基于對分課堂教學法的機械原理課程實驗設計

摘" 要" 針對機械原理實驗教學存在的問題，如學生過多依賴教師、探求知識不主動、課堂積極性不高以及教師過度參與等，在對分課堂基礎上，以工程教育理念為指導，提出融合講授、討論及實踐的實驗教學模式，著力培養(yǎng)學生利用知識解決工程問題的思維，提升學生的動手能力、設計能力和創(chuàng)新能力，改善實驗課上學生虛假學習、游離學習的情況。

關(guān)鍵詞" 工程教育；對分課堂教學法；機械原理；實驗設計

中圖分類號：G642.423" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）14-0132-04

0" 引言

機械原理是理工類高校機械專業(yè)開設的專業(yè)基礎課，從學情來看，該課程在大學課程設置中具有承前啟后的作用。實驗課旨在提高學生的科學創(chuàng)新思維和敏銳的觀察力[1-3]。在工程教育體系中，實踐環(huán)節(jié)的突出作用是培養(yǎng)學生工程能力和創(chuàng)新能力[4]。如何提高實驗教學質(zhì)量，怎樣把工程教育理念扎根到實驗教學，一直是學校和教師關(guān)注的問題。鑒于目前河南理工大學機械原理實驗課程還是依附于理論課程，演示性、驗證性實驗項目占比多，將對分課堂教學法與工程教育理念融入實驗教學過程，重新設計實驗教學模式，旨在提高學生在實驗中的參與度和積極性，培養(yǎng)學生對工程問題深入研究與思考的能力。

1" 對分課堂

目前由于短視頻助長的知識碎片化程度愈加嚴重，知識的內(nèi)化必須經(jīng)過深刻思考、反復練習才能實現(xiàn)[5-6]。既調(diào)動學習積極性又保證學習效果一直是各種教學方法追求的目標。對分課堂是張學新教授[7]提出的教學模式，結(jié)合傳統(tǒng)課堂與討論式課堂的優(yōu)勢，一半的課堂時間分配給教師講授，另一半時間分配給學生以討論的形式進行交互式學習。國內(nèi)的教育工作者利用這種方法開展相關(guān)教學改革與探索，有的用于課堂教學模式的構(gòu)建及準實驗研究，有的把對分課堂用于線上教學，也有的把對分課堂與雨課堂融合探索混合式教學。無論線下、線上還是混合式教學，都有對分課堂的應用實例，并且都取得不錯的效果。

在工程教育體系中，學生的溝通能力是畢業(yè)要求的指標之一。注重討論的對分課堂教學模式與這一要求非常契合。教師講授知識后，讓學生以小組的形式展開討論，根據(jù)所學知識進行思考、組織、整理，最終提出解決方案。整個環(huán)節(jié)對畢業(yè)要求的工程知識、設計方案和溝通等能力都能進行訓練。

受此啟發(fā)，在對分課堂教學方法基礎上增加實踐環(huán)節(jié)，即形成“講授+討論+實踐”的教學模式，并應用于實驗課堂。由于實驗課是小班上課，不超過30人，與多個班的理論課堂相比具有人數(shù)少的優(yōu)勢，討論環(huán)節(jié)基本能夠做到全員覆蓋。在機械原理實驗課堂教學環(huán)節(jié)開展有針對性的教學設計，能夠促進學生畢業(yè)目標達成，真正做到讓知識內(nèi)化于心。

2" 機械原理實驗設計

2.1" 對分課堂的實驗體系

融合對分課堂教學法與工程教育理念的實驗教學體系如圖1所示。根據(jù)對分課堂的教學特點，把課堂劃分成三個環(huán)節(jié)：講授環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)和實踐環(huán)節(jié)。

2.1.1" 講授環(huán)節(jié)

教師作為策劃者，要解決“講什么，如何講”的問題。學生自學課前任務、提出問題，教師根據(jù)問題再實時調(diào)整授課內(nèi)容與方式，形成第一次的閉環(huán)反饋。學生不僅僅是知識的接受者，同時作為參與者與教師形成互動交流，為教學內(nèi)容選擇提供改進方向。這一階段是對分課堂的學習層，直接對標工程教育理念中的工程知識要求。

2.1.2" 討論環(huán)節(jié)

