移動學習在“機械制造技術基礎”教學中的實踐探索

陸文杰 楊洋 杜建軍 徐文福

(哈爾濱工業大學(深圳)機電工程與自動化學院 廣東 深圳 518055)

通過對一線企業飛亞達及精科電子的調查，筆者了解到機械專業本科畢業生不僅要有穩固的理論基礎，還更應具有與實際加工生產過程結合的基本技能，快速分析與解決新問題的能力。通過往屆學生的問卷調查，發現學生在學習理論基礎的開始階段，因各個知識要點在講課過程中與實際問題感性認知聯系不夠緊密，容易導致學習效率的下降與興趣的缺失。新工科要求指出“智能制造與機械制造基礎”課程中的理論知識實踐到具體工程問題解決能力是教學關注的核心，也是學生應該掌握的基本能力。傳統教學的授課方式存在一些不足，其效果沒有達到預期目標，一部分原因來自傳統教學方式的局限性，如學生理解掌握概念需要一定時間而課堂知識點碎片化。切削加工方法與刀具的基本概念等內容是“機械制造技術基礎”課程的重要基礎內容，為掌握金屬切削原理、分析機械加工質量問題并提出改進方案、通用機床專用夾具設計的基礎。目前，切削加工方法與刀具的基本概念的教學是基于學生有比較強的空間想象關系基礎上，而目前學生的制圖和識圖能力因缺乏實踐鍛煉而不足。因此，在課程學時壓縮和增加實踐教學的大背景下，如何通過移動學習中的智能終端及個性化服務來提高學習效率是值得思考的問題。

移動學習是一種非正式非傳統學習模式。這種模式依賴于無線通信技術和移動計算機技術（如個人電腦、手機等），也符合現代學生的學習習慣。據調查，學生在學習過程中已經大量采用看網絡視頻或教學視頻回放等方式進行自主學習。相比觀看視頻，移動學習具有新的特點，能突破現有傳統教學時間與空間的限制，更重要的是移動學習可提供交互式學習體驗，是未來實施終身教育和遠程學習的一種主要形式[1]。移動學習借助于海量的數據和模式，可為學生提供個性化的教學方案。因為即便是同屬于一個機械設計制造及其自動化本科專業，每個學生的未來規劃有所不同（如智能制造方向、先進制造方向、精密制造方向），移動學習可匹配學生個性化的教學內容與順序，并結合學生個性化的先導課程提供不同的教學案例與學習內容側重點，以適應多樣化需求的新教育時代。移動學習可以通過智能地分析學生需求，興趣和特征的學習場景，為不同階段（及掌握程度）的學生創建不同的學習方案，以學生為核心提供與學生學習狀態及階段相適應的課程內容和學習方式。

除了海量且個性化的教學方案智能生成方式，移動學習提供了教師與學生新的溝通方式[2]，提供時間空間的靈活性，結合學生的性格特點及培養目標中團隊合作的要求，逐步引導，并有利于通過學生的可記錄的行為習慣和反饋更好地更新教育方式方法。移動學習通過目前發展迅速的機器人學習技術（包括監督學習與強化學習），提供海量數據的處理與分析能力，提供教學方案決策依據，但目前移動學習技術仍在探索階段，目前所收集的數據有限，因此有必要形成一個開放共享平臺，協同發展。本文從關注“智能制造與機械制造基礎”的角度出發，探究當今移動學習系統中的學習環境和學習內容的構建，逐步為該課程中的教育理念設計教學內容與數據獲取渠道、教學方法創新和實踐、教育資源和教育手段豐富，以及師生關系拓展、移動教學平臺開放提供實踐經驗與思路。

1 移動學習模式與特點

移動學習應用具有多種模式，一般包含消息機制或鏈接模式。不同于消息機制，鏈接模式下學習資源可不限于文字內容，也可以是圖片、音頻、視頻，甚至是交互式虛擬模型與實驗。此外，鏈接模式可促進交互式學習，協作學習和個性化學習。國外已有商業模式采用虛擬實驗的方式開展線上合作，這些學習模式可以是學生與學生之間，也可以是學生與教師之間。圖1 為可能的鏈接模式，其中教學服務器首先需要根據學生認知目標分類移動學習資源[3]，然后結合分類理論框架和學生的個人教學目標，提出了新的移動學習模式。需要教師介入并根據經驗提供教學模式，同時記錄所有信息為將來人工智能決策提供數據。學生、教師以及服務器之間的關系見圖1。借助于服務器與海量數據，在師生比一般的情況下，也可有效提高教師的教學效率。因此，針對創新型高素質機械制造相關人才的培養，本文討論如何結合移動學習的特點和“智能制造與機械制造基礎”課程實踐教學與課堂教學的特點[4]，并通過案例以強化與具體工程過程相符的創新能力培養為目標，貫通實踐教學、課堂知識、創新與工程實踐。

