引入虛擬和實(shí)物模型的互動式課堂教學(xué)模式研究
——以《機(jī)車車輛工程》教學(xué)改革為例

張書增

（中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

0 引言

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，其核心是確保本科畢業(yè)生能夠達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，因此所設(shè)置的課程均需要完成既定的教學(xué)目標(biāo)[1，2]。在工程教育認(rèn)證體系下，工科院校相關(guān)課程的教學(xué)工作需要以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，通過持續(xù)改進(jìn)逐步發(fā)展，即需要對傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式進(jìn)行必要的改革[3，4]。

《機(jī)車車輛工程》課程作為中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院交通設(shè)備與控制工程專業(yè)的必修專業(yè)課程之一，也是該專業(yè)最具專業(yè)特征的一門課程。該課程要求學(xué)生能全面地掌握鐵道機(jī)車車輛相關(guān)的基本知識，掌握機(jī)車車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、工作原理及運(yùn)行性能，熟悉國內(nèi)外機(jī)車車輛的發(fā)展趨勢與新的技術(shù)，為學(xué)生畢業(yè)后從事機(jī)車車輛相關(guān)技術(shù)工作奠定良好的基礎(chǔ)[1]。

本論文將以《機(jī)車車輛工程》課程為對象，針對課程的教學(xué)目標(biāo)，通過分析課程的教學(xué)難點(diǎn)，提出引入虛擬和實(shí)物模型進(jìn)入課堂輔助教學(xué)的改革措施，對課程教學(xué)過程中教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效規(guī)劃，并從課堂安排、課堂討論和課后作業(yè)布置情況等方面展開探討，通過反饋意見對教學(xué)改革成果進(jìn)行總結(jié)，最后對今后的課堂教學(xué)發(fā)展提出展望。

1 課程的教學(xué)的難點(diǎn)

《機(jī)車車輛工程》課程課堂講授內(nèi)容主要內(nèi)容包括鐵道機(jī)車車輛的基本知識，機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的基本組成和工作原理，機(jī)車車輛車體結(jié)構(gòu)，車端連接裝置的組成和作用原理，國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理等。其中諸如車鉤、減振器、各類型的轉(zhuǎn)向架等具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如果學(xué)生學(xué)習(xí)過程中僅通過教材二維或者三維圖等難以理解結(jié)構(gòu)的具體組成結(jié)果；諸如緩沖器工作原理、空心軸六連桿機(jī)車轉(zhuǎn)向架力的傳遞過程、車鉤三態(tài)作用過程等復(fù)雜的作用原理，僅僅通過課堂講解而沒有相關(guān)動畫演示，學(xué)生無法對相關(guān)作用原理形成有效的認(rèn)識。此外，關(guān)于課程目標(biāo)要求學(xué)生掌握機(jī)車車輛相關(guān)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)，且能夠針對特定需求完成系統(tǒng)、部件或工藝過程的設(shè)計(jì)等，該方面的內(nèi)容是無法僅通過教師講解達(dá)到目的的，必須要求學(xué)生參與課堂乃至課下進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)完成。因此，該課程的教學(xué)中，如何幫助學(xué)生理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)和掌握工作原理，以及如何培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)要領(lǐng)和原則等，成為該課程教學(xué)過程中需要重點(diǎn)解決的問題。

2 虛擬和實(shí)物模型引入課堂的教學(xué)模式

模型包含實(shí)物模型和虛擬模型，兩種模型各有特點(diǎn)，如觀看實(shí)物模型可以讓學(xué)生更直觀了解相關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，展示虛擬模型能夠讓學(xué)生了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組成。模型在教學(xué)中具有一定的優(yōu)勢，在軌道交通領(lǐng)域的教學(xué)中具有廣闊的發(fā)展前景，并且已在課堂教學(xué)中得到了一定的應(yīng)用。為了讓學(xué)生在課堂上即對所學(xué)結(jié)構(gòu)有更深的了解，加深對工作原理的認(rèn)識，將虛擬和實(shí)物模型引入至《機(jī)車車輛工程》課堂進(jìn)行課堂教學(xué)。

虛擬模型包括虛擬靜態(tài)模型和虛擬動態(tài)模型等，其中虛擬靜態(tài)模型更傾向于方便學(xué)生了解機(jī)車車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的組成和外形，尤其適用于內(nèi)部具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件[5]。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了多個(gè)機(jī)車車輛相關(guān)的虛擬模型，并在課堂的教學(xué)中進(jìn)行相關(guān)的展示。圖1（P134）顯示的是采用建模軟件設(shè)計(jì)制作的轉(zhuǎn)K5和轉(zhuǎn)K6貨車轉(zhuǎn)向架模型。在課堂教學(xué)過程中，采用該模型對貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的講解，學(xué)生能夠更輕松地了解具體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

