基于線上線下智慧教學(xué)的機械類課程教學(xué)改革與實踐

朱永梅 唐文獻(xiàn) 管小燕

[摘要]本研究將現(xiàn)代信息技術(shù)與課程教學(xué)相融合，結(jié)合新工科核心能力的培養(yǎng)和工程教育認(rèn)證的成果導(dǎo)向理念，以教育教學(xué)理論為基礎(chǔ)，智能化的教學(xué)資源平臺和智能終端為依托，構(gòu)建機械設(shè)計課程智慧化教學(xué)模式。課題組同時開展了教學(xué)實踐，面向“復(fù)雜工程問題”，打造工程知識學(xué)習(xí)、分析能力培養(yǎng)、研究能力發(fā)展三位一體的線上線下教學(xué)閉環(huán)，探索機械設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價方法的創(chuàng)新，以期全面拓展工程設(shè)計學(xué)習(xí)的時空，提高教學(xué)環(huán)節(jié)對人才畢業(yè)要求培養(yǎng)的達(dá)成度。

[關(guān)鍵詞]智慧教育;新工科;工程教育認(rèn)證;機械設(shè)計

[中圖分類號]G642.0

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0016-04

習(xí)近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會議上指出，“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學(xué)知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈”。工業(yè)4.0的出現(xiàn)、“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施，使得世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，同時也使得工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聯(lián)系更加緊密、相互支撐更加迫切。為推動工程教育改革創(chuàng)新，2017年教育部高教司正式推出“新工科”計劃，形成了一系列如“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導(dǎo)性文件。

研究表明，我國工程教育改革必須重視基于能力的教育和基于成果的教育模式（Outcome Based Education，OBE）的探索，以及相應(yīng)的工程教育智慧學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)建，以培養(yǎng)能夠應(yīng)對新工業(yè)革命挑戰(zhàn)的卓越工程師。當(dāng)前，我國教育信息化水平的顯著提升，各種智慧技術(shù)的逐步成熟，教育信息化經(jīng)費的持續(xù)增加以及良好教育信息化政策環(huán)境的逐步建立，為發(fā)展智慧教育提供了強有力的支持。本研究旨在探索新工科核心能力培養(yǎng)的新范式，基于OBE理念構(gòu)建面向新工科的智慧化教學(xué)模式，并以機械設(shè)計課程為例，從理論基礎(chǔ)、實現(xiàn)條件、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動和教學(xué)評價五個方面來分析智慧課堂教學(xué)模式，同時加以實踐應(yīng)用，探索機械設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、評價方法的創(chuàng)新路徑。

一、新工科核心能力培養(yǎng)的新范式

新工科教育改革的討論和實踐，使中國工程教育界形成共識，建立了新的工程教育范式。吳愛華等提出新工科的核心內(nèi)容即新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，李茂國等提出將“融合創(chuàng)新”范式作為新工科教育范式。在此基礎(chǔ)上，顧佩華提出涉及新工科教育的理念、培養(yǎng)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面的新工科教育范式的基本框架，將各種創(chuàng)新工程教育的理念、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、模式、培養(yǎng)體系、教育教學(xué)方法，以及不斷更新的教學(xué)內(nèi)容，與理工和多學(xué)科融合、產(chǎn)學(xué)融合、校企融合、教研學(xué)融合等相結(jié)合，形成新工科教育范式的基本框架。通過比較新工科教育范式和汕頭大學(xué)OBE-CDIO工程教育范式，發(fā)現(xiàn)OBE-CDIO工程教育改革在新理念、新模式和新質(zhì)量方面比較接近新工科教育范式的要求，在新方法方面尚有差距，特別是翻轉(zhuǎn)課堂、現(xiàn)代化教學(xué)手段等方面要進(jìn)一步提高。

