機(jī)械實驗教學(xué)混合教學(xué)模式的研究與探討

陳勇 李嬌 陳曉紅

摘? 要：針對機(jī)械實驗教學(xué)中心傳統(tǒng)的教與學(xué)現(xiàn)狀，基于互聯(lián)網(wǎng)+教育的新模式，對以學(xué)生為中心、線上線下混合式實驗教學(xué)模式進(jìn)行了研究。通過建設(shè)線上云平臺中心，按需部署機(jī)械實驗教學(xué)各類應(yīng)用軟件與仿真軟件，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的線上線下混合式機(jī)械實驗教學(xué)新模式，實現(xiàn)教師與學(xué)生共享實驗教學(xué)資源，學(xué)生可隨時隨地自主學(xué)習(xí)，教師可持續(xù)優(yōu)化教學(xué)資源以及改進(jìn)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：云平臺；線上線下；自主學(xué)習(xí)；混合教學(xué)模式；傳統(tǒng)教學(xué)

中圖分類號：TP39；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）06-0186-04

Research and Discussion on the Blending Learning Mode of Mechanical Experimental Teaching

CHEN Yong， LI Jiao， CHEN Xiaohong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan? 442002， China）

Abstract： In view of the traditional teaching and learning status of the mechanical experiment teaching center， based on the new mode of Internet + education， the student-centered， online and offline blending experimental teaching mode is studied. By constructing an online cloud platform center， deploying all kinds of application software and simulation software for mechanical experiment teaching as required， and building a new internet-based online and offline blending mechanical experiment teaching mode， teachers and students can share experimental teaching resources， students can learn independently at any time and anywhere， teachers can continue to optimize teaching resources and improve teaching methods.

Keywords： cloud platform; online and offline; autonomous learning; blending learning mode; traditional teaching

0? 引? 言

在《國家教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提到，建成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下的人才培養(yǎng)新模式，支撐各類創(chuàng)新型教學(xué)的常態(tài)化應(yīng)用[1]，推動優(yōu)質(zhì)教育資源開放共享，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式。在教育行業(yè)中，使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)教學(xué)方式的改革已經(jīng)非常廣泛，出現(xiàn)了很多基于互聯(lián)網(wǎng)的線上教育平臺，如慕課、超星學(xué)習(xí)通等教學(xué)平臺，使用了豐富的多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等，使教學(xué)具有了信息化、智能化、移動化的新特性。但在課程對應(yīng)的實驗教學(xué)中，大部分教學(xué)還是傳統(tǒng)的教與學(xué)的模式，不符合當(dāng)前大學(xué)生對教學(xué)工具、教學(xué)形式的多樣性需求，需要不斷推進(jìn)基于互聯(lián)網(wǎng)的實驗教學(xué)改革。

1? 機(jī)械實驗教學(xué)中心的實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械實驗教學(xué)中心承擔(dān)著機(jī)全校機(jī)械設(shè)計制造、汽車、材料等多個專業(yè)課程實驗教學(xué)，主要有機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、CAD技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用、CAE技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用、數(shù)字化設(shè)計制造等所有專業(yè)課程的實驗教學(xué)任務(wù)，如圖1所示。

作為教學(xué)中的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，中心的實驗項目還是傳統(tǒng)的教與學(xué)的模式。教學(xué)中學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書完成實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告這三個教學(xué)環(huán)節(jié)，存在學(xué)習(xí)形式單一、實驗設(shè)備操作不足（設(shè)備臺套有限）、課后無法回顧等問題[2]。學(xué)校現(xiàn)用的超星學(xué)習(xí)通等網(wǎng)上教學(xué)平臺，在涉及實驗課程中基于3D的VR虛擬實驗仿真系統(tǒng)效果很不理想，CAD/CAE課程的上機(jī)軟件（CATIA、UG、中望3D、ANSYS）上機(jī)環(huán)境構(gòu)建困難；使用基于互聯(lián)網(wǎng)的高校共享虛擬仿真實驗室平臺，但由于涉及每個學(xué)校實驗設(shè)備硬件條件不同、實驗要求不同，使用效果一般。機(jī)械專業(yè)實驗教學(xué)中普遍存在學(xué)生無法進(jìn)行線上實驗預(yù)習(xí)、仿真操作、課后復(fù)習(xí)與提交報告的過程。也存在任課教師、實驗教師、學(xué)生三者溝通困難，資源不能共享的現(xiàn)狀。