學生作為主體，需要根據(jù)實驗要求擬定實驗方案，經(jīng)討論后對設計方案進行優(yōu)化。學生不再是方案的執(zhí)行者，而是變成方案的設計者。教師只是討論的組織者，為各小組提供技術(shù)指導與評價。通過組內(nèi)、組間討論以及教師評價形成第二次的閉環(huán)反饋。在形成方案后，如果跳過討論，直接進入動手實踐環(huán)節(jié)，雖然也能完成實驗，但是小組成員無法體會到頭腦風暴帶來的思維共振。這一階段是對分課堂的討論層，也是核心層，對應工程教育理念中的設計方案與溝通能力。

2.1.3" 實踐環(huán)節(jié)

學生根據(jù)設計方案，動手操作完成實驗并對結(jié)果進行反思與總結(jié)。同時，教師根據(jù)課堂反饋、實驗整體情況提出持續(xù)改進措施，形成第三次閉環(huán)反饋。這一階段是對分課堂的實踐層，對應工程教育理念中的方案設計要求。

融合對分課堂教學法的實驗課堂的三個環(huán)節(jié)都是服務目標導向、以學生為中心、持續(xù)改進的工程教育理念的體現(xiàn)。教師精心準備內(nèi)容，設置討論問題，讓學生參與課程內(nèi)容選擇、方案設計及實踐驗證的實驗全過程，徹底告別虛假學習、游離學習的無效學習狀態(tài)。

2.2" 實驗課堂設計

以機械原理課程中的機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計為例，具體介紹實驗課程的對分課堂教學法實施過程。該實驗基于機構(gòu)組成原理的設計型實驗，為后續(xù)課程設計、畢業(yè)設計的機構(gòu)運動方案設計提供經(jīng)驗積累，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、綜合設計和工程實踐動手能力。實驗過程主要包含知識學習、方案設計與討論、機械結(jié)構(gòu)拼接三個階段。

2.2.1" 知識學習

為增強實驗與理論知識銜接的緊密性和接受知識的時效性，把理論課堂一部分內(nèi)容劃分出來，作為機構(gòu)創(chuàng)新實驗第一階段的學習任務。實驗課前通過教學App、課程平臺或者課程交流群等多種方式發(fā)布給學生自學。自學內(nèi)容的選取要視學情而定，學生專業(yè)、開課學期、年級等客觀因素都會影響自學效果，如果學起來過于費力，學生會產(chǎn)生心理抵觸等負面情緒。因此，自學內(nèi)容不宜太難，要兼顧內(nèi)容的發(fā)散性、趣味性以及與實驗的相關(guān)性。

機械原理課程中平面機構(gòu)的組成原理和平面多桿機構(gòu)兩部分內(nèi)容沒有復雜公式計算，課程資源包含視頻、動畫以及教學微課，把兩部分知識點融合，作為自學內(nèi)容是具有可操作性的。同時，把課程重點、難點和學習要求告訴學生，讓學生提前知道要學什么以及學到什么程度。問題答疑在線上完成，有利于學生隨時發(fā)問，不受時間、地點限制。

對學生線上提出的問題進行匯總，如表1所示。教師得到反饋后，在布置實驗任務時會更加有的放矢地講解知識點，特別是表1中的共性問題要重點講解，同時要注重實驗內(nèi)容與理論知識講解并行。學生掌握理論知識后，帶著實驗任務學習多桿機構(gòu)的應用實例，可以開拓設計方案的思路。通過整合分散的知識點，學生既能掌握基礎知識，又能提高知識綜合能力，為下一步多桿機構(gòu)的設計奠定理論基礎。

2.2.2" 方案設計與討論

第二階段的任務是設計多桿機構(gòu)、討論設計方案和進行適當修改，這一階段具有研討式教學法和基于問題學習（Problem Based Learning，PBL）教學法的特點。由于討論具有開放性，如果按學生思路展開，不免會偏離實驗內(nèi)容，影響實驗的連貫性；如果教師按教材內(nèi)容引導，討論很可能會淪為表面現(xiàn)象。因此，討論問題要與實驗內(nèi)容緊密結(jié)合，這一階段設置兩個問題供學生討論：

問題1：基本桿組與其他構(gòu)件連接應該采用什么樣的順序？

問題2：對于所設計的機構(gòu)采用哪些指標評價更為合理？

這兩個問題都屬于開放性問題，答案取決于學生設計方案的特點。機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計結(jié)果沒有標準答案，具有更多的開放性，可充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力。圖2是某小組的設計方案形成過程，涉及機構(gòu)運動簡圖繪制，學生從中能深刻認識圖紙在溝通交流中的便捷性和通用性。接下來需要計算機構(gòu)自由度，驗算機構(gòu)運動的確定性，學生從中能體會自由度驗算與方案設計的緊密聯(lián)系。