圖1 移動教學網絡及關系圖

1.1 設備機動性

設備機動性為教師與學生教學過程在時間、地點上提供了更多靈活性。從學習地點角度分析，借助于移動通信技術，學生不必再拘泥于任何教室或其他預先設定的位置。教師可以在任何地點進行教學，上傳各類形式的教學內容和資源，如文字、圖標、視頻、互動式仿真環境，并且可以隨時進行修改和添加資源，并得到學生學習的反饋。從學習時間上看，移動學習的出現有利于學生采用碎片化的時間對所學知識進行學習或鞏固，當學生愿意學習時，通過移動通信設備獲得想要學習的內容，并在此基礎上獲得學習過程的反饋。而教師則可在適當的時候進行問題的解答和與學生的討論。在“智能制造和機械制造基礎”課程中，刀具幾何角度、切削原理、夾具基礎、各種尺寸鏈的教學都可以依賴智能手機終端的交互方式，提供浸潤式的教學體驗，進一步提升學生主動學習的能力。突破傳統的黑板或PPT 的二維教學和順序教學的限制，在交互過程中，提供三位視覺體驗和更高層級的知識圖譜架構。

1.2 學習個性化和相對性環境

采用移動學習教學方式的學生和教師不僅可以選擇學習時間、地點和方法，還可以根據自身的興趣和教學大綱的要求，以及現有實驗室硬件條件和周圍環境選擇學習的方式。例如：學校有部分的刀具模型但不具有相應的機床與工件材料，因此無法進行刀具與具體生產過程的聯系。移動學習可提供相應刀具模型的仿真與匹配的工程實踐問題，在提高學生學習內容豐富程度的同時，結合基礎理論與實踐問題，引導學生建立更完整的知識實踐體系。在“智能制造和機械制造基礎”課程中，可能學生對刀具角度的設計比較感興趣，移動智能設備就會相應地提供拓展學習資料，而且這些學習資料以工程實踐中實際反映的問題為基礎設計獲得，進一步根據現有條件最大化地提高學生實踐能力。在移動學習過程中，學習需求是在大綱的要求下通過具象獲得，學習環境則包括學習、生活和工作的真實場景以及移動智能設備所提供的虛擬環境，這些環境元素高度相關，全方位地促進學生從環境中了解各種信息并解決問題的能力，并最終移動終端為該能力的培養為學生提供經過優化的適合的學習內容[5]。

2 移動教學實踐

眾多教學研究表明：具有情境、實踐類的教學方法更加適合于機械課程，有近49%的研究學習時間段發生在非教室的學習場所，如戶外、宿舍等。因此，移動學習中場所的不確定性決定了移動學習應用模式的多樣性。因此在上述所描述的移動學習特點的基礎上，針對實踐教學方法進行與實際工程過程相適應的應用教學設計，針對刀具空間幾何關系與切削要素的課程內容，文章主要提出了以下移動學習實踐方案，通過三維交互式刀具參考平面與測量平面學習內容、交互式虛擬車刀幾何模型、虛擬切削實驗和線下實物刀具認知教學內容，實現線上線下與課堂實踐相結合。

2.1 設計典型刀具模型

首先，通過Solidworks 軟件設計了典型刀具模型，并在該模型中把刀具角度的坐標平面與參考系標出，包括正交平面、法平面、假定工作平面、背平面，并標出正交平面參考系，發平面參考系，假定工作平面與背平面參考系。其次，通過搭建服務器和設置教學網站，再將刀具幾何角度的Solidworks 文件導出成3D PDF 格式，通過教學網站發布該部分內容，該3D PDF 文件可在合適的瀏覽器中（如IE）實現交互式三維可視化效果。該內容可以在個人電腦端訪問，也可以在學生手機終端訪問，具體見圖2。最后學生可以個性化選擇需要學習的刀具幾何角度內容，并進入交互式體驗階段。通過更好地理解刀具幾何角度的定義與各個角度之間的關系，在過程中訓練他們的3D空間想象能力并熟練掌握概念與符號。

圖2 刀具幾何角度在移動智能終端中的顯示

2.2 建立虛擬刀具模型

學生可以在計算機終端或手機瀏覽器訪問該系統，設定不同大小的刀具角度、拖動鼠標、執行移動、旋轉、剖面等交互式操作，通過連續的視角變化，從各個視角理解刀具幾何角度的關系，尤其是這些點線面之間的相互依賴的關系。虛擬刀具模型如圖3所示。

圖3 虛擬刀具模型在不同移動終端中的顯示

2.3 具體應用

學生可以在任何時候打開手機并隨時隨地學習，并在后續的課程中打開該部分的內容。未來移動學習也可以通過優化策略學習，主動把該部分內容推送給學生。通過移動學習掌握的基礎知識，在有條件的情況下，學生可以在后續的學習中通過與刀具角度定義相對應的幾何測量實驗課程，加深學生對刀具切削部分構造要素的掌握，理解刀具的各標注坐標系平面及標注角度的定義。

