《機械原理及設計》課程線上線下混合教學模式的建設與實踐

高志慧，郭衛(wèi)東

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京）

一 引言

北京航空航天大學開設的《機械原理及設計》課程是一門培養(yǎng)學生工程思維和機械創(chuàng)新設計能力的技術(shù)基礎課，是工科機械類系列教學的主干課程，包含機械原理和機械設計兩部分內(nèi)容。該課程具有以下特點：（1）課程內(nèi)容涉及廣泛的理論基礎知識，包括理論力學、材料力學和工程圖學等課程。（2）該課程是一門理論與實際緊密結(jié)合的課程，具有很強的工程應用背景，是機械類專業(yè)課的基礎。與機械類專業(yè)的專業(yè)課相比，具有更廣泛的適應性和通用性。（3）課程內(nèi)容繁多，但授課時間有限。按照傳統(tǒng)的線下課堂教學模式，在有限時間內(nèi)，實現(xiàn)學生對課程知識全面地吸收、消化和應用存在較大的困難，不易形成系統(tǒng)和完整的工程設計理念。因此，有必要對本課程的教學模式進行改革。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展以及教育的進步和教學理念的更新，應用網(wǎng)絡技術(shù)進行課程在線教學的方式和方法得到越來越廣泛的應用。特別是面向?qū)W生自主學習平臺（例如MOOC）的迅速發(fā)展，在一定程度上引發(fā)了對課程的教與學的變革，隨時、隨地、無限次的聆聽教師的授課已成為現(xiàn)實，如何來迎接這一新的教學理念、新的教學方式和方法，如何對課程進行建設和改革，以適應“新工科”人才的培養(yǎng)目標，是教師們面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了迎接這種挑戰(zhàn)，各高校紛紛對教學模式進行了改革與創(chuàng)新，其中線上線下混合式教學正在成為高校培養(yǎng)人才的典型新模式[1-3]。該模式將學習過程劃分為三個環(huán)節(jié)：課前知識準備、課中答疑解惑和課后知識鞏固,其中課前和課后環(huán)節(jié)由學生使用在線學習平臺完成，課中教師采用傳統(tǒng)教學模式答疑解惑[4]。在此模式中，學生為教學主體，教師為引導者和指導者，將課堂上教師的主導作用與網(wǎng)絡化教學中學生的學習主動性、積極性和創(chuàng)造性等優(yōu)勢結(jié)合起來，大大提高了課堂效率[5-6]。

二 線上線下混合教學模式的建設

《機械原理及設計》為一門理論與實踐緊密結(jié)合的課程，理論知識是實踐設計的基礎，實踐設計能力的培養(yǎng)與提高是本課程的教學目標。據(jù)此，制定了線上教學與線下課堂教學相結(jié)合的混合教學模式（圖1），通過精心設置線上線下教學內(nèi)容和教學資源，實現(xiàn)線上線下教學互促、優(yōu)勢互補，以提高課程的教學效率和質(zhì)量。

圖1 線上線下混合教學模式

(一) 課前基于SPOC 線上自主學習

基于北京航空航天大學機械原理及設計教學團隊錄制的《機械原理及設計》MOOC 課程，創(chuàng)建班級專屬的SPOC課程。學生根據(jù)教師布置的學習內(nèi)容，在課前通過專屬的SPOC 課程自主學習基礎理論知識，初步掌握有關知識內(nèi)容，為線下課堂研討式教學做好準備。同時完成相應的章節(jié)測試，自行檢查自學效果，通過糾錯改錯，加深知識的理解，并可以在討論區(qū)對疑難問題進行研討。另外，教師可以通過SPOC 平臺隨時查看每個學生的自主學習情況，并計入平時成績。

