《機(jī)械原理及設(shè)計》課程線上線下混合教學(xué)模式的建設(shè)與實踐

高志慧，郭衛(wèi)東

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京）

一 引言

北京航空航天大學(xué)開設(shè)的《機(jī)械原理及設(shè)計》課程是一門培養(yǎng)學(xué)生工程思維和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，是工科機(jī)械類系列教學(xué)的主干課程，包含機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計兩部分內(nèi)容。該課程具有以下特點：（1）課程內(nèi)容涉及廣泛的理論基礎(chǔ)知識，包括理論力學(xué)、材料力學(xué)和工程圖學(xué)等課程。（2）該課程是一門理論與實際緊密結(jié)合的課程，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，是機(jī)械類專業(yè)課的基礎(chǔ)。與機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)課相比，具有更廣泛的適應(yīng)性和通用性。（3）課程內(nèi)容繁多，但授課時間有限。按照傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)模式，在有限時間內(nèi)，實現(xiàn)學(xué)生對課程知識全面地吸收、消化和應(yīng)用存在較大的困難，不易形成系統(tǒng)和完整的工程設(shè)計理念。因此，有必要對本課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展以及教育的進(jìn)步和教學(xué)理念的更新，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行課程在線教學(xué)的方式和方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)平臺（例如MOOC）的迅速發(fā)展，在一定程度上引發(fā)了對課程的教與學(xué)的變革，隨時、隨地、無限次的聆聽教師的授課已成為現(xiàn)實，如何來迎接這一新的教學(xué)理念、新的教學(xué)方式和方法，如何對課程進(jìn)行建設(shè)和改革，以適應(yīng)“新工科”人才的培養(yǎng)目標(biāo)，是教師們面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了迎接這種挑戰(zhàn)，各高校紛紛對教學(xué)模式進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，其中線上線下混合式教學(xué)正在成為高校培養(yǎng)人才的典型新模式[1-3]。該模式將學(xué)習(xí)過程劃分為三個環(huán)節(jié)：課前知識準(zhǔn)備、課中答疑解惑和課后知識鞏固,其中課前和課后環(huán)節(jié)由學(xué)生使用在線學(xué)習(xí)平臺完成，課中教師采用傳統(tǒng)教學(xué)模式答疑解惑[4]。在此模式中，學(xué)生為教學(xué)主體，教師為引導(dǎo)者和指導(dǎo)者，將課堂上教師的主導(dǎo)作用與網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性和創(chuàng)造性等優(yōu)勢結(jié)合起來，大大提高了課堂效率[5-6]。

二 線上線下混合教學(xué)模式的建設(shè)

《機(jī)械原理及設(shè)計》為一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，理論知識是實踐設(shè)計的基礎(chǔ)，實踐設(shè)計能力的培養(yǎng)與提高是本課程的教學(xué)目標(biāo)。據(jù)此，制定了線上教學(xué)與線下課堂教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)模式（圖1），通過精心設(shè)置線上線下教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源，實現(xiàn)線上線下教學(xué)互促、優(yōu)勢互補(bǔ)，以提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

圖1 線上線下混合教學(xué)模式

(一) 課前基于SPOC 線上自主學(xué)習(xí)

基于北京航空航天大學(xué)機(jī)械原理及設(shè)計教學(xué)團(tuán)隊錄制的《機(jī)械原理及設(shè)計》MOOC 課程，創(chuàng)建班級專屬的SPOC課程。學(xué)生根據(jù)教師布置的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在課前通過專屬的SPOC 課程自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識，初步掌握有關(guān)知識內(nèi)容，為線下課堂研討式教學(xué)做好準(zhǔn)備。同時完成相應(yīng)的章節(jié)測試，自行檢查自學(xué)效果，通過糾錯改錯，加深知識的理解，并可以在討論區(qū)對疑難問題進(jìn)行研討。另外，教師可以通過SPOC 平臺隨時查看每個學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況，并計入平時成績。

（二） 基于云班課的線下課堂教學(xué)

