疫情期間基于OBE“機(jī)械原理”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐*

孫福佳，吳恩啟，王新華，汪昌盛

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

“機(jī)械原理”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)必修的專業(yè)大類(lèi)基礎(chǔ)理論課程，課程主要研究機(jī)器與機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)理論和方法及各種機(jī)械的一般共性問(wèn)題。 先修課程有高等數(shù)學(xué)、機(jī)械工程制圖、大學(xué)物理、理論力學(xué)等，后續(xù)課程有機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制作等。 本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本內(nèi)容。

目前，“機(jī)械原理” 課程教學(xué)方案進(jìn)行了不少改革，但依然面臨著極大的挑戰(zhàn)，疫情期間，教育部提出停課不停學(xué)，線下變線上，如果仍然采用傳統(tǒng)方式講授，學(xué)生狀態(tài)比較難調(diào)整，容易對(duì)課程產(chǎn)生枯燥乏味之感。 “機(jī)械原理”理論教學(xué)中，課程知識(shí)點(diǎn)多，原理難，內(nèi)容廣，共性問(wèn)題比較抽象，傳統(tǒng)教學(xué)方式只能點(diǎn)到為止，很難把問(wèn)題講透，沒(méi)有時(shí)間和學(xué)生交流互動(dòng)；傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)，以老師講授為主，課后學(xué)生覺(jué)得老師講了很多，但真正掌握的卻不多，學(xué)習(xí)效果差強(qiáng)人意。 疫情期間由于物理空間隔離，講授過(guò)程難以把控學(xué)習(xí)效果，因此，如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)思考，讓學(xué)生學(xué)明白，學(xué)以致用，并喜歡“機(jī)械原理”課程變成線上課程教學(xué)的重要目標(biāo)。 通過(guò)之前線下課程的教學(xué)實(shí)踐和摸索，疫情期間，“機(jī)械原理”采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。 翻轉(zhuǎn)課堂是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)教師創(chuàng)建的視頻講解內(nèi)容，等上課時(shí)再交流，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。

1 基于OBE 理論的“機(jī)械原理”教學(xué)

成果導(dǎo)向教育（OBE）是以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的一種工程教育理念，認(rèn)為教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程最后所取得的學(xué)習(xí)成果，也通常被稱能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育[1]。 通過(guò)“機(jī)械原理”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備確定運(yùn)動(dòng)方案、分析和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的基本方法和基本能力，要求學(xué)生在知識(shí)、能力和素質(zhì)方面達(dá)到的目標(biāo)為：1） 掌握“機(jī)械原理”的基礎(chǔ)知識(shí)和基本概念，掌握機(jī)械常用機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、分類(lèi)、基本組成、工作原理，明確常用機(jī)構(gòu)在機(jī)械制造業(yè)中的重要地位和作用。2）理解常用機(jī)械機(jī)構(gòu)的原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本理論與方法，重點(diǎn)掌握機(jī)構(gòu)自由度及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理及分析。 了解間歇機(jī)構(gòu)等其他常用機(jī)構(gòu)的工作原理。 3） 了解并掌握機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)，機(jī)械的平衡，了解并掌握機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，工藝動(dòng)作過(guò)程構(gòu)思與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，使學(xué)生具備拓展機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，達(dá)到可以自如解決復(fù)雜程度的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力。 4）通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能綜合運(yùn)用機(jī)械原理的知識(shí)和分析方法，針對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，具有擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案，分析和設(shè)計(jì)合理機(jī)構(gòu)的能力。“機(jī)械原理” 課程的目標(biāo)體系與工程認(rèn)證對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求指標(biāo) 1.3、2.1、2.3、3.1、4.2 和 12.1 的培養(yǎng)有關(guān)。 與本課程相關(guān)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)和課程目標(biāo)如表1 所示。

表1 “機(jī)械原理”課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)矩陣圖

根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)要求指標(biāo)，結(jié)合“機(jī)械原理”課程達(dá)成目標(biāo)，對(duì)教師能為學(xué)生做什么，學(xué)生能學(xué)到什么，具體調(diào)研情況分析如表2 所示。