李培根院士在文中提出面向未來的工程人才應(yīng)該具備的若干“新素養(yǎng)”，如對“超世界存在”的關(guān)注，有空間感、關(guān)聯(lián)力等。關(guān)于未來“新工科”的實踐和方法之要，強調(diào)應(yīng)該落地在教材和教學(xué)方法的“新”，諸如“關(guān)聯(lián)”、非正式學(xué)習(xí)、去中心化等。而智慧教育正是通過構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，運用智慧教學(xué)法促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行智慧學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)具有高智能和創(chuàng)造力的人，利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)智慧地參與各種實踐活動并不斷地創(chuàng)造產(chǎn)品和價值，實現(xiàn)對學(xué)習(xí)環(huán)境、生活環(huán)境和工作環(huán)境靈巧機敏的適應(yīng)、塑造和選擇。新加坡、美國、韓國都已將智慧教育作為其未來教育發(fā)展的重大戰(zhàn)略。

為了適應(yīng)工業(yè)4.0與工程發(fā)展的新趨勢，針對網(wǎng)絡(luò)一代大學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，當(dāng)前我國新工科教學(xué)宜采用合作學(xué)習(xí)、整合教育技術(shù)、創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、跨學(xué)科協(xié)同合作、重視本科生科研、促進(jìn)師生互動、實行實踐互動的教學(xué)策略，并實施深度學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)、虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)分析的智慧教學(xué)模式，從而培養(yǎng)新工科學(xué)生個人效能、知識能力、學(xué)術(shù)能力、技術(shù)能力和社會能力等5類核心能力，并讓學(xué)生達(dá)成6項本質(zhì)性學(xué)習(xí)成果：人文、科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)知識，智力與實踐技能基礎(chǔ)，職業(yè)能力，倫理、價值、態(tài)度與行為，社區(qū)與全球意識，綜合與應(yīng)用學(xué)習(xí)。

二、面向新工科的智慧教學(xué)模式構(gòu)建

本研究遵循“以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向”理念和行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，建立具有可視化、可聽化、協(xié)作化、互動化的機械設(shè)計課程智慧教學(xué)模式，充分發(fā)揮線上線下教學(xué)互促、互補優(yōu)勢，構(gòu)建線上線下教學(xué)閉環(huán)，促進(jìn)學(xué)生問題關(guān)聯(lián)、研究開發(fā)、工程設(shè)計和工程管理等能力的螺旋遞進(jìn)式提升，拓展教學(xué)時空，提升教學(xué)實效。

機械設(shè)計課程智慧教學(xué)模式框架設(shè)計如圖1所示，共分為5個組成部分：

（1）理論基礎(chǔ)：融合混合學(xué)習(xí)、多元智能、建構(gòu)主義、人本主義、交互式教學(xué)等教學(xué)理論及學(xué)習(xí)策略，對工程知識單元設(shè)計、實踐技能訓(xùn)練設(shè)計、課內(nèi)外多元化教學(xué)互動設(shè)計、研究創(chuàng)新意識激發(fā)、自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)等進(jìn)行有效指導(dǎo)。

（2）實現(xiàn)條件：建立有效連接線上線下、課堂內(nèi)外的教學(xué)環(huán)節(jié)，建立具有互動、開放、集成特點的“超星泛雅平臺”+“學(xué)習(xí)通APP”移動應(yīng)用軟件鏈以及技術(shù)支持團(tuán)隊，以此構(gòu)成線上教學(xué)的技術(shù)支撐。

（3）教學(xué)目標(biāo)：按照機械設(shè)計課程對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐，制訂課程的教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)課程內(nèi)容需要，選擇性地將工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具（技術(shù)）等12條畢業(yè)要求，融入所對應(yīng)課程教學(xué)全過程的不同階段。

（4）教學(xué)活動：包括線上教學(xué)和線下教學(xué)。依托線上教學(xué)支撐環(huán)境開展課內(nèi)外線上教學(xué)活動，包括：自主預(yù)習(xí)、在線交流、課內(nèi)在線互動、課外個性輔導(dǎo)、在線測試、實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。線下教學(xué)主要是傳統(tǒng)的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，完成機械零件設(shè)計的基礎(chǔ)知識講解和設(shè)計能力提升。圍繞課程對應(yīng)的指標(biāo)點，打造線上線下教學(xué)閉環(huán)，充分進(jìn)行兩者的互補，整合優(yōu)化，實現(xiàn)畢業(yè)要求達(dá)成。（5）教學(xué)評價：根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)點與課程的對應(yīng)關(guān)系，選擇“解決復(fù)雜工程問題的能力”指標(biāo)為主要評價內(nèi)容，構(gòu)建與之關(guān)聯(lián)的教學(xué)評價體系，采用多元化評價手段，形成內(nèi)外結(jié)合、持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量控制體系和文化，多方位、多尺度持續(xù)改進(jìn)課內(nèi)外教學(xué)活動。