2? 機(jī)械實驗教學(xué)中心混合教學(xué)建設(shè)的意義

針對機(jī)械實驗教學(xué)中心教學(xué)現(xiàn)狀，構(gòu)建基于云平臺中心的混合教學(xué)方式，建設(shè)實驗中心信息化、智能化共享硬件平臺與實驗室信息化、智能化仿真資源，以改革教法，強(qiáng)化實驗操作，推進(jìn)實驗教學(xué)建設(shè)，豐富實驗教學(xué)資源，簡化實驗環(huán)境準(zhǔn)備工作，實現(xiàn)學(xué)生為中心，因此，實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的教育技術(shù)的混合教學(xué)新模式具有重要意義[3]。

3? 機(jī)械實驗教學(xué)中心混合教學(xué)模式建設(shè)方案

機(jī)械實驗教學(xué)中心混合教學(xué)模式建設(shè)中，轉(zhuǎn)變教與學(xué)的方式，尤其是轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式是本項目的核心任務(wù)之一，目的是轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)方式，改變學(xué)生在學(xué)校里的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新實踐能力，以學(xué)生為中心，實現(xiàn)實驗教學(xué)信息共享（隨時隨地訪問），實驗教學(xué)過程合理（線上、線下），實驗操作“智能”（VR、仿真、創(chuàng)新），實驗教學(xué)結(jié)果實時反饋的研究內(nèi)容，實現(xiàn)任課老師、實驗教師、學(xué)生完全可以共享實驗資源。

任課教師可以通過平臺詳細(xì)了解實驗項目的內(nèi)容和效果，合理的修訂教學(xué)大綱。實驗教師可以通過平臺改革實驗教學(xué)過程，持續(xù)豐富實驗教學(xué)資源，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，基于OBE形成一個閉環(huán)的實驗教學(xué)反饋系統(tǒng)；學(xué)生可以隨時隨地便捷訪問平臺資源，及時完成實驗預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，實現(xiàn)實驗過程中“課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)”為線上模式，以提高學(xué)生多渠道多形式自主學(xué)習(xí)為目標(biāo)，構(gòu)建基于校園網(wǎng)的線上線下混合實驗教學(xué)模式，在教與學(xué)中充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，給學(xué)生更多的主動性和自由，實現(xiàn)從以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變；機(jī)械實驗教學(xué)混合教學(xué)模式建設(shè)方案如圖2所示[4]。

4? 機(jī)械實驗教學(xué)中心混合教學(xué)建設(shè)內(nèi)容

4.1? 實驗室線下資源建設(shè)

機(jī)械實驗教學(xué)中心根據(jù)專業(yè)認(rèn)證要求在2016—2021年度期間完成了機(jī)器人、機(jī)床裝備與液壓氣壓等實驗室線下資源建設(shè)，計劃2022—2023年度建設(shè)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、CAD/CAE等課程線下實驗資源建設(shè)。其中，機(jī)械原理實驗共9學(xué)時，4個實驗項目（機(jī)構(gòu)認(rèn)識實驗、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的測繪與分析實驗、齒輪范成原理實驗、機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計與搭接實驗）計劃購置相應(yīng)的實驗設(shè)備共3種（機(jī)構(gòu)運(yùn)動試驗臺、齒輪范成試驗臺、機(jī)械運(yùn)動方案設(shè)計與搭接試驗臺）。機(jī)械設(shè)計實驗共8學(xué)時，5個實驗項目（帶傳動實驗、螺栓聯(lián)接實驗、滑動軸承實驗、減速器拆裝實驗、組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析實驗），實驗設(shè)備4種（帶傳動實驗臺、螺栓聯(lián)接實驗臺、滑動軸承實驗臺、組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析實驗箱）。CAD/CAE課程實驗軟件有國產(chǎn)中望3D和HyperWorks軟件，每個實驗設(shè)備配套有虛擬仿真實驗系統(tǒng)，能夠滿實驗教學(xué)要求。