表2 “機(jī)械原理”課程調(diào)研情況

基于OBE 理念的 “機(jī)械原理” 課程教學(xué)已經(jīng)實(shí)施多年，學(xué)生評(píng)價(jià)反饋持續(xù)向好，但也存在一些問(wèn)題，比如教學(xué)過(guò)程中，有些抽象問(wèn)題不夠直觀，理論講解偏多，學(xué)生積極性還是有所欠缺；部分案例教學(xué)不夠優(yōu)化，學(xué)生興趣不大，比較難調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性；考核評(píng)價(jià)機(jī)制有待提高，需強(qiáng)化平時(shí)考核，弱化期末卷面成績(jī)等[2]。

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐

受新冠疫情影響，“機(jī)械原理” 課程全部改為線上學(xué)習(xí)，采用騰訊會(huì)議和超星平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)。 超星平臺(tái)是基于慕課的新一代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，教師可以在此平臺(tái)利用龐大資源建立線上課程，但由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器延遲，難以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)，因此實(shí)時(shí)互動(dòng)采用騰訊會(huì)議。

教師通過(guò)微信群和超星通知提早一天告知課程內(nèi)容，騰訊會(huì)議ID，通過(guò)超星后臺(tái)監(jiān)測(cè)學(xué)生觀看和學(xué)習(xí)視頻的講解內(nèi)容情況，并及時(shí)提醒。 超星平臺(tái)包括課程內(nèi)容（視頻+PPT）、活動(dòng)、統(tǒng)計(jì)、資料、通知、作業(yè)、考試、分組任務(wù)、討論、管理等模塊。 學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間完成課程內(nèi)容；通過(guò)活動(dòng)模塊完成簽到、投票、搶答主題討論等；統(tǒng)計(jì)模塊包括班級(jí)統(tǒng)計(jì)、資源統(tǒng)計(jì)、課程報(bào)告，用于后臺(tái)統(tǒng)計(jì)；資料模塊包括課程資料、題庫(kù)、作業(yè)庫(kù)、試卷庫(kù)等；課前預(yù)習(xí)情況和課后測(cè)試通過(guò)考試模塊實(shí)現(xiàn)；學(xué)生作業(yè)上傳、教師批改通過(guò)作業(yè)模塊； 每節(jié)課討論主題通過(guò)討論模塊課前發(fā)布。 通過(guò)騰訊會(huì)議，課堂變成了教師與學(xué)生之間以及學(xué)生與學(xué)生間的互動(dòng)場(chǎng)所，用于答疑解惑、辯論探討和知識(shí)運(yùn)用等，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，取得了比較好的教學(xué)效果[3]。

通過(guò)疫情期間“機(jī)械原理”翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合期末學(xué)生評(píng)教和督導(dǎo)評(píng)價(jià)，翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)方式取得了比較好的教學(xué)效果。 具體實(shí)施方案如下：1） 精心設(shè)計(jì)課前、課中、課后的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)度，課程教學(xué)組成員精心錄制教學(xué)視頻和設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)單、 課前課后測(cè)試討論等，確保最大限度提高學(xué)生上課積極性。 2）“機(jī)械原理” 課程概念、公式、圖表繁多，原理理解比較困難，通過(guò)教具、動(dòng)畫(huà)、多媒體、虛擬樣機(jī)、軟件程序等多種方式，豐富教學(xué)手段，以提高學(xué)生積極性和主觀能動(dòng)性。 3） 課程教學(xué)組還負(fù)責(zé)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新比賽，因此教學(xué)過(guò)程中結(jié)合比賽內(nèi)容，以賽促學(xué)，將比賽中用到的機(jī)械原理結(jié)合作品進(jìn)行討論，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[4]。 4）教學(xué)組承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家縱向與企業(yè)橫向項(xiàng)目，課程中融入科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)與學(xué)生分享，學(xué)生更有工程概念。5）“機(jī)械原理”課程評(píng)價(jià)考核體系更加強(qiáng)化平時(shí)，弱化期末考試，重視工程實(shí)踐，弱化應(yīng)試。

