基于現(xiàn)代信息技術(shù)的高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

［摘 要］文章針對聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題，以課程目標(biāo)為導(dǎo)向，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方案、基于信息技術(shù)的教學(xué)模式及課程考核評價機(jī)制等方面開展一系列改革與探索，提出“理論教學(xué)→實(shí)驗(yàn)教學(xué)→理論教學(xué)”閉環(huán)教學(xué)模式，有助于增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)的聯(lián)系，獲得更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真技術(shù)；機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；評價機(jī)制

［中圖分類號］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0052-04

高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是機(jī)械類相關(guān)專業(yè)教學(xué)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)能夠從事機(jī)械領(lǐng)域工程研發(fā)、質(zhì)量檢測，以及產(chǎn)品研究、開發(fā)、生產(chǎn)等工作的高級技術(shù)型人才具有重要的作用。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是對高校機(jī)械類專業(yè)課的延伸性學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力以及工程實(shí)踐能力的重要課程，能夠提高學(xué)生的科研能力，為學(xué)生以后從事機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研發(fā)、工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)[1]。

基于現(xiàn)代信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于推動信息技術(shù)與高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性、探索性，是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要教學(xué)方法[2]。而當(dāng)前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠克服場地、時間、設(shè)備等因素的制約，更安全、更立體地呈現(xiàn)教學(xué)過程和教學(xué)內(nèi)容，受到越來越多的高校重視并被廣泛深入研究[3-4]。

一、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程簡介

機(jī)械類系列課程是聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院（以下簡稱學(xué)院）機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程、車輛工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是機(jī)械類系列課程的重要教學(xué)部分。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)、互換性測量與技術(shù)、材料力學(xué)、液壓與氣壓傳動等6門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，2022版最新大綱規(guī)定機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)有20個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，總共48學(xué)時。該課程每年承擔(dān)學(xué)院400余名學(xué)生總計1000余學(xué)時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備普遍存在臺套數(shù)少、部分設(shè)備太老舊、設(shè)備不好操作、測量結(jié)果有誤差等問題，而各個專業(yè)的班級人數(shù)則比較多，有30～40人。因此，在實(shí)驗(yàn)時需要對學(xué)生進(jìn)行分組，組內(nèi)幾名學(xué)生共同使用一套設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法保證學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生不能充分地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以取得理想的實(shí)驗(yàn)效果。

（二）機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的教學(xué)過程為：（1）實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)大綱安排制訂本學(xué)期教學(xué)計劃，具體教學(xué)計劃需要結(jié)合學(xué)生課程時間、實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況而定；（2）在實(shí)驗(yàn)之前1～2周時，下發(fā)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并填寫實(shí)驗(yàn)報告預(yù)習(xí)部分；（3）按照教學(xué)計劃進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)教師需要檢查學(xué)生的出勤情況，并檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況；（4）實(shí)驗(yàn)教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟等教學(xué)內(nèi)容，并重點(diǎn)講述實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，時間約為30分鐘；（5）學(xué)生根據(jù)教師的講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組內(nèi)學(xué)生共同或者輪流完成實(shí)驗(yàn)，并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（6）學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況整理實(shí)驗(yàn)報告，將形成的最終實(shí)驗(yàn)報告上交教師并由其存檔。具體教學(xué)過程如圖1所示。

（三）機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)考核評價方法

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立設(shè)置課程，按照大綱要求，采用考查的方式進(jìn)行成績評價。傳統(tǒng)的成績評價方式包括兩部分，即平時成績和報告成績。平時成績主要考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、出勤情況、課堂實(shí)驗(yàn)完成情況，滿分100分，占總成績的20%；報告成績主要考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告整理情況，即實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確、結(jié)論分析是否合理、實(shí)驗(yàn)報告是否完整、書寫是否整潔等方面，滿分100分，占總成績的80%。

（四）機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

對標(biāo)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求，傳統(tǒng)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題：（1）實(shí)驗(yàn)教師和理論教師不是同一位教師，相互之間缺乏溝通協(xié)調(diào)，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能很好地輔助理論教學(xué)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備太少，而且實(shí)驗(yàn)教師要占用一部分實(shí)驗(yàn)課堂時間來講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生不能充分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生容易失去實(shí)驗(yàn)興趣，限制了學(xué)生的開發(fā)、創(chuàng)新能力；（3）學(xué)生僅通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，存在部分學(xué)生不預(yù)習(xí)、抄襲預(yù)習(xí)內(nèi)容的現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；（4）課程考核評價形式簡單，主要考核內(nèi)容為實(shí)驗(yàn)報告，容易產(chǎn)生學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)報告的現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生主動思考、深入鉆研的能力。

二、基于現(xiàn)代信息技術(shù)的教學(xué)改革研究

基于現(xiàn)代信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)和發(fā)展，推動了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)信息從信息源到學(xué)習(xí)者之間個性化、智能化、泛在化的傳遞，具有明確的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象，體現(xiàn)了教學(xué)形式的創(chuàng)新[5]。課程平臺的建設(shè)和發(fā)展推動了現(xiàn)代信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的深度融合，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

為了解決學(xué)院現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、課程能力培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺、高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺及雨課堂等信息技術(shù)平臺，擬從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺、混合教學(xué)模式、考核評價等方面展開一系列的改革研究，以期探索形成基于信息技術(shù)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程閉環(huán)教學(xué)新模式。

