機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)混合教學(xué)模式的研究與探討

陳勇 李嬌 陳曉紅

摘? 要：針對(duì)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心傳統(tǒng)的教與學(xué)現(xiàn)狀，基于互聯(lián)網(wǎng)+教育的新模式，對(duì)以學(xué)生為中心、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了研究。通過建設(shè)線上云平臺(tái)中心，按需部署機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)各類應(yīng)用軟件與仿真軟件，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的線上線下混合式機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，學(xué)生可隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)，教師可持續(xù)優(yōu)化教學(xué)資源以及改進(jìn)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；線上線下；自主學(xué)習(xí)；混合教學(xué)模式；傳統(tǒng)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP39；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）06-0186-04

Research and Discussion on the Blending Learning Mode of Mechanical Experimental Teaching

CHEN Yong， LI Jiao， CHEN Xiaohong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan? 442002， China）

Abstract： In view of the traditional teaching and learning status of the mechanical experiment teaching center， based on the new mode of Internet + education， the student-centered， online and offline blending experimental teaching mode is studied. By constructing an online cloud platform center， deploying all kinds of application software and simulation software for mechanical experiment teaching as required， and building a new internet-based online and offline blending mechanical experiment teaching mode， teachers and students can share experimental teaching resources， students can learn independently at any time and anywhere， teachers can continue to optimize teaching resources and improve teaching methods.

Keywords： cloud platform; online and offline; autonomous learning; blending learning mode; traditional teaching

0? 引? 言

在《國家教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中提到，建成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺(tái)，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下的人才培養(yǎng)新模式，支撐各類創(chuàng)新型教學(xué)的常態(tài)化應(yīng)用[1]，推動(dòng)優(yōu)質(zhì)教育資源開放共享，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式。在教育行業(yè)中，使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的改革已經(jīng)非常廣泛，出現(xiàn)了很多基于互聯(lián)網(wǎng)的線上教育平臺(tái)，如慕課、超星學(xué)習(xí)通等教學(xué)平臺(tái)，使用了豐富的多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等，使教學(xué)具有了信息化、智能化、移動(dòng)化的新特性。但在課程對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大部分教學(xué)還是傳統(tǒng)的教與學(xué)的模式，不符合當(dāng)前大學(xué)生對(duì)教學(xué)工具、教學(xué)形式的多樣性需求，需要不斷推進(jìn)基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

1? 機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心承擔(dān)著機(jī)全校機(jī)械設(shè)計(jì)制造、汽車、材料等多個(gè)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要有機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、CAD技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用、CAE技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用、數(shù)字化設(shè)計(jì)制造等所有專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，如圖1所示。

作為教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，中心的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還是傳統(tǒng)的教與學(xué)的模式。教學(xué)中學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告這三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，存在學(xué)習(xí)形式單一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作不足（設(shè)備臺(tái)套有限）、課后無法回顧等問題[2]。學(xué)?，F(xiàn)用的超星學(xué)習(xí)通等網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，在涉及實(shí)驗(yàn)課程中基于3D的VR虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)效果很不理想，CAD/CAE課程的上機(jī)軟件（CATIA、UG、中望3D、ANSYS）上機(jī)環(huán)境構(gòu)建困難；使用基于互聯(lián)網(wǎng)的高校共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，但由于涉及每個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件條件不同、實(shí)驗(yàn)要求不同，使用效果一般。機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在學(xué)生無法進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、仿真操作、課后復(fù)習(xí)與提交報(bào)告的過程。也存在任課教師、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生三者溝通困難，資源不能共享的現(xiàn)狀。

2? 機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心混合教學(xué)建設(shè)的意義

針對(duì)機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)現(xiàn)狀，構(gòu)建基于云平臺(tái)中心的混合教學(xué)方式，建設(shè)實(shí)驗(yàn)中心信息化、智能化共享硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室信息化、智能化仿真資源，以改革教法，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，簡化實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備工作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生為中心，因此，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的教育技術(shù)的混合教學(xué)新模式具有重要意義[3]。