3 “機(jī)械原理”翻轉(zhuǎn)課堂討論教學(xué)案例

第9 章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)一節(jié)，課前學(xué)生觀看錄制視頻學(xué)習(xí)，通過(guò)超星后臺(tái)監(jiān)測(cè)學(xué)習(xí)情況，通過(guò)課前測(cè)試強(qiáng)化視頻觀看效果。 并布置課程討論： 組織學(xué)生針對(duì)尖頂、滾子、平底凸輪設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行討論，通過(guò)自學(xué)，提問(wèn)，討論、分析等方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，教、學(xué)、做融為一體，使學(xué)生成為課堂的主體。

課程教學(xué)中，以班上某同學(xué)創(chuàng)意設(shè)計(jì)《鴿食翠園間》為案例進(jìn)行討論教學(xué)，該同學(xué)場(chǎng)景設(shè)定為一個(gè)機(jī)器人坐在公園長(zhǎng)凳上喂食鴿子，眾鴿百態(tài)，如圖1 所示。

圖1 鴿食翠園間

作品設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人外觀模型和四個(gè)鴿子模型，機(jī)器人模型的右手肢體將能運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)鴿子頭部將上下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)鴿子翅膀?qū)]動(dòng)以及一個(gè)鴿子頭部將轉(zhuǎn)動(dòng)。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用凸輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)，揮翅膀鴿子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)，兩個(gè)吃食鴿子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用凸輪結(jié)構(gòu)推動(dòng)，轉(zhuǎn)頭鴿子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用一種簡(jiǎn)單的間歇機(jī)構(gòu)。

在講授過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生找出所學(xué)機(jī)構(gòu)，畫(huà)出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，計(jì)算自由度，使用哪些凸輪，分析凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何設(shè)計(jì)凸輪。 以鴿子喂食過(guò)程為例，通過(guò)組織學(xué)生討論，發(fā)表各自意見(jiàn)，在教師的引導(dǎo)下，詳細(xì)設(shè)計(jì)出凸輪機(jī)構(gòu)及凸輪曲線，使得機(jī)器人的頭部往復(fù)抬高，嘴部一張一合，并帶動(dòng)右臂來(lái)回?fù)]動(dòng)，產(chǎn)生喂食鴿子形態(tài)。 該案例是凸輪設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。通過(guò)同學(xué)中的例子討論，培養(yǎng)了學(xué)生使用已學(xué)簡(jiǎn)單知識(shí)解決未學(xué)復(fù)雜問(wèn)題的能力。

該案例設(shè)計(jì)了動(dòng)畫(huà)VR 模型，在課程教學(xué)中，學(xué)生可以利用VR 頭盔詳細(xì)觀看動(dòng)畫(huà)演示。 將 “機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析”“機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析”“凸輪設(shè)計(jì)”融合到課程討論中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組討論，每3～4 人一組，制定項(xiàng)目任務(wù)，提出相關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)，以鍛煉學(xué)生的專業(yè)能力、方法能力、社會(huì)能力為目的，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，查找相關(guān)資料，自行解決并記錄。 利用超星平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)本章學(xué)習(xí)情況，納入平時(shí)成績(jī)中。 教師應(yīng)讓學(xué)生從機(jī)械，枯燥的“學(xué)答”向“學(xué)問(wèn)”轉(zhuǎn)變，以問(wèn)題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生探索性學(xué)習(xí)，從“學(xué)會(huì)”向“會(huì)學(xué)”轉(zhuǎn)變，成為學(xué)習(xí)的主人。

4 結(jié)束語(yǔ)

疫情期間，基于學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向理念，本課題小組設(shè)計(jì)了“機(jī)械原理”翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)方式，采用超星平臺(tái)+騰訊會(huì)議，精心設(shè)計(jì)課前、課中、課后教學(xué)各環(huán)節(jié)，通過(guò)學(xué)生和督導(dǎo)評(píng)價(jià)，雖然疫情期間師生物理距離隔離，也取得了良好教學(xué)效果。