機(jī)械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究與實(shí)踐

丁瑞華

摘要：翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)是一種新型的教學(xué)模式，課前自主學(xué)習(xí)和課堂上的互動(dòng)交流環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，從而達(dá)到預(yù)期的知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)。本研究以凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)為案例對(duì)機(jī)械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行了研究與實(shí)踐，實(shí)施過程分為教師制作微視頻、學(xué)生自主學(xué)習(xí)并提出問題、課堂解決疑問并提出新問題、分組討論解決新問題、教師總結(jié)和評(píng)價(jià)等五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相比能取得更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理；翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)實(shí)踐

一、研究背景

傳統(tǒng)教學(xué)模式是教師在課堂上對(duì)知識(shí)進(jìn)行講解，在課后布置一定量的作業(yè)要求學(xué)生完成。這對(duì)于專業(yè)課程中原理、概念、圖表以及公式等非常多的機(jī)械類專業(yè)學(xué)生來說，通常他們會(huì)感覺枯燥、抽象，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生強(qiáng)烈的抵觸情緒。另外，由于存在著嚴(yán)重的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，任課教師也無法有效地判斷學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握程度。為改變這種教育現(xiàn)狀，培養(yǎng)社會(huì)需要的應(yīng)用型機(jī)械人才，國內(nèi)很多高校對(duì)機(jī)械類專業(yè)課程的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，近幾年風(fēng)靡全球的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式也逐漸應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)的各門課程的教學(xué)中，且取得了一定的成效。

但是在這些研究成果中，筆者并未發(fā)現(xiàn)針對(duì)機(jī)械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)研究。機(jī)械原理作為機(jī)械類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間起著承前啟后的作用，為學(xué)生將來從事機(jī)械方面的設(shè)計(jì)、制造、研發(fā)工作奠定了重要的基礎(chǔ)，該課程的學(xué)習(xí)效果，直接影響到后續(xù)專業(yè)的學(xué)習(xí)與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使該課程達(dá)到較好的教學(xué)效果，有必要對(duì)該課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行探究。

二、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式簡(jiǎn)介

所謂翻轉(zhuǎn)課堂，是指在信息化環(huán)境中，教師提供以教學(xué)微視頻為主的教學(xué)資源，學(xué)生在課前完成對(duì)教學(xué)資源的自主學(xué)習(xí)，教師和學(xué)生在課堂上一起完成答疑、協(xié)作、探究和互動(dòng)交流等活動(dòng)的一種新型教學(xué)模式。這種教學(xué)模式是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式中課上教學(xué)、課下作業(yè)方式的整體翻轉(zhuǎn)。學(xué)生從被動(dòng)地聽教師講課的接受者，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)提出問題并與他人共同解決問題的研究者。

由于在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式里，學(xué)生在課下提前自主完成了課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，在課堂上是帶著問題去學(xué)習(xí)、討論和研究的，因此，學(xué)生注意力會(huì)非常集中，大腦會(huì)積極主動(dòng)地處理自己以及同學(xué)提出的問題，并竭盡全力得出自己的結(jié)論。這種教學(xué)模式能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且這種教學(xué)模式可以將教師從反復(fù)的講解和示范中徹底解脫出來。這樣的教學(xué)模式特別適用于理論課時(shí)在逐漸減少的應(yīng)用型高校的教學(xué)。

三、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)案例

當(dāng)然在機(jī)械原理課程中并不是所有的章節(jié)都適合采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，一般翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式是共同采用的。以許昌學(xué)院電氣（機(jī)電）工程學(xué)院為例，學(xué)院機(jī)械原理課程組對(duì)該課程中“平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算及需要注意的事項(xiàng)”“鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)”和“凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)”等幾節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)研究與實(shí)踐。筆者在這里通過“凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)”一節(jié)來說明翻轉(zhuǎn)課堂在學(xué)院機(jī)械原理課程教學(xué)中的實(shí)施過程。

（一）教師錄制微視頻

對(duì)“凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)”一節(jié)，教師共錄制了三段微視頻，分別是：“反轉(zhuǎn)法原理”，時(shí)間為5分鐘；“作圖法設(shè)計(jì)偏置直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪廓線”，時(shí)間為7分鐘；“解析法設(shè)計(jì)偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪廓線”，時(shí)間為8分鐘。教師將錄制好的微視頻和制作好的課件等通過班級(jí)QQ群發(fā)送給學(xué)生。