3? 機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心混合教學(xué)模式建設(shè)方案

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心混合教學(xué)模式建設(shè)中，轉(zhuǎn)變教與學(xué)的方式，尤其是轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式是本項(xiàng)目的核心任務(wù)之一，目的是轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，改變學(xué)生在學(xué)校里的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新實(shí)踐能力，以學(xué)生為中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息共享（隨時(shí)隨地訪問），實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程合理（線上、線下），實(shí)驗(yàn)操作“智能”（VR、仿真、創(chuàng)新），實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋的研究內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)任課老師、實(shí)驗(yàn)教師、學(xué)生完全可以共享實(shí)驗(yàn)資源。

任課教師可以通過平臺(tái)詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和效果，合理的修訂教學(xué)大綱。實(shí)驗(yàn)教師可以通過平臺(tái)改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，持續(xù)豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，基于OBE形成一個(gè)閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋系統(tǒng)；學(xué)生可以隨時(shí)隨地便捷訪問平臺(tái)資源，及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中“課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)”為線上模式，以提高學(xué)生多渠道多形式自主學(xué)習(xí)為目標(biāo)，構(gòu)建基于校園網(wǎng)的線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在教與學(xué)中充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，給學(xué)生更多的主動(dòng)性和自由，實(shí)現(xiàn)從以教師為中心向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變；機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)混合教學(xué)模式建設(shè)方案如圖2所示[4]。

4? 機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心混合教學(xué)建設(shè)內(nèi)容

4.1? 實(shí)驗(yàn)室線下資源建設(shè)

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心根據(jù)專業(yè)認(rèn)證要求在2016—2021年度期間完成了機(jī)器人、機(jī)床裝備與液壓氣壓等實(shí)驗(yàn)室線下資源建設(shè)，計(jì)劃2022—2023年度建設(shè)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、CAD/CAE等課程線下實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)。其中，機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)共9學(xué)時(shí)，4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的測(cè)繪與分析實(shí)驗(yàn)、齒輪范成原理實(shí)驗(yàn)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與搭接實(shí)驗(yàn)）計(jì)劃購置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備共3種（機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、齒輪范成試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與搭接試驗(yàn)臺(tái)）。機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)共8學(xué)時(shí)，5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)、螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)、滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)、減速器拆裝實(shí)驗(yàn)、組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)設(shè)備4種（帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)、滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)、組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)箱）。CAD/CAE課程實(shí)驗(yàn)軟件有國產(chǎn)中望3D和HyperWorks軟件，每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠滿實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

4.2? 機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)線上云平臺(tái)中心建設(shè)

4.2.1? 云平臺(tái)中心建設(shè)

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心線上云平臺(tái)中心由GPU高性能服務(wù)器、分布式云存儲(chǔ)系統(tǒng)、高性能開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)、3D云桌面系統(tǒng)、云終端設(shè)備五個(gè)部分組成。云平臺(tái)中心結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖3所示。

線上共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是基于HPC的開放云平臺(tái)實(shí)踐環(huán)境，如圖4所示。HPC桌面云數(shù)據(jù)中心為教師與學(xué)生每人交付一臺(tái)GPU云電腦及個(gè)人專屬云存儲(chǔ)空間，可以在任意終端流暢地運(yùn)行各類VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或高性能CAD/CAE應(yīng)用。線上學(xué)生通過終端設(shè)備登錄自己的GPU云電腦賬號(hào)，在寢室、圖書館或是家中，隨時(shí)隨地便捷訪問共享的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真資源，及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。線下學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作后，可以隨時(shí)訪問共享的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真資源，復(fù)習(xí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程，撰寫提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。線上線下混合教學(xué)極大拓寬了學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)長，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)外無縫對(duì)接。成為可運(yùn)行機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)及CAD/CAE的高性能開放云平臺(tái)中心[5]。

IaaS層，按需配置多臺(tái)GPU高性能服務(wù)器，構(gòu)建GPU集群超算云資源池，前端為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)機(jī)房的瘦終端設(shè)備或利舊機(jī)房低配舊電腦。服務(wù)器通過接入實(shí)驗(yàn)中心的匯聚交換機(jī)與校園網(wǎng)核心交換機(jī)相連，以保證全院的師生在實(shí)驗(yàn)教室之外、接入校園網(wǎng)的任何終端登錄個(gè)人工作空間，即可獲得高性能的應(yīng)用服務(wù)。

