面向大規模學生在線實踐直播教學模式探究
——以“云上金工實習”為例

張海光， 何嵐嵐， 李文彬， 郭 帥， 彭章友

（上海大學工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海 200444）

0 引 言

2022 年3 月起上海新冠疫情來勢洶洶，全市處于封控狀態，依據教育部“停課不停教，停課不停學”的總體方針［1］，全體學校均采取線上教學方式。上海大學工程訓練中心（簡稱：中心）是上海大學工程人才培養主戰場，一直在不斷探索卓越創新工程人才的培養模式，每年承擔著面向全校近4 000 名學生約40 萬人時數的實習實踐教學任務。實踐教學重在實踐，通常在實驗室或實操現場完成，這正是實踐教學的魅力所在，僅僅依靠線上理論知識傳授遠遠達不到預期的教學效果。那么，由于疫情所致，如何在無法線下實踐的情況下保證實踐課的教學質量，如何充分利用各種教學資源讓在線教學更有效地發揮作用［2-6］，如何能讓線上實踐做到與線下實踐“實質等價”，甚至優于單純的線下實踐課程，不僅是上海大學也是各所高校都要面臨的重大挑戰，這一道難題實實在在地擺在了工訓人的面前。

本文立足于上海大學實際情況和專業特色，針對今年與2020 年全國范圍疫情的不同之處，分析大規模實踐教學面臨的挑戰，推出“項目貫穿始終、全程現場直播、線上線下融合”的全新“云上金工實習”實踐教學模式，并通過對近3 000 名學生的金工實踐教學實際應用，對實施效果進行分析判斷，明確進一步改革方向。

1 金工實習課程特點及問題分析

1.1 課程特點

金工實習是我校集中于夏季學期的大規模實習。通過本課程的學習，主要讓學生了解機械產品設計、制造、裝配、測量方法，掌握相應軟件、工具、儀器及設備的基本原理和操作方法，學會面對不同的零件特征和圖紙技術要求，正確選用制造工藝及裝備，制定合理的工藝順序，選擇正確的測量方法及檢測儀器。同時，了解安全生產的重要性，樹立職業道德素養和正確的行為規范，培養工匠精神和愛國情懷。

該課程是理工科學生必修實踐課程，內容豐富，涵蓋產品設計、制造工藝（毛坯制造/減材制造/增材制造/特種加工）、裝配調試及現代測量等，共計四大模塊14 個實訓環節，是后續專業課程學習及實踐能力培養的重要基礎，也是支撐專業工程認證的重要實踐課程。

1.2 實踐模式

該課程傳統的實踐模式為線下授課，實踐場所一般為實訓室或機房，由于實訓室容量有限，采用將大批量學生進行分組，分別進入各個實訓室，由指導教師通過對相關實踐環節的基礎知識、軟件使用方法或儀器設備工作原理進行講解，并現場操作演示后，大部分時間由學生親自動手實踐。

該實踐模式存在的主要問題如下：

（1）多組并行運行的實踐模式打破了產品正常的生命周期流程，導致各實踐環節內容相對獨立，各實訓項目間無內在聯系，從而造成學生學習到的知識缺乏整體性和連貫性，學生興趣度不高。

（2）常采用的教師操作演示，學生照搬照做的模式，造成學生知其然而不知所以然的問題，對知識點的掌握不夠深入，難以融會貫通，不利于創新思維和工程能力的培養。

（3）多名學生圍繞一名指導教師觀看操作演示的模式，通常會造成聽不清、看不見、搞不懂等問題，交流不夠實時順暢，導致教師難以掌握全體學生對知識及技能的接受和掌握情況。

1.3 教學模式

金工實習課程多年來采用的“教師講授、操作演示、學生實踐”的教學模式已經無法滿足現代特別是互聯網時代的教學要求，更無法滿足學生期望的隨時隨地學習的愿望，達不到預期的學習效果，因此，教學模式多樣化是必然趨勢。