（二） 基于云班課的線下課堂教學

在線下課堂教學中，改變傳統(tǒng)教學中教師為主導者、學生被動地聽和學的方式，而是以學生為中心”，采取“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式。教師通過課前學生自主學習記錄，初步了解學生對基礎知識的掌握情況，并以此為依據(jù)，規(guī)劃課堂教學內(nèi)容。在課堂學習中，首先對重點知識進行梳理，對疑難問題進行討論答疑，實現(xiàn)對基礎知識的加深和鞏固。為了進一步提高學生對相關知識的理解，教師課前收集和設計由易到難、由淺入深的相關機械問題，并在課堂教學中適時把這些機械問題提供給學生，由學生自由討論、頭腦風暴、探究解決問題的方法，激發(fā)學生參與問題討論的積極性和主動性，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，提高學生的思辨能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)課堂基礎知識的拓展和延伸。另外，在云班課中設置大量的“隨堂測驗”題目，實現(xiàn)每次課堂知識必檢查，并把測試成績記錄為一項平時成績。

（三） 課后作業(yè)和基于團隊協(xié)作的工程項目實踐

課后完成作業(yè)和工程項目實踐活動，進一步加深對知識的理解和拓展、提高團隊協(xié)作能力和工程設計能力。特別是在工程項目實踐活動中，要求學生以團隊的形式根據(jù)設計任務完成“機械總體方案設計與選擇”→“執(zhí)行機構(gòu)運動方案設計及分析”→“執(zhí)行機構(gòu)和傳動裝置結(jié)構(gòu)設計”的整個設計過程，如圖2 所示。通過工程項目實踐活動、學生團隊協(xié)作，對所學知識進行整合梳理，掌握一般機械產(chǎn)品的設計過程，建立機械設計的系統(tǒng)性和完整性概念，熟悉和初步掌握先進的設計與分析技術(shù)，將先進技術(shù)（虛擬樣機技術(shù)、有限元技術(shù)）與機械學經(jīng)典理論有機結(jié)合，從而全面培養(yǎng)和提升學生的機械設計素質(zhì)，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力。為學生后期機械專業(yè)課的學習打好堅實的理論基礎和先進技能。

圖2 工程實踐項目訓練

由此可見，在該教學模式中，學生的學習過程為 “知識的初步掌握→知識的鞏固與加深→知識的實踐與拓展”，為一種進階式學習模式。改革的重點是將課程理論教學與實踐教學相結(jié)合，培養(yǎng)學生動手實踐、分析問題和解決問題的能力；將基礎理論知識與項目實踐鍛煉有機結(jié)合，提高學生的機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計能力，培養(yǎng)勇于探索和敢于創(chuàng)新的品質(zhì)。

三 課程的培養(yǎng)目標

該課程的培養(yǎng)目標是以設計為導向，創(chuàng)建一個“以學生為主體，教師為引導者”的《機械原理及設計》課程教學新模式。培養(yǎng)具有扎實的基礎理論知識、濃厚的自主學習興趣、善于分析問題和解決問題、勇于創(chuàng)新，能夠借助先進工程技術(shù)分析軟件解決復雜工程設計問題的人才，滿足新工科教育需求。為了實現(xiàn)該培養(yǎng)目標，需要對各教學環(huán)節(jié)進行周密地考慮和設計，各教學環(huán)節(jié)與課程培養(yǎng)目標的映射關系如圖3 所示。

圖3 培養(yǎng)目標

(一) 自主學習能力的培養(yǎng)

俗話說“活到老，學到老”。而傳統(tǒng)的課堂教學是以教師作為整個課堂的掌舵者和中心角色，將書本知識比較詳細化、系統(tǒng)化地傳授給學生，學生處于被動的學習狀態(tài)。當學生走出校園后，其學習模式為自主學習，因此在校園教學中就需要培養(yǎng)學生的自主學習能力。在本課程線上線下混合教學模式中，學生課前需要按照任課教師的安排進行自主學習，通過一段時間的鍛煉，學生漸漸養(yǎng)成了自主學習的習慣，而且可以把自主學習拓展到其他課程，包括自主尋找學習資源、自主聽課和練習，培養(yǎng)了學生的自主學習能力和終生自主學習的素養(yǎng)。

(二) 交流和思辨能力的培養(yǎng)

