基于翻轉課堂的機電一體化系統(tǒng)實驗教學研究與應用

劉 穎，李文強，程志輝

（1.沈陽工業(yè)大學 教務處，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽航空航天大學 機電工程學院，遼寧 沈陽 110136；3.遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036）

航空航天是目前乃至未來國防建設和國際競爭的重要領域，備受廣泛關注。隨著航空航天技術的迅猛發(fā)展和航空航天研制能力的大幅提高，以及規(guī)模和產(chǎn)能的不斷擴大，對航空航天類技術人才的需求也將長期保持增加態(tài)勢。機電類人才是航空航天研究院所和企事業(yè)單位人員結構的重要組成部分，能夠在該領域從事產(chǎn)品設計制造、科技開發(fā)和應用研究等方面擔當重要工作的角色，這就要求航空航天機電類人才具備較強的獨立思考、主動擔當、動手能力強等多方面的能力，從而對高校人才的培養(yǎng)模式提出新的需求。高校工科實驗課是學生教學的重要環(huán)節(jié)，同時也是高校人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的重要組成部分，保障實驗課的質(zhì)量能夠大幅提升學生多方面能力的培養(yǎng)。為滿足高校人才培養(yǎng)與航空航天領域單位的需求，以達到“校院所企事”的無縫對接狀態(tài)，對高校實驗教學環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

機電一體化系統(tǒng)實驗作為航空航天機電人才培養(yǎng)的一門關鍵核心實驗課程，目前大多采用傳統(tǒng)教學模式。教師在課堂上按照實驗大綱進行講解，學生根據(jù)實驗任務書在已經(jīng)搭建好的硬件環(huán)境中進行軟件設計來完成相關實驗內(nèi)容。存在學生“照葫蘆畫瓢”、缺乏獨立思考和師生之間互動不多的問題，學生對為什么做這樣的實驗、實驗所應用領域、實驗內(nèi)容等方面理解程度有限。同時能讓學生自主設計和動手裝配的訓練很少，導致學生的學習興趣不高，大多處于被動學習狀態(tài)，以及存在實驗目標不明確、主觀能動性差、動手能力弱、理論與實際結合不好、教學實驗與工業(yè)現(xiàn)場脫節(jié)等諸多方面問題。受到上述傳統(tǒng)實驗教學模式的影響，實驗效果和反饋不理想，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和工程實踐能力方面效果不佳，嚴重影響了學生的能力培養(yǎng)和單位對畢業(yè)學生的認可度。

翻轉課堂作為一種將傳統(tǒng)課上教學與課下學習進行轉換的教學形式，近年來得到教育界廣泛關注。翻轉課堂以學生為中心，可以彌補傳統(tǒng)實驗教學方式的不足，能夠使學生改變現(xiàn)有學習狀態(tài)，在興趣牽引、主動思考、勤于動手、全面互動、及時反饋和拓展完善中開展實驗。本文提出基于翻轉課堂的機電一體化實驗教學模式，能夠滿足機電類人才培養(yǎng)的需求，不僅提高實驗教學效果，而且為學生后續(xù)的就業(yè)和升學打下堅實的基礎。

一、翻轉課堂實驗教學

以機電一體化系統(tǒng)設計課程核心關鍵實驗項目——兩軸運動平臺搭建作為翻轉課堂的實驗教學案例，進行教學研究和應用。兩軸運動平臺是機械加工設備和電子加工設備的基本部件，同時也是進行相關科學研究和設備開發(fā)的常用設備。通過兩軸運動平臺實驗了解電機控制基本方法和知識，使學生掌握機電一體化系統(tǒng)的機械結構裝配和電氣控制部分的硬件設計接線、軟件開發(fā)編程、系統(tǒng)調(diào)試及集成的技能，提高動腦思考和相關操作技能、培養(yǎng)分析問題和解決實際問題的能力，達到較好的實驗目的和效果。具體如下。

（一）強化課前環(huán)節(jié)，翻轉課堂有效實施

1.精心選擇實驗項目

結合航空航天類產(chǎn)品小批量多品種研制的特點，滿足設計、制造、裝配、調(diào)試和交付的產(chǎn)品全生命周期的實際需求，以及對學生畢業(yè)去向的統(tǒng)計分析，同時結合部分學生考研后所從事的研究方向大多為機電一體化裝備研究、設計和應用，綜上研究和分析，選擇機電一體化系統(tǒng)核心關鍵實驗項目——兩軸運動平臺作為該實驗教學項目，通過該實驗教學的實施可以為學生能力的提升和后續(xù)發(fā)展起到重要支撐作用。

2.充分準備教學資料

查閱與實驗相關的大量資料，采用錄制微視頻的方式對實驗平臺和實驗環(huán)境進行介紹和講解，使學生對整個實驗有總體直觀認識。制作相關實驗器材教學PPT，主要包括機械部分和電氣控制部分，以實物圖片的方式進行展示，使學生深入理解實驗所用器件的外形、技術參數(shù)以及該器件在整個實驗中所起到的作用，便于學生對所用器件深入理解，同時多方位提示學生注意實驗安全。