特別針對我國疫情不穩定的情況，隨時要做好準備，探索應對不同情況的多種實踐教學模式，構建更復雜的實踐教學場景，實現從“應急”到“常態”，從“被動”到“主動”的教學模式轉變。例如，針對去年的上海疫情，學生在家，教師可進校的情況，應該摒棄之前單純的線上PPT講解，學生自主觀看操作視頻的教學模式，探索一種線上線下融合的全新教學模式。采用多種教學平臺、授課工具保障高質量的授課效果，為學生提供“實質等效”甚至優于單純線下實踐的體驗感，重構課程教學內容及評價體系，采用更加靈活的授課及學習方式，提高學生的參與度和學習興趣等，幫助學生理解知識及掌握技能，培養學生的自主學習能力和創新能力。

2 大規模實踐教學面臨的挑戰

2.1 轉變教學模式，保證實踐教學效果

實踐教學轉為線上，較傳統的實驗室現場教學有顯著不同［7-9］，為保障教學效果，需要解決以下問題：①學生實踐模式和教師教學模式發生了巨大改變，需要探索師生共同認可的教學方式是保證實踐教學效果的關鍵；②教學互動是保持學生注意力、保障教學效果的重要手段，因此，需要充分借助各類信息化平臺［10-12］，進行多元化互動，為老師更清楚地掌握教學效果需求最佳途徑。③線上教學存在“觀眾”缺失的情況，師生間無法直接眼神、語言、肢體的直接溝通，另外一位教師同一個場景長時間授課，易形成固定模式，使學生產生感官疲勞，導致興趣度下降，注意力難以集中，因此，需要將知識重新進行碎片化梳理，并采用多人協同授課模式。④線上授課由于缺乏監督，對自制力較差的學生，導致難以自主學習，學習積極性不高，因此，需要探究全方位過程評價及監督機制［13-14］。

2.2 設計實踐項目，有機貫穿實訓模塊

實踐教學轉為線上，可以突破傳統實驗室現場教學的容量限制，避免各實踐環節孤立、知識難以有機關聯等問題，因此，以典型機電產品作為項目引導，貫穿所有實訓模塊，讓學生掌握產品的全生命周期，面臨的挑戰主要有以下幾個方面：①由于金工實習課程涉及到14 個實訓環節，128 個知識點，因此，對所設計的機電產品結構、功能、復雜程度等都提出了挑戰，產品系統既不能過于龐大復雜，又要盡可能包含足夠多的知識點，需要多工種協同共同進行產品設計。②機電產品設計除了全面性和可行性，還要考慮創新性、趣味性和競技性，從而提升學生的參與度和學習興趣，可見，該產品的選擇和設計是關鍵也是挑戰。③對該機電產品除了整體結構功能設計外，還要細化到每一個零件的設計、制造、測量方法，與課程目標和課程內容進行結合，充分考慮中心的軟硬件資源和師資配套。

2.3 準備教學資源，做到“實質等效”

實踐教學轉為線上，貌似所需準備的教學資源變少了，實則不然，因為要想呈現實訓現場最真實的場景，要想彌補學生無法到現場親手實踐操作的遺憾，需要準備更多更豐富的教學資源，做到與線下“實質等效”的效果，甚至比線下教學效果更優，對整個課程團隊提出了嚴峻的挑戰，需要解決以下問題：①既然是實踐類課程，就要體現出實踐的特色，不能再單純以電子課件及錄播視頻的形式進行授課，“直播互動+網絡資源”應該更適合金工實習這類實踐課程，但是同時也對線上線下資源的準備和有機結合提出了高要求；②針對網絡資源，包括利用學習通、慕課網站等線上學習平臺，為學生提供課前預期、課中練習、課后復習、課外擴展等學習資源，資源形式包括電子課件、操作視頻、練習題庫、測試題庫、課后作業、學習網頁鏈接等等，因此，對電子資源的準備、收集及引導學生有序使用是難點；③金工實習涉及到眾多實訓室、大量的工具、材料、諸多儀器裝備，為了讓學生在線看得更清楚、聽得更明白、溝通更順暢，需要穩定的網絡環境，并準備專業直播裝備，在恰當時刻進行全局、主播、特寫等多鏡頭穩定連續地合理切換，這對教師角色向多角色的轉變提出了非常大的挑戰。