（二）學(xué)生自主學(xué)習(xí)并提出問題

學(xué)生在課前通過微視頻等教學(xué)資源自主學(xué)習(xí)該節(jié)內(nèi)容，了解到根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求對(duì)不同推桿的凸輪廓線進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生各種疑問，班委將這些疑問匯總后統(tǒng)一發(fā)送給教師。這一環(huán)節(jié)學(xué)生提出的主要問題有：第一，設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)所采用的反轉(zhuǎn)法有何異同？第二，作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的思想可用于設(shè)計(jì)擺動(dòng)推桿凸輪機(jī)構(gòu)嗎？第三，解析法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)偏距e在什么情況下為正，什么情況下為負(fù)？

（三）課堂解決疑問并提出新問題

在課堂上，教師首先預(yù)留出15至20分鐘的時(shí)間對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)提出的疑問進(jìn)行解答，以提高學(xué)生對(duì)基本內(nèi)容的掌握程度。比如，上文的第一個(gè)問題，教師的解釋是：凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)都采用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)，都是讓某一個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件作為新的機(jī)架而靜止不動(dòng)，讓原來靜止的機(jī)架運(yùn)動(dòng)起來；不同的地方在于凸輪機(jī)構(gòu)是為了讓凸輪靜止下來方便根據(jù)尖頂?shù)能壽E畫出凸輪的輪廓曲線，而連桿機(jī)構(gòu)采是為了讓活動(dòng)鉸鏈變?yōu)楣潭ㄣq鏈，可以根據(jù)活動(dòng)鉸鏈的軌跡來確定固定鉸鏈的位置。對(duì)于第二個(gè)問題，作圖法不僅可以設(shè)計(jì)直動(dòng)推桿的凸輪廓線，同樣也適用于擺動(dòng)推桿凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)，只是在擺動(dòng)推桿的盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，推桿的位移s改為角位移，行程h改為角行程。對(duì)第三個(gè)問題，當(dāng)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)，偏距e為正，若推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)，e為負(fù)；若凸輪順時(shí)針回轉(zhuǎn)，推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)時(shí)，e為正，推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)時(shí)，e為負(fù)。

解答完這些疑問之后，教師會(huì)以教學(xué)課件中的圖片、動(dòng)畫及部分文字為引導(dǎo)，介紹這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，學(xué)生此時(shí)可能會(huì)提出更深層次的新問題，比如：（1）為什么可以將滾子推桿的滾子中心、平底推桿的平底與推桿導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)視為尖頂推桿的尖頂？（2）對(duì)心直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)如何設(shè)計(jì)？與偏置推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜？（3）滾子圓和直線簇的包絡(luò)線是怎么畫出來的？（4）用解析法寫出的坐標(biāo)方程中sinθ和cosθ該如何計(jì)算？（5）如何求平底推桿的速度？

（四）分組討論解決新問題

針對(duì)以上問題，學(xué)生分組討論、思考和解決，大家各抒己見。在此過程中，教師可給學(xué)生一定的提示與指導(dǎo)，加上同組同學(xué)的幫助，一般學(xué)生都能夠順利解決問題，更為深入地理解和掌握本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)。比如，對(duì)于問題（1），學(xué)生通過討論知道了滾子中心與凸輪實(shí)際廓線的距離始終保持不變，作為推桿上一個(gè)固定不動(dòng)的點(diǎn)，其軌跡就是推桿在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中的軌跡，用光滑的曲線連接可得到凸輪的理論廓線。作一條與理論廓線相距為滾子半徑rr的等距曲線，則得到凸輪的實(shí)際廓線，故滾子中心可看作尖頂推桿的尖頂。而平底推桿的平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)也是推桿上固定不動(dòng)的點(diǎn)，得到它的軌跡后，可通過這些點(diǎn)作出一系列等長(zhǎng)的代表平底的直線，作出該直線簇的包絡(luò)線即可得到凸輪廓線。對(duì)于問題（2），學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)心直動(dòng)推桿的凸輪廓線時(shí)，推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)路方向直接通過輪心，比偏置直動(dòng)推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)路方向始終與基圓相切作起來更簡(jiǎn)單。對(duì)于問題（3）和（4），經(jīng)過相互提醒，學(xué)生會(huì)想到高等數(shù)學(xué)中包絡(luò)線的定義和畫法，會(huì)對(duì)切線方程的斜率及三角函數(shù)的求法有更深的理解。而對(duì)于問題（5），則是運(yùn)用了前幾章中講的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)用到的速度瞬心法。