3.采用案例式教學方法

結合多年來在航空制造企業(yè)的設計、研發(fā)和工程實踐經(jīng)驗，以飛機制造過程中蒙皮類銑削工裝姿態(tài)調(diào)整需求為牽引，導入在X 和Y 兩個方向的運動典型實例來進行案例式教學。從需求分析、方案制定、系統(tǒng)設計、安裝調(diào)試和運行交付等多個方面對兩軸運動平臺的典型工程應用進行講解，使學生對理論知識和工程實踐能夠有效結合，不斷引導學生進入工程應用實景，激發(fā)學生的學習興趣。

4.及時發(fā)布教學任務

教學資料制作完成后，通過雨課堂教學平臺建課，并發(fā)布課前預習任務，包括學生需了解實驗環(huán)境、掌握實驗的基本工作原理及其器材使用、能夠對電氣原理圖的讀圖和識圖、機械組裝和電氣連接、編寫實驗程序、通過程序控制實現(xiàn)X 軸和Y 軸點動控制、速度控制和位置控制等相關功能。同時將實驗大綱和實驗指導書等相關資料發(fā)送至教學平臺上，布置學生按要求完成課前的學習報告，便于學生進行有效完成預習實驗的基本知識。

5.建立有效溝通渠道

通過微信或雨課堂教學平臺與學生溝通，學生針對教師提供的教學資料進行實驗內(nèi)容學習，學生系統(tǒng)研究整個實驗過程。通過溝通渠道學生與老師確定學生的興趣小組，確定按照實驗的要求以3 人為實驗小組開展集中學習，一名同學側重于機械部分；一名學生側重電氣硬件部分；一名同學側重于PLC 軟件編程部分。教師不提供軟件程序，改變傳統(tǒng)以往教師提供程序，學生在課上直接模仿的方式。同時小組內(nèi)部建立良好的內(nèi)部溝通機制，制定詳細學習計劃，做到實驗小組內(nèi)部有效溝通和交流。

6.線上線下混合答疑輔導

學生針對學習過程中遇到的問題和收獲，應及時進行記錄和總結。對發(fā)現(xiàn)的問題學生應通過討論和自我分析問題，逐步解決問題，或遇到難以解決的問題時請教師指導。教師根據(jù)學生提出的問題，制定相應的互動時間，采用線上微信、雨課堂教學平臺、郵件輔導等方式結合加以輔導答疑。且教師應安排1 至2 小時學生面對面的線下答疑和輔導，發(fā)揮線上和線下優(yōu)勢，使學生遇到的問題得到有效解決。

（二）重視課中環(huán)節(jié)，實驗效果顯著

1.重點難點及時講解

教師根據(jù)學生課前預習情況統(tǒng)計分析，針對出現(xiàn)的個性問題、共性問題、難點問題進行有針對性講解和指導，同時對實驗的重點進行詳細講解，以達到良好的教學效果。實驗以安全第一為原則，在課堂上對實驗安全問題再次集中強調(diào)，避免在實驗過程發(fā)生危險，保障學生人身安全和防止對實驗器件的不必要損壞。

2.抽查預習狀態(tài)及混合分組

為了使翻轉課堂的教學模式真正起到實際作用，抽查部分學生課前學習完成情況，檢查學生是否達到了預定的學習目標。同時采取與課前學習小組不同的再次混合分組方式進行實驗，三名學生為一組，且每名同學在每個小組均不固定，減少學生依賴其他同學的心理，使學生高度認識實驗的重要性，達到課前良好預習效果。

3.獨立自主實驗及協(xié)同配合

學生需獨立自主完成相關實驗任務，在實驗分組完成后，明確自己所在小組的任務，發(fā)揮每位同學的特長和優(yōu)勢，避免出現(xiàn)由任務分配不合理而導致實驗任務分配不均的情況，有序開展實驗。在實驗過程中遇到問題，學生應獨立思考或與組內(nèi)其他組員討論解決。學生實驗過程圖如圖1 所示，組內(nèi)成員需通過協(xié)作來共同完成整個實驗，在實驗中應具有批判性和創(chuàng)新性思維，提高團隊溝通配合能力。

圖1 學生實驗圖

4.全面指導互動交流

在學生實驗期間，教師及時檢查每一小組的實驗情況，對于學生遇到的新問題要及時幫助和指導。同時對于部分學生實驗動手能力不強、理論和實際結合不高的問題應加以重點指導。針對學生出現(xiàn)的錯誤裝配和電氣連接、系統(tǒng)調(diào)試問題及時糾正。實驗過程中學生若遇到問題應及時與教師溝通和交流，教師應詳細指導，與學生交流，突出重點。

5.成果展示交流心得

學生在完成實驗之后在課堂上展示自己小組實驗成果，每名同學分別介紹自己所做的工作，以及在實驗中所起到的作用，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力。交流課前和課上學習體驗和心得，總結實驗出現(xiàn)的問題和如何排查，及下一次實驗在哪個方面應進一步加強和完善，逐步提高自主學習的主動性和學習興趣。同時學生與教師之間可針對實驗報告的發(fā)散性題目進行交流，采取提問和互動等方式，激發(fā)學生深層次地思考問題。