在線下課堂教學(xué)中，改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師為主導(dǎo)者、學(xué)生被動地聽和學(xué)的方式，而是以學(xué)生為中心”，采取“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式。教師通過課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)記錄，初步了解學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況，并以此為依據(jù)，規(guī)劃課堂教學(xué)內(nèi)容。在課堂學(xué)習(xí)中，首先對重點知識進(jìn)行梳理，對疑難問題進(jìn)行討論答疑，實現(xiàn)對基礎(chǔ)知識的加深和鞏固。為了進(jìn)一步提高學(xué)生對相關(guān)知識的理解，教師課前收集和設(shè)計由易到難、由淺入深的相關(guān)機(jī)械問題，并在課堂教學(xué)中適時把這些機(jī)械問題提供給學(xué)生，由學(xué)生自由討論、頭腦風(fēng)暴、探究解決問題的方法，激發(fā)學(xué)生參與問題討論的積極性和主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生的思辨能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)課堂基礎(chǔ)知識的拓展和延伸。另外，在云班課中設(shè)置大量的“隨堂測驗”題目，實現(xiàn)每次課堂知識必檢查，并把測試成績記錄為一項平時成績。

（三） 課后作業(yè)和基于團(tuán)隊協(xié)作的工程項目實踐

課后完成作業(yè)和工程項目實踐活動，進(jìn)一步加深對知識的理解和拓展、提高團(tuán)隊協(xié)作能力和工程設(shè)計能力。特別是在工程項目實踐活動中，要求學(xué)生以團(tuán)隊的形式根據(jù)設(shè)計任務(wù)完成“機(jī)械總體方案設(shè)計與選擇”→“執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案設(shè)計及分析”→“執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計”的整個設(shè)計過程，如圖2 所示。通過工程項目實踐活動、學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作，對所學(xué)知識進(jìn)行整合梳理，掌握一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計過程，建立機(jī)械設(shè)計的系統(tǒng)性和完整性概念，熟悉和初步掌握先進(jìn)的設(shè)計與分析技術(shù)，將先進(jìn)技術(shù)（虛擬樣機(jī)技術(shù)、有限元技術(shù)）與機(jī)械學(xué)經(jīng)典理論有機(jī)結(jié)合，從而全面培養(yǎng)和提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。為學(xué)生后期機(jī)械專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好堅實的理論基礎(chǔ)和先進(jìn)技能。

圖2 工程實踐項目訓(xùn)練

由此可見，在該教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程為 “知識的初步掌握→知識的鞏固與加深→知識的實踐與拓展”，為一種進(jìn)階式學(xué)習(xí)模式。改革的重點是將課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐、分析問題和解決問題的能力；將基礎(chǔ)理論知識與項目實踐鍛煉有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計能力，培養(yǎng)勇于探索和敢于創(chuàng)新的品質(zhì)。

三 課程的培養(yǎng)目標(biāo)

該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是以設(shè)計為導(dǎo)向，創(chuàng)建一個“以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)者”的《機(jī)械原理及設(shè)計》課程教學(xué)新模式。培養(yǎng)具有扎實的基礎(chǔ)理論知識、濃厚的自主學(xué)習(xí)興趣、善于分析問題和解決問題、勇于創(chuàng)新，能夠借助先進(jìn)工程技術(shù)分析軟件解決復(fù)雜工程設(shè)計問題的人才，滿足新工科教育需求。為了實現(xiàn)該培養(yǎng)目標(biāo)，需要對各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行周密地考慮和設(shè)計，各教學(xué)環(huán)節(jié)與課程培養(yǎng)目標(biāo)的映射關(guān)系如圖3 所示。

圖3 培養(yǎng)目標(biāo)

(一) 自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

俗話說“活到老，學(xué)到老”。而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是以教師作為整個課堂的掌舵者和中心角色，將書本知識比較詳細(xì)化、系統(tǒng)化地傳授給學(xué)生，學(xué)生處于被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)。當(dāng)學(xué)生走出校園后，其學(xué)習(xí)模式為自主學(xué)習(xí)，因此在校園教學(xué)中就需要培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在本課程線上線下混合教學(xué)模式中，學(xué)生課前需要按照任課教師的安排進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過一段時間的鍛煉，學(xué)生漸漸養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，而且可以把自主學(xué)習(xí)拓展到其他課程，包括自主尋找學(xué)習(xí)資源、自主聽課和練習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和終生自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。

(二) 交流和思辨能力的培養(yǎng)