三、機械設(shè)計課程智慧教學(xué)實踐

在機械設(shè)計智慧教學(xué)模式下，本研究開展了為期一年的教學(xué)實踐。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的畢業(yè)要求分別從12個方面對畢業(yè)生的能力提出了非常具體的要求。值得注意的是，其中有8個都提到了解決“復(fù)雜工程問題”的能力。由此可見，解決“復(fù)雜工程問題”的能力是畢業(yè)要求的核心內(nèi)容。本門課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有解決“復(fù)雜工程問題”所需的機械設(shè)計知識以及掌握解決“復(fù)雜工程問題”的分析、研究方法，如表1所示，機械設(shè)計課程對應(yīng)3個畢業(yè)要求，每個畢業(yè)要求各含一個能力指標(biāo)點，課程目標(biāo)含課堂教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分。現(xiàn)以其中的“復(fù)雜工程問題分析能力培養(yǎng)”“復(fù)雜工程問題研究能力培養(yǎng)”兩項教學(xué)任務(wù)為例，展示線上線下教學(xué)閉環(huán)的實際運作。

（一）復(fù)雜工程問題分析能力培養(yǎng)實例

“解決復(fù)雜工程問題”是我?！皺C械設(shè)計制造及其自動化”專業(yè)達(dá)成工程教育認(rèn)證要求的重點和難點?！敖鉀Q復(fù)雜工程問題”并不是追求技術(shù)水平的先進(jìn)性和復(fù)雜性，而是應(yīng)考慮解決問題的各種內(nèi)外部影響因素和需求?！皬?fù)雜工程問題”作為一類“工程”問題，從根本上是以應(yīng)用為目的的問題，因此，解決“復(fù)雜工程問題”所需的知識、素質(zhì)，以及所采用的分析、研究方法，都需要在社會應(yīng)用、工程應(yīng)用中形成。因此，本研究采用“項目式教學(xué)”，從教師的科研課題中提取項目，例如將“大錐孔鍵槽加工機床”作為典型案例分析其傳動系統(tǒng)、軸系支撐等的結(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)方案，將“1200噸船用構(gòu)件力學(xué)性能測試平臺研發(fā)”中的螺紋連接部件作為案例分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合船舶、海工機械裝備行業(yè)背景，選擇錨機、吊機等典型船舶或海工產(chǎn)品為對象，并抽取典型零件或部件，作為相應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)對象。

在教學(xué)組織上，采用線上線下相結(jié)合的方法，課堂教學(xué)以達(dá)到傳授基本的理論知識為目的，以適當(dāng)?shù)难杏憰r間培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題和解決問題的能力。線上以習(xí)題與項目練習(xí)加深學(xué)生的理解，強化學(xué)生知識體系。通過布置任務(wù)讓學(xué)生主動去學(xué)習(xí)知識、思考問題和運用知識去設(shè)計方案以解決問題。師生在班級群中分享學(xué)習(xí)資源，開展學(xué)習(xí)交互，不斷完善自身的知識結(jié)構(gòu)體系;在課堂上針對具體問題進(jìn)行深入交流，解決實際的問題，促進(jìn)群體共識的形成，其教學(xué)組織如圖2所示。