PaaS層，采用高性能開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)及云桌面系統(tǒng)搭建新工科開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為各類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)軟件提供承載與運(yùn)行環(huán)境，以微服務(wù)架構(gòu)，針對(duì)不同課程的實(shí)驗(yàn)需求，一次性批量交付大量一致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)云桌面應(yīng)用環(huán)境。

SaaS層，應(yīng)用承載庫可支持上百個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真資源應(yīng)用集中部署，并以單一實(shí)例方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用發(fā)布、應(yīng)用升級(jí)及應(yīng)用運(yùn)維，且可擴(kuò)展。滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真應(yīng)用場景下的各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等教學(xué)得以順利開展。

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與武漢興和云公司達(dá)成了基于云平臺(tái)構(gòu)建的共享實(shí)驗(yàn)體系的協(xié)議，進(jìn)行了方案論證與功能測(cè)試，在2022年度初步完成了平臺(tái)基礎(chǔ)的建設(shè)，云平臺(tái)中心如圖5所示。

4.2.2? 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目智能化應(yīng)用資源建設(shè)

主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目智能化應(yīng)用資源如下：

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備自帶項(xiàng)目仿真資源。實(shí)驗(yàn)室線下資源建設(shè)中設(shè)備廠商都開發(fā)了與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目VR和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以滿足學(xué)生使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真，將實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊密結(jié)合，將實(shí)物模型與虛擬動(dòng)畫模型結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，充分展示其實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作與實(shí)驗(yàn)過程原理及特點(diǎn)，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上大膽動(dòng)手，充分操作，使實(shí)驗(yàn)操作具有智能化，是共享實(shí)驗(yàn)資源。

（2）工程軟件。CAD/CAE實(shí)驗(yàn)課程上機(jī)需要使用大量工程軟件，主要有中望3D、CATIA、Hyper-works、Math-Lab等。這些工程軟件對(duì)機(jī)器配置要求高，安裝和配置過程復(fù)雜，是共享上機(jī)資源，如圖6所示。

（3）教師制作教學(xué)資源。理論教師根據(jù)教學(xué)大綱要求制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱與考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)要求制作的教學(xué)資源，主要有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作視頻、軟件操作視頻、建模分析視頻等，圖7是自己制作的插補(bǔ)原理仿真實(shí)驗(yàn)資源。實(shí)驗(yàn)教師還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，制作創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源供學(xué)生選做，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和研究精神。

5? 結(jié)? 論

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)中心支持專有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在2016—2022年度期間采購的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來自不同區(qū)域、不同廠家，實(shí)驗(yàn)設(shè)備區(qū)別較大，不同設(shè)備的虛擬仿真操作也都不相同，比如機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別采購的湖南佳訊公司和杭州星辰公司設(shè)備，系統(tǒng)自帶的仿真軟件各不相同。通過機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)中心合理配置各種仿真軟件，云平臺(tái)就根據(jù)師生需求動(dòng)態(tài)并合理地分配實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，根據(jù)不同課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真要求，按需封裝成不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源容器，自由組合，靈活便捷交付所有學(xué)生使用。后期可以進(jìn)一步擴(kuò)展專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的仿真資源和自建資源，滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)手段的不斷發(fā)展與更新。

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)中心實(shí)現(xiàn)了師生共享教學(xué)資源。云平臺(tái)可以根據(jù)師生需求動(dòng)態(tài)并合理地分配實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，支持了機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、CAD/CAE等高性能應(yīng)用；在2022年的“CAD技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用”等實(shí)驗(yàn)課程中，使用效果良好。

機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)中心實(shí)現(xiàn)了混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法?；谠破脚_(tái)中心的機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變了實(shí)驗(yàn)教與學(xué)的方式，改變了學(xué)生在學(xué)校里學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)出來的學(xué)生能夠比傳統(tǒng)方式培養(yǎng)出來的更具自主性和創(chuàng)新實(shí)踐能力。今后在機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以進(jìn)一步通過改革教法、強(qiáng)化線上線下實(shí)驗(yàn)方法，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，簡化實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備工作，構(gòu)建基于信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法、發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的教育服務(wù)新模式。

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作者簡介：陳勇（1972—），男，漢族，湖北十堰人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、智能制造、高等教育實(shí)踐教學(xué)。

收稿日期：2022-10-03

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202102213049）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202101354014）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220604555293718）；湖北省高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目（HBSY2021-19）