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，由于教學(xué)大綱和教學(xué)計劃的要求以及課堂時間的有限性，導(dǎo)致生生之間、師生之間互動交流的機(jī)會有限，學(xué)生課堂參與表現(xiàn)為“長于聽、訥于言”。在線上線下混合教學(xué)模式中，可以提供更多的時間以供學(xué)生參與討論或演講，從而有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的交流表達(dá)能力和思辨能力。例如，在課堂討論環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以自由發(fā)言和討論，特別是在工程項目實踐活動中，設(shè)置了項目開題、中期檢查和結(jié)題答辯等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生以團(tuán)隊形式做PPT 并進(jìn)行現(xiàn)場答辯，學(xué)生即是演講者又是提問者，從而促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行語音表達(dá)和交流。

(三) 團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)

古人云：“人心齊，泰山移”。團(tuán)隊協(xié)作是一切事業(yè)成功的基礎(chǔ)，團(tuán)隊協(xié)作可以超越個體的局限，產(chǎn)生一加一大于二的效果。首先需要讓學(xué)生認(rèn)識到團(tuán)隊協(xié)作的重要性，其次是實現(xiàn)以團(tuán)隊協(xié)作形式完成任務(wù)。在工程項目實踐活動中，同學(xué)們需以團(tuán)隊形式完成一個機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計和分析任務(wù)。在該過程中，通過共同學(xué)習(xí)，同學(xué)之間實現(xiàn)信息和資源共享，加大信息交流量，拓展每個同學(xué)思維的深度和廣度，不僅可以激發(fā)每個同學(xué)的潛力，還能培養(yǎng)同學(xué)之間團(tuán)結(jié)互助的協(xié)作精神和能力，從而促進(jìn)同學(xué)之間的友情，提高工作效率和效果。

(四) 創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)

在完成工程項目實踐活動中，同學(xué)們需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資源，利用已學(xué)的知識進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，從而實現(xiàn)基礎(chǔ)理論知識與項目實踐鍛煉有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計能力，培養(yǎng)勇于探究和敢于創(chuàng)造的精神。

四 教學(xué)資源的建設(shè)

(一) 機(jī)械原理及設(shè)計MOOC 課建設(shè)

根據(jù)機(jī)械原理及設(shè)計課程內(nèi)容多、知識碎片化的特點，將課本內(nèi)容分解為若干個知識點，每個知識點錄制一段10~20 分鐘的微視頻，以便于學(xué)生可以利用散碎的時間完成各個知識點的學(xué)習(xí)。同時針對每個知識點設(shè)置隨堂測試，讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊自我檢測，及時了解學(xué)習(xí)效果。通過設(shè)計討論題，以引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行思考，參與討論并留言，實現(xiàn)對知識點的拓展和延伸。另外，每章設(shè)置單元測驗，檢測學(xué)生對本章內(nèi)容掌握的情況。

(二) 云班課的建設(shè)

本課程基于云班課平臺進(jìn)行線下課堂教學(xué)活動和管理，在云班課平臺建設(shè)了豐富多樣的教學(xué)資源和多元化的教學(xué)活動。教學(xué)資源主要包括參考教材、拓展微視頻、機(jī)械設(shè)計趣味知識、機(jī)械工程案例設(shè)計圖片或動畫、優(yōu)秀作業(yè)展示等模塊；教學(xué)活動主要包括隨堂測驗、調(diào)查問卷、頭腦風(fēng)暴、作業(yè)的布置、提交和批改以及工程項目實踐的開題、中期檢查和結(jié)題等內(nèi)容。經(jīng)過兩年多的努力，建立了387 項教學(xué)資源和192 項教學(xué)活動。

(三) 工程項目實踐庫的建設(shè)

由于《機(jī)械原理及設(shè)計》課程內(nèi)容多，包括機(jī)構(gòu)組成原理、常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析與設(shè)計、機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計、連接設(shè)計、傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計、軸與軸承等。雖然各章內(nèi)容比較完整，但是整體內(nèi)容表現(xiàn)為碎片化，缺乏關(guān)聯(lián)性，難以培養(yǎng)學(xué)生從宏觀上掌握機(jī)械系統(tǒng)整體的設(shè)計思路和方法。另外，《機(jī)械原理及設(shè)計》課程的特色是理論與實踐緊密結(jié)合，鞏固、拓展和提升理論知識的最佳手段是實踐，因此有必要根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置合適的，具有一定挑戰(zhàn)性的工程項目實踐庫。