（二）復(fù)雜工程問題研究能力培養(yǎng)實例

工程教育認(rèn)證和新工科要求以綜合的培養(yǎng)方式，使學(xué)生在工程基礎(chǔ)知識掌握、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力等4個層面上達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。因此，本研究圍繞專業(yè)核心理論課程，理論與實踐教學(xué)相結(jié)合，實驗、實習(xí)、課程設(shè)計和第二課堂彼此緊密銜接，選擇合適的產(chǎn)品對象，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，達(dá)到提升學(xué)生的研究開發(fā)、工程設(shè)計和工程管理能力，以及新工科要求的問題空間感的建立、關(guān)聯(lián)能力的培養(yǎng)之目的。其教學(xué)設(shè)施思路如圖4所示，實現(xiàn)由認(rèn)知實習(xí)、專業(yè)實習(xí)、企業(yè)實習(xí)，逐步強化;從驗證性、綜合性到創(chuàng)新性實驗，逐步加深;由單元設(shè)計、工藝設(shè)計到工程設(shè)計，復(fù)雜程度逐步提高，注意在教學(xué)的多個環(huán)節(jié)體現(xiàn)“關(guān)聯(lián)”。

本課程結(jié)合課程設(shè)計完成一個簡單機械的實踐，強化學(xué)生的整機、系統(tǒng)的觀念。具體確定了以下項目：船用起錨機的設(shè)計、船用鉸纜車的設(shè)計、大扭矩疲勞試驗機的設(shè)計、加熱爐裝料機的設(shè)計、平板搓絲機的設(shè)計、簡易臥式銑床傳動裝置的設(shè)計及管道機器人設(shè)計等。課程組織基于“非正式學(xué)習(xí)”和“去中心化”的理念，采用“任務(wù)分解+角色輪換”的教學(xué)模式，學(xué)生可自由分組。本課程的評價體系包括任課教師對學(xué)生的評價和課程目標(biāo)達(dá)成評價。對學(xué)生的評價從學(xué)生學(xué)業(yè)的知識與技能、過程與方法、綜合素質(zhì)三個維度進(jìn)行綜合評價，同時將學(xué)生納入評價主體，靈活運用教師評價、學(xué)生自評、學(xué)生互評等多種形式。課程目標(biāo)評價采用任課教師自評和專業(yè)評價工作組評價兩個層次進(jìn)行，課程目標(biāo)達(dá)成度評價由任課教師依據(jù)課程教學(xué)大綱進(jìn)行，判斷課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，提出改進(jìn)方案，確保學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

四、智慧教學(xué)應(yīng)用調(diào)查

本調(diào)研向2016級機制1班發(fā)放《機械設(shè)計課程智慧教學(xué)應(yīng)用情況調(diào)查問卷》38份，回收38份，回收率100%。本次調(diào)查問卷主要涉及學(xué)生對機械設(shè)計課程智慧教學(xué)應(yīng)用情況反饋，共包括5個大類共20個具體問題，分別為學(xué)習(xí)體驗調(diào)查、課前預(yù)習(xí)資源和學(xué)習(xí)平臺調(diào)查、學(xué)習(xí)過程調(diào)查、新型教學(xué)模式優(yōu)勢及其影響因素調(diào)查、課程學(xué)習(xí)效果和滿意度調(diào)查5大類，其中學(xué)習(xí)過程調(diào)查數(shù)據(jù)如表2所示。

從問卷調(diào)查情況看，大多數(shù)學(xué)生對機械設(shè)計課程智慧教學(xué)持歡迎態(tài)度，認(rèn)為智慧化教學(xué)平臺能加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生更加主動地學(xué)習(xí)，課前積極預(yù)習(xí)，提高了機械設(shè)計課程學(xué)習(xí)效率。

五、結(jié)語

在“打造新工科”及“中國制造2025”等背景下，我們基于“互聯(lián)網(wǎng)+”打造智能化、交互化、泛在化的教學(xué)資源平臺，構(gòu)建了面向新工科、適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的機械設(shè)計課程智慧化教學(xué)模式，推動了教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革。圍繞工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，面向“復(fù)雜工程問題”，我們打造了工程知識學(xué)習(xí)、分析能力培養(yǎng)、研究能力發(fā)展三位一體的線上線下教學(xué)閉環(huán)，推進(jìn)了非正式學(xué)習(xí)、去中心化學(xué)習(xí)、想象學(xué)習(xí)等新方法的實施，并開展了教學(xué)實踐，為提高教學(xué)環(huán)節(jié)對人才畢業(yè)要求達(dá)成提供了新的思路和途徑。

[責(zé)任編輯：鐘嵐]