圖1 課程中部分虛擬模型

虛擬動態(tài)模型包含模型的動畫演示等，其可以彌補(bǔ)虛擬靜態(tài)模型在展示工作原理和運(yùn)行狀態(tài)等動態(tài)過程方面的不足，學(xué)生通過觀看動畫，能夠?qū)C(jī)車車輛結(jié)構(gòu)中諸如機(jī)車轉(zhuǎn)向架裝配流程、減振器工作原理、柴油機(jī)工作原理等內(nèi)容有更深刻的認(rèn)識[6]。在虛擬動態(tài)模型輔助課堂教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向架拆解和組裝動畫、車鉤三態(tài)工作原理動畫等內(nèi)容，圖2展示了東風(fēng)11型內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架的組裝流程，該轉(zhuǎn)向架采用空心軸六連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過架懸結(jié)構(gòu)解決了大功率內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架上牽引電機(jī)的布置難題，減小了簧下質(zhì)量并具有較高的穩(wěn)定性。

圖2 課程中部分動畫展示

機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)中的實(shí)物模型，即是按照一定的比例和標(biāo)準(zhǔn)，將相關(guān)的結(jié)構(gòu)制作成型，既保持與實(shí)體相同的形式和特征，又能夠便于攜帶用于課堂講授。將實(shí)物模型引入課堂教學(xué)，在課堂中對模型進(jìn)行展示和講解，能夠使學(xué)生更好地形成立體思維，了解機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備的特點(diǎn)，進(jìn)一步運(yùn)用相關(guān)理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。圖3展示了課堂教學(xué)中選用的部分實(shí)物模型，包括13號車鉤模型，MT-3緩沖器模型等，模型可以拆解并可以展示工作過程，對學(xué)生掌握具體結(jié)構(gòu)提供很大的幫助。

圖3 課程中部分實(shí)物模型

3 學(xué)生參與模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化

《機(jī)車車輛工程》課程的教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生掌握交通設(shè)備與控制工程相關(guān)產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)，并能夠針對特定需求，將完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容以工程圖或設(shè)計(jì)報(bào)告等文本形式呈現(xiàn)。該教學(xué)目標(biāo)僅通過課堂的講授或者學(xué)生課后簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的，必須將適合設(shè)計(jì)或者優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、學(xué)生的討論和老師的指導(dǎo)、學(xué)生模型的制作、學(xué)生作品的展示和老師點(diǎn)評等多方面整合為一體，才能取得較好的效果，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

該課程中關(guān)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，主要選取貨車車輛底架的設(shè)計(jì)優(yōu)化、客車牽引緩沖梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化等內(nèi)容，要求學(xué)生考慮所學(xué)的機(jī)械、材料、力學(xué)和專業(yè)知識等多課程的內(nèi)容，結(jié)合設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則，完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能校核，并以圖紙或者模型等展示方式提交作業(yè)。在該環(huán)節(jié)中，課堂提出具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，并進(jìn)行分組討論給出初步的解決方案；通過老師指導(dǎo)點(diǎn)評后，給出下一步需要完善的內(nèi)容；要求學(xué)生課后查閱資料，學(xué)習(xí)軟件等進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)方案，并建立具體的模型；最后要求學(xué)生提交相關(guān)報(bào)告或參與答辯、指導(dǎo)老師進(jìn)行必要的點(diǎn)評和總結(jié)。學(xué)生參與模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的教學(xué)方法也在不斷改進(jìn)和完善過程中。

4 結(jié)語

在工程教育認(rèn)證背景下，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)出為導(dǎo)向的要領(lǐng)，開展了《機(jī)車車輛工程》課程的教學(xué)改革研究，在考慮課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的條件下，針對該課程的教學(xué)目標(biāo)，提出了將虛擬和實(shí)物模型引入課堂教學(xué)的方法，并指導(dǎo)學(xué)生參與模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等，以改善和提高課程的教學(xué)質(zhì)量。在近幾屆的課程教學(xué)改革中，通過學(xué)生的總體反饋、督導(dǎo)聽課點(diǎn)評和同行交流等，課程的教學(xué)改革獲得了一定的好評。其中，有了虛擬和實(shí)物模型輔助課堂教學(xué)，對于老師的講解和學(xué)生的學(xué)習(xí)變得更輕松；老師在課堂中可以更直觀地對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋說明，學(xué)生通過觀察或者觀看相關(guān)的模型對教學(xué)內(nèi)容有更深刻的認(rèn)識。通過學(xué)生參與模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高了學(xué)生課堂以及課后對該課程的參與度，使學(xué)生整合所學(xué)的知識并充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，加深了對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理解。課堂的教學(xué)氣氛更活躍，學(xué)生參與度更高，課程的教學(xué)目標(biāo)也得到一定的提升。

根據(jù)工程教育認(rèn)證中，根據(jù)持續(xù)改進(jìn)的精神，通過對課程教學(xué)過程、課堂表現(xiàn)以及教學(xué)成果的反思，并聽取學(xué)生的反饋意見，該課程的課堂教學(xué)仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，當(dāng)前實(shí)物模型在課堂教學(xué)的展示過程中，受時(shí)間和場地的限制，無法做到讓每一位同學(xué)都能有效觀察模型，因此尚需通過優(yōu)化實(shí)物模型擺放位置或者有序組織學(xué)生觀看來解決該問題；其次，學(xué)生參與模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程中，對設(shè)計(jì)要領(lǐng)的掌握仍不足，考慮的問題有所欠缺，后期仍需加強(qiáng)對學(xué)生的指導(dǎo)，盡可能幫助學(xué)生完善相關(guān)模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并開展相關(guān)實(shí)物模型的制作，以加深學(xué)生對設(shè)計(jì)等方面的思考。