在傳統(tǒng)教學模式中，由于教學大綱和教學計劃的要求以及課堂時間的有限性，導致生生之間、師生之間互動交流的機會有限，學生課堂參與表現(xiàn)為“長于聽、訥于言”。在線上線下混合教學模式中，可以提供更多的時間以供學生參與討論或演講，從而有利于培養(yǎng)和提高學生的交流表達能力和思辨能力。例如，在課堂討論環(huán)節(jié)中，學生可以自由發(fā)言和討論，特別是在工程項目實踐活動中，設置了項目開題、中期檢查和結(jié)題答辯等環(huán)節(jié)，要求學生以團隊形式做PPT 并進行現(xiàn)場答辯，學生即是演講者又是提問者，從而促進學生進行語音表達和交流。

(三) 團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)

古人云：“人心齊，泰山移”。團隊協(xié)作是一切事業(yè)成功的基礎，團隊協(xié)作可以超越個體的局限，產(chǎn)生一加一大于二的效果。首先需要讓學生認識到團隊協(xié)作的重要性，其次是實現(xiàn)以團隊協(xié)作形式完成任務。在工程項目實踐活動中，同學們需以團隊形式完成一個機械產(chǎn)品的設計和分析任務。在該過程中，通過共同學習，同學之間實現(xiàn)信息和資源共享，加大信息交流量，拓展每個同學思維的深度和廣度，不僅可以激發(fā)每個同學的潛力，還能培養(yǎng)同學之間團結(jié)互助的協(xié)作精神和能力，從而促進同學之間的友情，提高工作效率和效果。

(四) 創(chuàng)新設計能力的培養(yǎng)

在完成工程項目實踐活動中，同學們需要查閱相關的文獻資源，利用已學的知識進行創(chuàng)新設計，從而實現(xiàn)基礎理論知識與項目實踐鍛煉有機結(jié)合，提高學生的機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計能力，培養(yǎng)勇于探究和敢于創(chuàng)造的精神。

四 教學資源的建設

(一) 機械原理及設計MOOC 課建設

根據(jù)機械原理及設計課程內(nèi)容多、知識碎片化的特點，將課本內(nèi)容分解為若干個知識點，每個知識點錄制一段10~20 分鐘的微視頻，以便于學生可以利用散碎的時間完成各個知識點的學習。同時針對每個知識點設置隨堂測試，讓學生邊學習邊自我檢測，及時了解學習效果。通過設計討論題，以引導學生在學習中進行思考，參與討論并留言，實現(xiàn)對知識點的拓展和延伸。另外，每章設置單元測驗，檢測學生對本章內(nèi)容掌握的情況。

(二) 云班課的建設

本課程基于云班課平臺進行線下課堂教學活動和管理，在云班課平臺建設了豐富多樣的教學資源和多元化的教學活動。教學資源主要包括參考教材、拓展微視頻、機械設計趣味知識、機械工程案例設計圖片或動畫、優(yōu)秀作業(yè)展示等模塊；教學活動主要包括隨堂測驗、調(diào)查問卷、頭腦風暴、作業(yè)的布置、提交和批改以及工程項目實踐的開題、中期檢查和結(jié)題等內(nèi)容。經(jīng)過兩年多的努力，建立了387 項教學資源和192 項教學活動。

(三) 工程項目實踐庫的建設

由于《機械原理及設計》課程內(nèi)容多，包括機構(gòu)組成原理、常用機構(gòu)運動分析與設計、機械零件強度設計、連接設計、傳動機構(gòu)設計、軸與軸承等。雖然各章內(nèi)容比較完整，但是整體內(nèi)容表現(xiàn)為碎片化，缺乏關聯(lián)性，難以培養(yǎng)學生從宏觀上掌握機械系統(tǒng)整體的設計思路和方法。另外，《機械原理及設計》課程的特色是理論與實踐緊密結(jié)合，鞏固、拓展和提升理論知識的最佳手段是實踐，因此有必要根據(jù)課程內(nèi)容設置合適的，具有一定挑戰(zhàn)性的工程項目實踐庫。