6.有效評價實驗過程

在實驗完成后，學生需自行完成實驗報告并提交。教師安排每個小組內(nèi)的同學依據(jù)整個實驗過程中的表現(xiàn)、所起到的作用多少和團隊協(xié)作能力方面互相打分，作為實驗評分的一項標準。同時教師針對每個小組的實驗目標達成情況、實驗時間、實驗操作規(guī)程等進行個體和總體的綜合性評價，保障實驗過程監(jiān)督和有效綜合評價。

7.布置開放拓展實驗項目

教師應篩選出有進一步研究興趣的學生，布置具有拓展思維、進階開放的實驗項目或設計方面的選題，供同學們研究。培養(yǎng)這部分學生的科研和工程實踐能力。教師可根據(jù)自身的工程實踐和科研方面所涉及的運動控制方面問題與學生進行探討，以航空航天領域實際的工程應用為案例，進一步鞏固實驗教學的應用范圍和現(xiàn)實意義。

（三）完善課后環(huán)節(jié)，鞏固優(yōu)化提高

1.綜合評價實驗結果

教師批改以小組為單位的實驗報告，對實驗報告出現(xiàn)的問題集中分析和總結，為后續(xù)改進提供基礎。針對學生課前預習成績，實驗過程成績、小組各自評分成績、實驗報告成績的綜合加權系數(shù)平均給出最終的實驗成績，著重將學生對實驗方案、多角度思考和創(chuàng)新性見解作為重要的評價標準。

2.反饋評估持續(xù)改進

教師應總結課前資料的充分性、學生的學習情況、理論與實踐結合能力、掌握知識的程度、學生遇到的問題、分析問題和解決問題的能力、對實驗是否滿意程度和存在的差距等諸多方面問題進行研究，并以此為基礎優(yōu)化和完善。學生應總結預習方法是否正確，實驗重點是否能夠掌握，及其總結歸納實驗的全過程，逐步提高學習效率。同時學生還要培養(yǎng)自己全方位多層次的創(chuàng)新思維能力，不斷地強化自我、培養(yǎng)自我和完善自我。

3.提升拓展實驗質(zhì)量

學生結合自己的興趣開展拓展實驗，根據(jù)教師布置的題目思考和分析，制訂方案并加以論證，詳細研究實驗的過程和如何進行實現(xiàn)，與老師討論和交流，教師應不斷啟發(fā)和指導學生。例如學生基于昆侖通態(tài)觸摸屏自行開發(fā)的運動平臺控制演示界面，如圖2 所示，將此實驗結果進行演示，提升自主學習能力。

圖2 基于觸摸屏的運動平臺控制界面

4.調(diào)查問卷和座談

教師根據(jù)學生反饋設計出相關調(diào)查問卷，發(fā)放給學生，預留充足的時間，保證每位學生都參與并認真作答。及時回收調(diào)查問卷，整理數(shù)據(jù)和分析結果，得出結論。以及教師通過選取部分學生進行座談，開展實驗課程意見的交流和互動，為后續(xù)實驗教學改進提供基礎。

二、實施效果分析

實施基于翻轉課堂的機電一體化系統(tǒng)實驗教學后，通過調(diào)查問卷方式檢驗，用于了解該種教學模式的被認可度，發(fā)放110 份學生調(diào)查問卷，收回110 份。調(diào)查項目分為五類問題，問卷調(diào)查結果統(tǒng)計如圖3 所示。通過調(diào)查問卷分析得出，認為實驗項目合理的人數(shù)為100 人，占到總人數(shù)的90.9%；喜歡翻轉課堂實驗教學方式的人數(shù)為93 人，占到總人數(shù)的84.5%，說明翻轉課堂很有必要，學生對翻轉課堂教學模式的認可度較高；認為教師教學方法實用占到總人數(shù)的92.7%；認為實驗安排合理的占到總人數(shù)的80%；認為教學資料充分的占到總人數(shù)的83.6%。

圖3 問卷調(diào)查結果統(tǒng)計圖

選取實驗中快速完成并結果演示較好、動手能力較強、課堂表現(xiàn)不積極的三種學生共20 人進行座談，絕大部分學生認為這種教學方式鞏固了理論知識、培養(yǎng)了主動思考能力和動手操作能力，有效提高實驗教學效果，同時部分同學也提出相應的實驗教學改進建議，總體來說該實驗教學模式效果良好。

三、結束語

基于翻轉課堂的機電一體化系統(tǒng)實驗教學模式激發(fā)學生的學習興趣，增強了學生的自主學習能力，進一步提高學生的動腦動手能力、勇于思考和創(chuàng)新能力，達到讓知識、能力和態(tài)度情感融為一體的教育，有效提高了學生課堂學習效率。然而教學改革和教學效果的提高不是一蹴而就的，而是需要不斷完善和持續(xù)改進的過程，在實際的實驗教學過程中，需不斷探索教學方式的變革，激發(fā)教與學的活力，引領教學革命，努力達到提高教學質(zhì)量的目的。