3 “云上金工實習”教學模式構建

3.1 實習項目設計

由中心教學指導委員會牽頭，金工實習課程團隊30 余位教師的集體參與，經過15 次近百小時的集體討論及備課，更新80%以上的教學內容，最終以中國大學生工程實踐與創新能力大賽［15-16］中的智能物流小車（見圖1）為課程實踐項目載體。小車包括行走、轉動、避障、抓取等功能，采用設計、仿真、實物制作、現場裝配相結合的方式，完成從設計到制造再到裝配調試的全過程，實現機+電+智能綜合實訓。

圖1 智能物流小車三維模型

3.2 教學內容規劃

本課程針對智能物流小車將14 個實訓環節歸為設計、制造、裝配、測量四大模塊（見圖2）。

圖2 實訓課程整體設計方案

（1）設計模塊。主要完成小車整體結構設計和零部件設計，包括正向設計和逆向設計（見圖3）。

圖3 智能物流小車爆炸圖

（2）制造模塊。主要完成設計模塊輸出的典型零部件，按照制造工藝種類分為毛坯制造（鑄造/焊接）、減材制造（普車/數車/普銑/數銑）、特種加工（電火花/激光）和增材制造（3D 打印），各工藝根據各自加工特點，選取小車中的零件進行加工（見圖4）。

（3）裝配模塊（鉗工/裝配）。主要利用制造模塊加工完成的零部件進行修配、組裝、調試，完成智能物流小車的部件及整體裝配（見圖5）。

圖5 裝配模塊示例

（4）測量模塊。貫穿上述3 個模塊中，主要利用各類現代精密測量儀器（測高儀/影像儀/三坐標/掃描儀/激光跟蹤儀）對零件加工精度及小車整體運行情況進行檢測（見圖6）。

圖6 測量模塊示例

3.3 云上金工實習教學模式

針對上述大規模實踐教學面臨的挑戰，將所規劃的教學內容以最佳效果呈現在學生面前，讓學生在家也能感受到實訓現場的氣氛，與儀器裝備有最親密的近距離感知，中心推出了“項目貫穿始終、全程現場直播、線上線下融合”的全新“云上金工實習”實踐教學模式。該模式緊緊圍繞實踐課程要求和特色，以提升學生注意力、興趣度、實踐能力等為目標，具有多元化特點，主要體現在以下幾個方面：

（1）項目貫穿。以競賽項目——智能物流小車為載體，梳理完整的知識脈絡，將知識點融會貫通，提升學生學習興趣；

（2）課程資源。提供豐富的學習資源，供學生課前自學、課中運用、課后復習，循序漸進地加深學生對知識的掌握及運用程度。

（3）現場直播。教師在實訓室，面向真實的儀器設備，利用多角度無縫切換鏡頭，大到整個實訓室、大型機床裝備，小到一個鐵屑、一把刀具、一個小火花都讓學生看得清清楚楚，力求優于線下授課的講解及演示效果。

（4）線上互動。利用多種網絡平臺，課上老師實時提問，學生利用騰訊會議聊天區實時反饋，溝通順暢，優于線下實踐個別提問的效果；以知識點為單元進行短時間碎片化授課，以提升學生注意力，同時利用學習通發問卷、課堂小測等方式，實時掌握學生學習情況。

（5）仿真操作。為了彌補學生無法實際操控儀器設備的遺憾，提供給學生配套的仿真軟件，讓學生跟教師現場操作同步，如數控機床仿真控制面板、編程仿真運行、虛擬仿真裝配等等。