金屬切削過程為金屬切削原理章節中的內容，在切削加工方法與刀具的基本概念課堂教學中沒有充分的時間去介紹相應的知識。現有的課堂學習模式容易使金屬切削過程、刀具與切削概念相脫離。實踐中，筆者通過提供給學生高度仿真的虛擬切削實驗環境，學生可在網絡實驗平臺開展實驗，達到對金屬切削過程中物理現象感性認知與理解的教學效果，更好地了解到當今世界最前沿的技術發展狀況，為后續理性認知打下良好的基礎，具體如圖4 所示。虛擬切削實驗環境是通過大量的實際切削實驗和獲得的數據建立的，具有較強的仿真還原能力，學生可以通過虛擬實驗進一步鞏固切削用量對切削力、切削溫度、切削熱、機械瘤以及加工表面粗糙度的影響規律。目前，該虛擬實驗系統實驗內容主要包括：切削用量對切削力的影響；刀具幾何參數對切削力的影響；刀具幾何參數對溫度的影響；切削用量對工件表面粗糙度的影響。

圖4 虛擬切削實驗環境

通過移動式學習與仿真實驗認知，學生若有問題可以在教學網站上提問（公開模式或隱私模式），根據每個學生的時間，教師能在相對靈活的機制下提供解答，有利于提高學生主動學習的積極性，并在此過程中結合每位學生的性格特點，通過系統引導學生獨立思考與合作。普適性學習是一種為學生創造智能化的情況，以使其獲取大量信息的學習方式。移動學習作為普適性學習的補充，使學生可以在任何情況下使用任何終端進行學習，并使教育更具可用性。通過協作學習，學生可以設計多樣地虛擬切削實驗，并以此結合工程實踐問題，提出可能的方案。通過虛擬實踐認識切削用量對切削力、切削溫度、切削熱的產生與傳出、加工表面粗糙度與切削參數之間的關系[6]，整個學習過程將變得更加持久，且更直接，更具有互動性。

此外，通過移動學習和實驗室各類刀具的結合教學，課程知識點之間融合，如圖5所示。可建立虛擬的實驗數據庫，通過與實際工程相結合的方式，利用數據庫和統計方法，分析數據并得出規律。移動學習中包含了企業工作人員對具體工程問題的描述與分析，有助于學生理解實際生產中與課堂理論上的差異并建立聯系。開放了企業需求發布功能，充分發揮真實工程環境問題的豐富多樣性和先進工程實踐性，為學生提供理論聯系具體生產過程的條件，同時為企業提供與未來高端人才的接觸機會，提高工程中科學解決問題的機會[7]。

圖5 刀具種類介紹

移動學習是以學生、知識、評估和協作為中心的分散式教學方式。當學生使用移動設備進行刀具角度學習時，可以充分利用移動設備提供的3D 交互功能，避免了因工程制圖識圖能力差而學習效果不佳的問題，為本門課程的后續打好基礎。而且，移動智能設備的便利性可以使學生適應不斷變化的學習情況和學習空間。線上線下授課相結合，學生通過線上互動協作參加了學習團隊，并結合學習社區功能協同學習。在該過程中，學生鍛煉了“智能制造和機械制造技術基礎”的相關工程問題中，刀具方案制訂和實際問題論證的能力。

3 結論

本文探討了在“智能制造與機械制造基礎”課程中移動學習的應用，并通過線下實驗和項目相結合的方式，展示了部分移動學習的特點。采用交互式三維幾何學習平臺和“刀具虛擬切削環境”，可以有效引導學生主動學習。移動學習現已成為常規學習領域一個補充，是熱門研究方向，也是技術促進教育背景下的一項新的研究工作，為如何有效地實現移動學習提供一種新的思路。

在小班教學的實踐過程結束后，30名學生中有20名參與了最終問卷調查，其中有20名學生對所采用移動式教學3D交互式動畫的應用表示可以用來學習（或輔助學習）刀具角度；有19 名學生認為補充的《有限元》對切削仿真學習有用。有13名學生認為移動學習可隨時幫助學習“機械制造技術基礎”。但同時調查也表明了學生移動學習的時間較少，只有11名學生認為移動學習效果顯著，另外9名學生認為不顯著，因此需要在易用性與吸引性方面提升移動學習內容。目前所作的實踐嘗試還不足以收集足夠的數據用于數據庫的建立與智能決策的學習，需要在今后的教學過程中，進一步加大移動學習的資料庫規模，拓展到“智能制造和機械制造技術基礎”課程中更多的課程內容并采集相應的過程數據。