教學(xué)團(tuán)隊老師根據(jù)多年豐富的教學(xué)和科研經(jīng)驗，從生活、工程和科研中挖掘難易程度不同的設(shè)計題目，供學(xué)生根據(jù)自身的情況進(jìn)行選擇。

五 課程評價體系的設(shè)計

為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和全面掌握學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)效果，本課程實施學(xué)習(xí)過程評價體系，構(gòu)建了“課前自主學(xué)習(xí)+上課出勤+隨堂測驗+ 課后作業(yè)+ 工程實踐項目訓(xùn)練+ 期末考試”的評價體系。基于學(xué)校專屬的“SPOC 課程”和“云班課”等現(xiàn)代化信息技術(shù)，記錄每個學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中每個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況，整個評價過程透明、可追溯，便于學(xué)生和教師隨時把握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和效果。此評價體系打破了某些學(xué)生“逍遙一學(xué)期，考前一突擊”的傳統(tǒng)觀念，有利于培養(yǎng)學(xué)生腳踏實地、知行合一的學(xué)習(xí)習(xí)慣和專業(yè)素養(yǎng)。

六 教學(xué)實踐及效果

2021 年春季，北京航空航天大學(xué)《機(jī)械原理及設(shè)計》課程采用了線上線下混合教學(xué)模式，經(jīng)過一輪的教學(xué)活動，取得了一定的成績，得到了一些經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)了一些不足。

由于該教學(xué)模式是基于學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)進(jìn)行的，而且課程評價體系貫穿整個學(xué)期的每個教學(xué)環(huán)節(jié)，從而督促和激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，有利于學(xué)生形成終生自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。

在多元化考核模式下，學(xué)生出勤率大幅提高，基本達(dá)到整個學(xué)期全部出勤，且無遲到和早退的現(xiàn)象。另外，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，課堂討論、隨堂測試等環(huán)節(jié)促使學(xué)生全神貫注積極參與到課堂活動中，減少了上課思想游離的狀態(tài)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

在工程項目實踐活動中，同學(xué)們分組團(tuán)隊合作，查閱文獻(xiàn)，利用現(xiàn)代化設(shè)計手段進(jìn)行分析和設(shè)計，編寫項目報告、制作PPT，進(jìn)行項目匯報和答辯，并進(jìn)行自評和互評。在此過程中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、團(tuán)隊合作能力、語音表達(dá)能力和思辨能力，提升了學(xué)生全方位的素質(zhì)。通過工程項目實踐活動，同學(xué)們初步品嘗到了付出的辛苦，也收獲了成功的喜悅。

為了及時了解同學(xué)們對新教學(xué)模式的意見和建議，進(jìn)行了數(shù)次無記名調(diào)查文卷活動。在初期階段，同學(xué)們懷著懵懂和好奇的心情進(jìn)行嘗試，經(jīng)過三、四周的鍛煉，大部分同學(xué)適應(yīng)了新的教學(xué)模式并且喜歡上了該教學(xué)模式，有少數(shù)同學(xué)對教學(xué)模式的態(tài)度是無所謂。同時，同學(xué)們基本都具備了自主學(xué)習(xí)的能力，此能力將會使學(xué)生受益終生。

另外，經(jīng)過一個完整的教學(xué)實踐活動，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，主要體現(xiàn)在課堂某些教學(xué)內(nèi)容的提煉精簡程度方面。因為此部分教學(xué)內(nèi)容是基于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況確定的，而且學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果參差不齊，因此，為了滿足絕大部分學(xué)生的需求，需要不斷地根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)和完善。

七 結(jié)語

《機(jī)械原理及設(shè)計》課程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的機(jī)械類技術(shù)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計能力的關(guān)鍵課程。在傳統(tǒng)工科向“新工科”轉(zhuǎn)型升級的背景下，根據(jù)本課程的特點和多年的教學(xué)經(jīng)驗，我校對該課程進(jìn)行了線上線下混合教學(xué)模式的建設(shè)和實踐。通過建設(shè)豐富的線上課程資源、多樣化的研討式課堂活動、具有挑戰(zhàn)性的課后工程項目實踐以及全方位、多元化的考核方式，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。