4.2? 機(jī)械實驗教學(xué)線上云平臺中心建設(shè)

4.2.1? 云平臺中心建設(shè)

機(jī)械實驗教學(xué)中心線上云平臺中心由GPU高性能服務(wù)器、分布式云存儲系統(tǒng)、高性能開放實驗平臺系統(tǒng)、3D云桌面系統(tǒng)、云終端設(shè)備五個部分組成。云平臺中心結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖3所示。

線上共享實驗平臺建設(shè)是基于HPC的開放云平臺實踐環(huán)境，如圖4所示。HPC桌面云數(shù)據(jù)中心為教師與學(xué)生每人交付一臺GPU云電腦及個人專屬云存儲空間，可以在任意終端流暢地運(yùn)行各類VR虛擬仿真實驗或高性能CAD/CAE應(yīng)用。線上學(xué)生通過終端設(shè)備登錄自己的GPU云電腦賬號，在寢室、圖書館或是家中，隨時隨地便捷訪問共享的開放實驗項目仿真資源，及時完成實驗預(yù)習(xí)，了解實驗內(nèi)容與設(shè)計實驗方案。線下學(xué)生完成實驗操作后，可以隨時訪問共享的開放實驗項目仿真資源，復(fù)習(xí)總結(jié)實驗過程，撰寫提交實驗報告。線上線下混合教學(xué)極大拓寬了學(xué)生自主學(xué)習(xí)時長，實現(xiàn)實驗課內(nèi)外無縫對接。成為可運(yùn)行機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理等實驗仿真系統(tǒng)及CAD/CAE的高性能開放云平臺中心[5]。

IaaS層，按需配置多臺GPU高性能服務(wù)器，構(gòu)建GPU集群超算云資源池，前端為實驗實訓(xùn)機(jī)房的瘦終端設(shè)備或利舊機(jī)房低配舊電腦。服務(wù)器通過接入實驗中心的匯聚交換機(jī)與校園網(wǎng)核心交換機(jī)相連，以保證全院的師生在實驗教室之外、接入校園網(wǎng)的任何終端登錄個人工作空間，即可獲得高性能的應(yīng)用服務(wù)。

PaaS層，采用高性能開放實驗平臺系統(tǒng)及云桌面系統(tǒng)搭建新工科開放實驗平臺，為各類實驗實訓(xùn)軟件提供承載與運(yùn)行環(huán)境，以微服務(wù)架構(gòu)，針對不同課程的實驗需求，一次性批量交付大量一致的實驗教學(xué)云桌面應(yīng)用環(huán)境。

SaaS層，應(yīng)用承載庫可支持上百個實驗仿真資源應(yīng)用集中部署，并以單一實例方式實現(xiàn)應(yīng)用發(fā)布、應(yīng)用升級及應(yīng)用運(yùn)維，且可擴(kuò)展。滿足實驗教學(xué)的多個實驗項目仿真應(yīng)用場景下的各類虛擬仿真實驗等教學(xué)得以順利開展。

機(jī)械實驗教學(xué)中心與武漢興和云公司達(dá)成了基于云平臺構(gòu)建的共享實驗體系的協(xié)議，進(jìn)行了方案論證與功能測試，在2022年度初步完成了平臺基礎(chǔ)的建設(shè)，云平臺中心如圖5所示。

4.2.2? 實驗項目智能化應(yīng)用資源建設(shè)