（一）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院《本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案（2022版）》中對機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)要求分為3類4項(xiàng)能力指標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，將各項(xiàng)指標(biāo)細(xì)化到每一個實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求中，形成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與能力目標(biāo)支撐關(guān)系（如表1所示），驅(qū)動學(xué)生利用已經(jīng)掌握的理論知識和實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會動手實(shí)踐、自主學(xué)習(xí)、探索研究、創(chuàng)新設(shè)計，在實(shí)踐中培養(yǎng)專業(yè)能力、科研能力、科學(xué)思維習(xí)慣和綜合創(chuàng)新意識[6-7]。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計

在制訂“理論教學(xué)→實(shí)驗(yàn)教學(xué)→理論教學(xué)”的閉環(huán)教學(xué)方案過程中，需要實(shí)驗(yàn)教師與理論教師相互溝通、協(xié)商。具體實(shí)施方法如下。

首先，理論教師在理論教學(xué)中講解相關(guān)專業(yè)知識，引出專業(yè)問題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，研究探索解決問題的方法，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中解決問題，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動性。

其次，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)理論教師的專業(yè)知識要求，設(shè)計具體的實(shí)驗(yàn)過程，并在實(shí)驗(yàn)過程中引導(dǎo)學(xué)生解決專業(yè)問題，得出結(jié)果，分析結(jié)論。結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程、針對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)教師給出專業(yè)的總結(jié)性建議，培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)踐解決問題并分析總結(jié)的能力。

最后，實(shí)驗(yàn)教師將專業(yè)建議反饋給理論教師，理論教師根據(jù)反饋意見在理論課堂上結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、針對實(shí)驗(yàn)結(jié)論給出重點(diǎn)的講解，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)驗(yàn)相結(jié)合，達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

（三）基于現(xiàn)代信息技術(shù)教學(xué)模式的設(shè)計

在有限的實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)空間制約下，可以變革傳統(tǒng)線下機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，引入“綜合性、探索性、創(chuàng)新性”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)相融合，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)課前大約一周時間實(shí)驗(yàn)教師在網(wǎng)絡(luò)平臺下發(fā)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)要求，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過完成以上實(shí)驗(yàn)任務(wù)，填寫實(shí)驗(yàn)報告預(yù)習(xí)部分內(nèi)容，并將實(shí)驗(yàn)中的問題進(jìn)行總結(jié)。實(shí)驗(yàn)教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)報告填寫情況、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成情況掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，為課程評價提供依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)課開始前5分鐘，教師通過雨課堂要求學(xué)生隨堂完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)測試，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，避免部分學(xué)生不預(yù)習(xí)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)測試結(jié)果直接作為課程評價的依據(jù)之一。因?yàn)榍捌谝呀?jīng)完成了虛擬實(shí)驗(yàn)，所以在課堂中實(shí)驗(yàn)教師僅對實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，要求學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教師在課堂中密切觀察每名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，并及時排除設(shè)備故障和答疑解惑，同時將學(xué)生的課堂表現(xiàn)進(jìn)行記錄，作為課程評價的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束前5分鐘，教師同樣通過雨課堂要求學(xué)生完成隨堂測試，檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確、結(jié)論分析是否合理，并給出實(shí)驗(yàn)課堂的總結(jié)性建議。這項(xiàng)測試結(jié)果也將直接作為課程評價的依據(jù)之一。最后，實(shí)驗(yàn)教師針對實(shí)驗(yàn)課堂各個環(huán)節(jié)作出總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生解決理論教學(xué)中的專業(yè)問題。

實(shí)驗(yàn)課后，要求學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)報告中要將實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)中碰到的問題以及解決方法等幾個部分完整表述。實(shí)驗(yàn)報告的整理，能夠鍛煉學(xué)生總結(jié)分析的能力，提高學(xué)生自主繼續(xù)研究學(xué)習(xí)的興趣。實(shí)驗(yàn)報告也作為課程評價的依據(jù)之一。

（四）課程考核評價機(jī)制的改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核評價機(jī)制應(yīng)綜合考查學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手操作能力、獨(dú)立完成度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性、實(shí)驗(yàn)報告的整理情況等多項(xiàng)內(nèi)容，從多方面評價學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和教師的教學(xué)效果，對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)相關(guān)的各個階段的表現(xiàn)均進(jìn)行考核。考核過程分為預(yù)習(xí)階段考核、隨堂考核、課后考核。結(jié)合課程指標(biāo)要求，采用科學(xué)的量化方式對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行綜合評價。課程評價方式如表2所示，總成績由三部分組成：預(yù)習(xí)階段考核（占比20%）、隨堂考核（占比30%）、課后考核（占比50%）。制定科學(xué)的評價機(jī)制，注重過程考核，加大實(shí)踐力度，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)合作精神等綜合素質(zhì)[8]。

三、結(jié)語

本文基于現(xiàn)代信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究，將虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺與實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行有機(jī)融合，提出了“理論教學(xué)→實(shí)驗(yàn)教學(xué)→理論教學(xué)”閉環(huán)教學(xué)模式，利用多元化的教學(xué)方法和教學(xué)手段，能夠很好地解決學(xué)院當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的問題，顯著提升教學(xué)效果，也使學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)、提高實(shí)驗(yàn)技能、解決實(shí)驗(yàn)問題的同時，提升了科研素養(yǎng)，樹立了良好的人生觀、價值觀。教學(xué)改革的進(jìn)行也符合學(xué)院建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)的總體思路，并為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。我國各高校有必要充分重視機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和研究，以培養(yǎng)具備掌握系統(tǒng)專業(yè)知識和工程實(shí)踐技能的高素質(zhì)人才，使其將來能從事機(jī)械工程領(lǐng)域的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、科學(xué)研究、生產(chǎn)組織與管理等方面的工作。該課程的改革和研究也可為當(dāng)前高等教育發(fā)展形勢下實(shí)驗(yàn)課程的改革提供一定的借鑒。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：雷 艷］