通過分組討論直至解決問題，學(xué)生了解了自己對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握程度，認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)到的知識(shí)都是有價(jià)值的。最讓教師感到欣慰的是，學(xué)生在課堂上提出了應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)凸輪廓線。大家利用ADAMS軟件建立了凸輪模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到了推桿的速度和加速度曲線，完成了對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。

（五）教師總結(jié)與評(píng)價(jià)

學(xué)生討論完畢之后，教師對(duì)整節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行梳理，對(duì)各小組出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行總結(jié)，對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最后布置書面作業(yè)。課后教師會(huì)根據(jù)學(xué)生在課堂中表現(xiàn)和作業(yè)完成情況了解每一個(gè)學(xué)生是否真正掌握了該節(jié)課的內(nèi)容，是否達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，并給出每個(gè)人的綜合成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)的一個(gè)依據(jù)，與期末考試成績(jī)分別按一定比例計(jì)入該課程的總評(píng)成績(jī)。

四、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)存在的問題

（一）教師方面

翻轉(zhuǎn)課堂要求教師自己錄制微視頻并制作課件等電子資源，要求教師能在課堂上解決學(xué)生提出的各種疑問。這就需要教師不但具有嫻熟的視頻制作技巧，還要不斷整理、豐富和完善電子資源，最重要的是要具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)水平。但目前很多年齡稍大的教師不會(huì)制作微視頻，而年輕教師又缺乏教學(xué)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)并不能夠完整地解答學(xué)生的所有疑問，因此，教師也要不斷地更新和充實(shí)自己的知識(shí)。

（二）學(xué)生方面

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)需要學(xué)生在課前通過教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，但目前并沒有特別完善的手段去監(jiān)督學(xué)生是否進(jìn)行了學(xué)習(xí)，這就需要學(xué)生具有相當(dāng)高的自覺性。另外，每個(gè)學(xué)生家庭經(jīng)濟(jì)條件不一樣，有些學(xué)生沒有自己的電腦，只能去收費(fèi)機(jī)房進(jìn)行學(xué)習(xí)，這給部分學(xué)生在經(jīng)濟(jì)上造成了一定的負(fù)擔(dān)。

（三）教室方面

目前，學(xué)院機(jī)械專業(yè)教師僅有十五人，而學(xué)生人數(shù)已達(dá)上千，每位教師在近一百名學(xué)生合堂上課的情況下教學(xué)工作任務(wù)已經(jīng)非常繁重，根本無法實(shí)現(xiàn)小班上課，而要使翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)達(dá)到最理想的效果，一個(gè)教室的學(xué)生最好不要超過二十人。

以上幾點(diǎn)問題都使得翻轉(zhuǎn)課堂在學(xué)校機(jī)械類專業(yè)各門課程的推廣過程中受到一定程度的限制。

五、結(jié)束語

雖然翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)存在一定的局限性，但與實(shí)踐后取得的效果相比，利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊。對(duì)機(jī)械原理課程進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。學(xué)生有針對(duì)性地去討論及解決學(xué)習(xí)過程中遇到的各種問題，有效提高了他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。另外，因?yàn)橛辛宋⒁曨l等教學(xué)資源，對(duì)因事請(qǐng)假不能上課的學(xué)生來講，也可通過這些教學(xué)資源自學(xué)而不影響后面知識(shí)的學(xué)習(xí)?？傊?，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有助于提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收與掌握，解決不同學(xué)生的需求，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。在各高校都在向應(yīng)用型院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的今天，翻轉(zhuǎn)式課堂作為一種新型的教學(xué)模式，只要克服自身的局限性，是可以應(yīng)用于課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)的。

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