主要實驗項目智能化應(yīng)用資源如下：

（1）實驗設(shè)備自帶項目仿真資源。實驗室線下資源建設(shè)中設(shè)備廠商都開發(fā)了與實驗設(shè)備配套的實驗項目VR和虛擬仿真實驗，可以滿足學(xué)生使用該系統(tǒng)進(jìn)行實驗項目仿真，將實驗虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)的實驗設(shè)備緊密結(jié)合，將實物模型與虛擬動畫模型結(jié)合，構(gòu)造一個虛實結(jié)合的實驗環(huán)境，充分展示其實驗設(shè)備操作與實驗過程原理及特點，讓學(xué)生在虛擬實驗臺上大膽動手，充分操作，使實驗操作具有智能化，是共享實驗資源。

（2）工程軟件。CAD/CAE實驗課程上機(jī)需要使用大量工程軟件，主要有中望3D、CATIA、Hyper-works、Math-Lab等。這些工程軟件對機(jī)器配置要求高，安裝和配置過程復(fù)雜，是共享上機(jī)資源，如圖6所示。

（3）教師制作教學(xué)資源。理論教師根據(jù)教學(xué)大綱要求制作實驗教學(xué)大綱與考核標(biāo)準(zhǔn)，實驗教師根據(jù)教學(xué)大綱實驗要求制作的教學(xué)資源，主要有實驗指導(dǎo)書、實驗設(shè)備操作視頻、軟件操作視頻、建模分析視頻等，圖7是自己制作的插補(bǔ)原理仿真實驗資源。實驗教師還可以對實驗課程內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，制作創(chuàng)新性的實驗項目資源供學(xué)生選做，加強(qiáng)學(xué)生工程實踐能力和研究精神。

5? 結(jié)? 論

機(jī)械實驗教學(xué)云平臺中心支持專有的實驗設(shè)備。機(jī)械實驗教學(xué)中心在2016—2022年度期間采購的實驗設(shè)備來自不同區(qū)域、不同廠家，實驗設(shè)備區(qū)別較大，不同設(shè)備的虛擬仿真操作也都不相同，比如機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計的實驗設(shè)備分別采購的湖南佳訊公司和杭州星辰公司設(shè)備，系統(tǒng)自帶的仿真軟件各不相同。通過機(jī)械實驗教學(xué)云平臺中心合理配置各種仿真軟件，云平臺就根據(jù)師生需求動態(tài)并合理地分配實驗教學(xué)資源，根據(jù)不同課程實驗項目仿真要求，按需封裝成不同的實驗項目資源容器，自由組合，靈活便捷交付所有學(xué)生使用。后期可以進(jìn)一步擴(kuò)展專用實驗設(shè)備的仿真資源和自建資源，滿足實驗內(nèi)容和教學(xué)手段的不斷發(fā)展與更新。

機(jī)械實驗教學(xué)云平臺中心實現(xiàn)了師生共享教學(xué)資源。云平臺可以根據(jù)師生需求動態(tài)并合理地分配實驗教學(xué)資源，支持了機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計虛擬仿真實驗、CAD/CAE等高性能應(yīng)用；在2022年的“CAD技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用”等實驗課程中，使用效果良好。

機(jī)械實驗教學(xué)云平臺中心實現(xiàn)了混合實驗教學(xué)的新方法。基于云平臺中心的機(jī)械實驗教學(xué)轉(zhuǎn)變了實驗教與學(xué)的方式，改變了學(xué)生在學(xué)校里學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)出來的學(xué)生能夠比傳統(tǒng)方式培養(yǎng)出來的更具自主性和創(chuàng)新實踐能力。今后在機(jī)械實驗教學(xué)中可以進(jìn)一步通過改革教法、強(qiáng)化線上線下實驗方法，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，簡化實驗環(huán)境準(zhǔn)備工作，構(gòu)建基于信息技術(shù)的實驗教學(xué)新方法、發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式。

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作者簡介：陳勇（1972—），男，漢族，湖北十堰人，高級實驗師，學(xué)士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與制造、智能制造、高等教育實踐教學(xué)。

收稿日期：2022-10-03

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（202102213049）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（202101354014）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（220604555293718）；湖北省高等學(xué)校實驗室研究項目（HBSY2021-19）