教學團隊老師根據(jù)多年豐富的教學和科研經(jīng)驗，從生活、工程和科研中挖掘難易程度不同的設計題目，供學生根據(jù)自身的情況進行選擇。

五 課程評價體系的設計

為了促進學生的學習動力和全面掌握學生在整個學習過程中的學習效果，本課程實施學習過程評價體系，構(gòu)建了“課前自主學習+上課出勤+隨堂測驗+ 課后作業(yè)+ 工程實踐項目訓練+ 期末考試”的評價體系?；趯W校專屬的“SPOC 課程”和“云班課”等現(xiàn)代化信息技術(shù)，記錄每個學生在整個學習過程中每個環(huán)節(jié)的學習情況，整個評價過程透明、可追溯，便于學生和教師隨時把握學生的學習進度和效果。此評價體系打破了某些學生“逍遙一學期，考前一突擊”的傳統(tǒng)觀念，有利于培養(yǎng)學生腳踏實地、知行合一的學習習慣和專業(yè)素養(yǎng)。

六 教學實踐及效果

2021 年春季，北京航空航天大學《機械原理及設計》課程采用了線上線下混合教學模式，經(jīng)過一輪的教學活動，取得了一定的成績，得到了一些經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)了一些不足。

由于該教學模式是基于學生課前自主學習進行的，而且課程評價體系貫穿整個學期的每個教學環(huán)節(jié)，從而督促和激發(fā)了學生自主學習的積極性，培養(yǎng)了學生自主學習的習慣，有利于學生形成終生自主學習的素養(yǎng)。

在多元化考核模式下，學生出勤率大幅提高，基本達到整個學期全部出勤，且無遲到和早退的現(xiàn)象。另外，在課堂教學環(huán)節(jié)中，課堂討論、隨堂測試等環(huán)節(jié)促使學生全神貫注積極參與到課堂活動中，減少了上課思想游離的狀態(tài)，提高了學生的學習興趣和學習熱情。

在工程項目實踐活動中，同學們分組團隊合作，查閱文獻，利用現(xiàn)代化設計手段進行分析和設計，編寫項目報告、制作PPT，進行項目匯報和答辯，并進行自評和互評。在此過程中培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設計能力、團隊合作能力、語音表達能力和思辨能力，提升了學生全方位的素質(zhì)。通過工程項目實踐活動，同學們初步品嘗到了付出的辛苦，也收獲了成功的喜悅。

為了及時了解同學們對新教學模式的意見和建議，進行了數(shù)次無記名調(diào)查文卷活動。在初期階段，同學們懷著懵懂和好奇的心情進行嘗試，經(jīng)過三、四周的鍛煉，大部分同學適應了新的教學模式并且喜歡上了該教學模式，有少數(shù)同學對教學模式的態(tài)度是無所謂。同時，同學們基本都具備了自主學習的能力，此能力將會使學生受益終生。

另外，經(jīng)過一個完整的教學實踐活動，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，主要體現(xiàn)在課堂某些教學內(nèi)容的提煉精簡程度方面。因為此部分教學內(nèi)容是基于學生的自主學習情況確定的，而且學生的自主學習效果參差不齊，因此，為了滿足絕大部分學生的需求，需要不斷地根據(jù)學生自主學習情況對課堂教學內(nèi)容進行改進和完善。

七 結(jié)語

《機械原理及設計》課程是一門理論與實踐緊密結(jié)合的機械類技術(shù)基礎課，是培養(yǎng)學生工程思維和機械創(chuàng)新設計能力的關鍵課程。在傳統(tǒng)工科向“新工科”轉(zhuǎn)型升級的背景下，根據(jù)本課程的特點和多年的教學經(jīng)驗，我校對該課程進行了線上線下混合教學模式的建設和實踐。通過建設豐富的線上課程資源、多樣化的研討式課堂活動、具有挑戰(zhàn)性的課后工程項目實踐以及全方位、多元化的考核方式，促進了學生自主學習能力的培養(yǎng)，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學習效率和教學效果。