習(xí)，而線下學(xué)習(xí)常常又受到課時(shí)量的約束，因此，需要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，確定適合的學(xué)習(xí)模式，充分利用線上學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)的有機(jī)融合，提高學(xué)習(xí)效率。 各章節(jié)的知識(shí)主要可以劃分為概念記憶類、推導(dǎo)理解類、應(yīng)用實(shí)踐類和綜合創(chuàng)新類四種，每種知識(shí)所對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)模式有所不同，如圖2 所示。

圖2 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

概念記憶類知識(shí)的學(xué)習(xí)模式主要為線上學(xué)習(xí)，學(xué)生可通過線上教學(xué)視頻、多媒體課件以及動(dòng)畫演示等進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，充分利用自己課余的“碎片化”時(shí)間對(duì)課程中的名詞定義和相關(guān)概念進(jìn)行學(xué)習(xí)和記憶。 概念記憶類知識(shí)既基礎(chǔ)又重要，學(xué)習(xí)特點(diǎn)是需要大量的時(shí)間進(jìn)行記憶，且需要重復(fù)學(xué)習(xí)來加深記憶。 將該類知識(shí)移至課前線上自學(xué)，不僅可以節(jié)省大量的課堂學(xué)時(shí)用于后續(xù)的創(chuàng)新訓(xùn)練，同時(shí)不同學(xué)生可根據(jù)自己的能力和學(xué)習(xí)偏好選用不同的線上資源進(jìn)行不同的學(xué)習(xí)，最終達(dá)到相同的概念記憶程度，方便教師開展后續(xù)的課堂講解。 推導(dǎo)理解類和應(yīng)用實(shí)踐類知識(shí)的學(xué)習(xí)模式主要為線上自學(xué)和課堂教師講解。 對(duì)于推導(dǎo)理解類知識(shí)，學(xué)生課前通過觀看教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)學(xué)習(xí)中難以理解的部分，在線下課堂中，教師對(duì)學(xué)生難以理解的知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)講解，同時(shí)，教師可通過講解具體例題，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。 對(duì)于應(yīng)用實(shí)踐類知識(shí)，學(xué)生同樣先通過教學(xué)視頻對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行線上自學(xué)，對(duì)內(nèi)容和實(shí)踐應(yīng)用有大概的了解，而在線下課堂中，教師通過配套的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐讓同學(xué)們對(duì)所學(xué)知識(shí)有更深的認(rèn)識(shí)和理解，提高同學(xué)們的應(yīng)用實(shí)踐能力[14]。 對(duì)于綜合創(chuàng)新類知識(shí)，主要學(xué)習(xí)模式為線下討論，具體的學(xué)習(xí)活動(dòng)可以采用翻轉(zhuǎn)課堂、設(shè)立專題討論、課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練等。

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)

學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)過程是混合式教學(xué)的具體實(shí)施體現(xiàn)，教師完成教學(xué)設(shè)計(jì)后，向?qū)W生發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)模式以及相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。 學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)可以分為線上視頻課件學(xué)習(xí)、課堂面對(duì)面學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作學(xué)習(xí)和創(chuàng)新訓(xùn)練學(xué)習(xí)四類，如圖3 所示。 線上學(xué)習(xí)時(shí)間由學(xué)生自行安排，但需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成學(xué)習(xí)并通過線上考核測(cè)試。 課堂學(xué)習(xí)時(shí)間按課表進(jìn)行，學(xué)生課前總結(jié)線上學(xué)習(xí)疑問，課堂上由教師進(jìn)行答疑解惑。 同時(shí)依據(jù)教師設(shè)計(jì)的例題對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，積極參與課堂討論，回答教師提問，實(shí)現(xiàn)參與式和探究式學(xué)習(xí)。 實(shí)踐操作學(xué)習(xí)主要為參與具體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，通過體驗(yàn)式和探究式學(xué)習(xí)方式，對(duì)應(yīng)用實(shí)踐類知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)通過課堂實(shí)踐討論加深對(duì)應(yīng)用實(shí)踐類知識(shí)的理解。 相比于傳統(tǒng)的課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生在混合式教學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)中更需要注重創(chuàng)新能力的提高，積極參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練。 學(xué)生依照設(shè)定的討論專題進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，在提高知識(shí)綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力的同時(shí)，通過課堂演講匯報(bào)，向大家展示自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，培養(yǎng)與人交流溝通的能力。

圖3 學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)和學(xué)習(xí)效果考核模式

2.4 學(xué)習(xí)效果考核

學(xué)習(xí)效果考核是對(duì)教學(xué)情況的階段性測(cè)量，不同的考核方式對(duì)應(yīng)不同的學(xué)習(xí)活動(dòng)，考核結(jié)果為混合式教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)提供反饋和修正方向[15，16]。線上學(xué)習(xí)考核的題型主要為選擇題和填空題，對(duì)學(xué)生所學(xué)概念知識(shí)進(jìn)行快速測(cè)試。 學(xué)生每觀看一個(gè)微視頻即自動(dòng)彈出快速測(cè)試練習(xí)，完成測(cè)試后方可觀看下一個(gè)微視頻，同時(shí)整節(jié)內(nèi)容學(xué)完后，會(huì)有總的通關(guān)測(cè)試，學(xué)生進(jìn)行完整的視頻學(xué)習(xí)和通關(guān)測(cè)試后，才能獲得相應(yīng)線上學(xué)習(xí)分?jǐn)?shù)。 課堂學(xué)習(xí)中采用答疑提問的方式進(jìn)行考核，并布置課后作業(yè)，依照作業(yè)完成情況給定平時(shí)成績(jī)， 最后采用期末考試的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)效果考核。 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)考核采用平時(shí)答疑提問和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核方式。 創(chuàng)新訓(xùn)練通過完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)報(bào)告、專題討論報(bào)告以及討論演講報(bào)告等來進(jìn)行考核。 線上線下相結(jié)合的多元考核方式和過程，能最大限度地記錄學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程，為教師快速調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)提供反饋信息，也及時(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)提供指導(dǎo)幫助。

3 結(jié)語

采用線上線下混合式教學(xué)模式可以提高“機(jī)械原理”課程的教學(xué)效率，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，是機(jī)械原理教學(xué)改革和探索的重要方向之一。 基于“機(jī)械原理”課程當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀，提出開展機(jī)械原理混合式教學(xué)的改革方案。 主要通過將課程重點(diǎn)知識(shí)劃分為概念記憶類、推導(dǎo)理解類、應(yīng)用實(shí)踐類和綜合創(chuàng)新類，不同種類知識(shí)采用不同的學(xué)習(xí)方式，做到“以學(xué)生為中心”，實(shí)現(xiàn)了線上教學(xué)和線下教學(xué)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 教學(xué)實(shí)踐表明， 該混合式教學(xué)方式可以使學(xué)生充分利用課余的“碎片化”時(shí)間來學(xué)習(xí)，同時(shí)課堂學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和趣味性增加，提高了學(xué)習(xí)效率，改善了課程教學(xué)質(zhì)量。