PBL教學法是將學生放到復雜的工程問題情境中，通過小組合作，組員一起討論解決問題，目的是讓學生獲得討論背后的科學知識，鍛煉邏輯思維能力，提升綜合學習能力。經(jīng)過組內(nèi)或小組間研討，知識積累呈現(xiàn)螺旋式上升的趨勢，激發(fā)了組員的學習力和競爭力。某小組討論后的優(yōu)化方案如圖3所示，該小組利用連桿機構(gòu)的基本特性對初始方案進行評價，優(yōu)化方案是讓滑塊5的移動副向上移動，優(yōu)化后的方案機構(gòu)壓力角更小，運動更靈活。

本階段包含以下三個方面的基本要素：

1）以機構(gòu)方案為載體，學生在設計及評價過程中獲得必要知識，鍛煉解決問題的能力；

2）注重組內(nèi)、組間自主學習，提高學生的表達與溝通能力、團隊協(xié)作技巧；

3）教師是組織者，學生是主體。

學生利用所學知識自主設計方案、繪制簡圖、討論并優(yōu)化方案，從中認識到理論與實踐之間的辯證關(guān)系。這種經(jīng)過深度學習帶來的成就感更有助于學生增強信心，提高分析復雜工程問題的能力。

2.2.3" 機械結(jié)構(gòu)拼接

第三階段任務是按照設計方案組裝成實際機械結(jié)構(gòu)。通過對實際零件拼接組裝，提高學生工程實踐動手能力。機構(gòu)創(chuàng)新方案實驗平臺為學生提供各種豐富的零件，部分零件如圖4所示。

小組成員共同討論機械方案的具體實現(xiàn)，即需要解決轉(zhuǎn)動副拼接、移動副如何實現(xiàn)、機架固定以及拼接順序等諸多裝配問題，教師根據(jù)實際需要提供建議。拼裝后，要求學生通過手動方式驅(qū)動原動件，觀察機構(gòu)中各個桿件、運動副的運動，判斷是否會出現(xiàn)桿件、運動副的干涉和“憋勁”等現(xiàn)象。如果出現(xiàn)上述必須杜絕的問題，要求學生找到問題根源并進行改進，改正后方可通過電機驅(qū)動機構(gòu)。通過對實際機械結(jié)構(gòu)拼接及調(diào)試，學生的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力都得到訓練。最后由教師對各組機械運動情況進行檢驗。

教師作為實驗的組織者，實驗過程中要善于捕捉、發(fā)現(xiàn)各種各樣的問題，實驗結(jié)束后要關(guān)注學生在實驗報告中提出的總結(jié)與建議，發(fā)現(xiàn)學生視角下實驗設計、實驗操作的難度與困惑，通過對實驗教學方法、內(nèi)容有針對性地不斷完善，形成整個實驗教學模式持續(xù)改進的閉環(huán)。

3" 結(jié)束語

以對分課堂教學法為基礎，提出融合對分課堂教學法的實驗教學模式，以工程教育理念為指導，構(gòu)建機械原理實驗課程體系，采用“講授+討論+實踐”的模式，更加注重學生的認知驅(qū)動以及自我提高驅(qū)動力，把知識、素質(zhì)、能力培養(yǎng)滲透到不同實驗階段。經(jīng)過參與、探索、溝通及反思多個環(huán)節(jié)，層層遞進，讓學生像科學家一樣思考與探索，培養(yǎng)學生的獨立思考、創(chuàng)造力、溝通力等未來核心競爭能力，對提高學生的工程意識和工程創(chuàng)新能力起到積極的推動作用。本文提出的實驗教學模式在機械原理課程的設計型實驗中進行了實踐，其他演示性、驗證性實驗應用本方法時，可根據(jù)課程特點、學情及實驗特點進行調(diào)整。

4" 參考文獻

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*項目來源：河南省高等學校重點科研項目計劃“高分辨率光譜儀微小型化關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：22A416005）；河南省社科聯(lián)2022年度調(diào)研課題“專業(yè)課程的課程思政教學研究——以《機械設計基礎》為例”（編號：SKL-2022-921）；2023年度河南理工大學研究生教育教學改革基金項目“機械類學科群異型學位點協(xié)同建設探索與實踐”（編號：2023YJ12）。

作者簡介：吳雪峰，通信作者，博士，講師；范玉、周洪亮，博士，講師。