（6）遠程操控。在教師知識講授及操作演示的基礎上，由學生遠程操控教師動作，不僅可以提升學生參與感，同時也能驗證學生的掌握情況。

（7）實物展示。整個課程所有環節，均采用現場加工制作的形式，部分環節提供學生自主創新設計的途徑，讓同學看著小車從無到有的誕生出來，提升學生的參與感和獲得感。

4 實施過程及成效

4.1 教學資源準備

為了“云上金工實習”教學模式的順利實施，達到所期望的實施效果，開課前進行充分的教學資源準備，主要包括以下內容：

（1）為了貫穿所有實踐環節，融入盡可能多的知識點，設計了智能物流小車三維模型，對其進行拆分，各實踐環節進行對標認領相關任務；

（2）圍繞智能物流小車改進了已有的14 個實訓環節的電子課件，更新率高達80%；

（3）圍繞智能物流小車重新錄制了近50 h 的操作演示視頻，提供給學生自學及復習；

（4）更新了所有實訓室網絡帶寬，配置了專用的網絡直播裝備，多維度多角度高清呈現直播現場；

（5）根據學生所需掌握的知識點和技能點，構建了近2 000 道測試題目，并明確了具體的考察方式；

（6）購置并提供了與實踐儀器裝備配套的仿真軟件，讓學生遠程仿真操控；

（7）組建了由課程設計組、主播組、導播組、宣傳組、氣氛組后勤保障組構成的多功能教師團隊；

（8）搜集線上優質學習資源，共享給學生自學。

4.2 實施過程

本次課程全程采用設計、仿真、實物制作相結合的方式，教師在校內實訓室面向真實的儀器設備，利用多種網絡教學平臺和直播裝置，通過現場操作、直播加工、互動交流等多種授課模式，為學生提供“實質等效”的現場實踐體驗感，形成了由教師端、學生端和督導端構成的“三位一體”教學平臺。

（1）教師端。多種授課模式綜合：直播（見圖7）、板書、課件；多種工具無縫切換：攝錄機、騰訊會議、虛仿軟件、學習通。

（2）學生端。更多選擇：現場直播、課程回看、電子課件、資源鏈接、遠程遙控。更好交互：看得清，聽得真，“摸”得著，感受得到。

（3）督導端。聽課、評教、評學、督導、改進。

4.3 實施效果

（1）課堂現場反饋。直播課堂上，教師通過一個個小問題激發引導學生主動思考，積極回答，學生反饋及時，溝通順暢，討論交流熱烈，較傳統線下及線上理論授課效果好很多（見圖8）。

圖8 學生課堂反饋情況示例

（2）課后問卷調查。為了及時了解學生的學習感受，課后通過問卷從課程教學模式、主講講師及課程建議等多方面進行調查，從調查結果可以看出學生滿意度非常高，平均達到95%，個別實踐環節的滿意度高達100%（見圖9）。從中可以看出學生對課程內容及教學模式的認可度高，這也成為了老師們上好每一堂課的動力，所提出的建議也成為課程持續改進的依據。

圖9 部分學生問卷展示

（3）示范引領作用及社會反響。作為針對大批量學生的實踐類課程，中心所推出的“云上金工實習”課程，從教學模式上進行了大膽的創新及嘗試，實施效果明顯，獲得了工訓學科領域兄弟院校的認可，起到了示范引領作用。同時，也得到了文匯報、東方教育時報、上海科技報、新民晚報等6 家媒體及上海教育電視臺的爭相報道（見圖10），產生了廣泛的社會反響。

圖10 上海教育電視臺教視新聞

5 結 語

隨著進入疫情常態化時期，在線教學特別是在線實踐教學模式的探索迫在眉睫，因此，上海大學工訓中心秉承“順境是加法，逆境是創法，越是困難越創新，此乃為師之道”的教育理念，克服重重困難，對金工實習課程進行了重大改革，從教學案例、教學內容、教學模式等多方面進行了積極有效的探索，將現代信息技術與實踐教學進行深度融合，面向大規模學生設計并實施了以現場直播為主，線上互動為輔，課內課外結合的全新線上線下混合實踐教學模式。經過對近3 000名學生的運用該模式，事實證明了該模式的可行的和優越性。疫情盡管給教育教學帶來了沖擊和挑戰，但同時也為深化教學改革、提高教學質量帶來了契機。中心將在此基礎上，繼續積極探索，逐步完善優化該教學模式。