高志慧,郭衛(wèi)東
(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京)
北京航空航天大學(xué)開設(shè)的《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程是一門培養(yǎng)學(xué)生工程思維和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課,是工科機(jī)械類系列教學(xué)的主干課程,包含機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。該課程具有以下特點(diǎn):(1)課程內(nèi)容涉及廣泛的理論基礎(chǔ)知識(shí),包括理論力學(xué)、材料力學(xué)和工程圖學(xué)等課程。(2)該課程是一門理論與實(shí)際緊密結(jié)合的課程,具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,是機(jī)械類專業(yè)課的基礎(chǔ)。與機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)課相比,具有更廣泛的適應(yīng)性和通用性。(3)課程內(nèi)容繁多,但授課時(shí)間有限。按照傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)模式,在有限時(shí)間內(nèi),實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)全面地吸收、消化和應(yīng)用存在較大的困難,不易形成系統(tǒng)和完整的工程設(shè)計(jì)理念。因此,有必要對(duì)本課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革。
隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展以及教育的進(jìn)步和教學(xué)理念的更新,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行課程在線教學(xué)的方式和方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)(例如MOOC)的迅速發(fā)展,在一定程度上引發(fā)了對(duì)課程的教與學(xué)的變革,隨時(shí)、隨地、無限次的聆聽教師的授課已成為現(xiàn)實(shí),如何來迎接這一新的教學(xué)理念、新的教學(xué)方式和方法,如何對(duì)課程進(jìn)行建設(shè)和改革,以適應(yīng)“新工科”人才的培養(yǎng)目標(biāo),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(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了改革與創(chuàng)新,其中線上線下混合式教學(xué)正在成為高校培養(yǎng)人才的典型新模式[1-3]。該模式將學(xué)習(xí)過程劃分為三個(gè)環(huán)節(jié):課前知識(shí)準(zhǔn)備、課中答疑解惑和課后知識(shí)鞏固,其中課前和課后環(huán)節(jié)由學(xué)生使用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)完成,課中教師采用傳統(tǒng)教學(xué)模式答疑解惑[4]。在此模式中,學(xué)生為教學(xué)主體,教師為引導(dǎo)者和指導(dǎo)者,將課堂上教師的主導(dǎo)作用與網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性等優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來,大大提高了課堂效率[5-6]。
《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》為一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程,理論知識(shí)是實(shí)踐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),實(shí)踐設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)與提高是本課程的教學(xué)目標(biāo)。據(jù)此,制定了線上教學(xué)與線下課堂教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)模式(圖1),通過精心設(shè)置線上線下教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)互促、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),以提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。
圖1 線上線下混合教學(xué)模式
基于北京航空航天大學(xué)機(jī)械原理及設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)錄制的《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》MOOC 課程,創(chuàng)建班級(jí)專屬的SPOC課程。學(xué)生根據(jù)教師布置的學(xué)習(xí)內(nèi)容,在課前通過專屬的SPOC 課程自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí),初步掌握有關(guān)知識(shí)內(nèi)容,為線下課堂研討式教學(xué)做好準(zhǔn)備。同時(shí)完成相應(yīng)的章節(jié)測(cè)試,自行檢查自學(xué)效果,通過糾錯(cuò)改錯(cuò),加深知識(shí)的理解,并可以在討論區(qū)對(duì)疑難問題進(jìn)行研討。另外,教師可以通過SPOC 平臺(tái)隨時(shí)查看每個(gè)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況,并計(jì)入平時(shí)成績(jī)。
在線下課堂教學(xué)中,改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師為主導(dǎo)者、學(xué)生被動(dòng)地聽和學(xué)的方式,而是以學(xué)生為中心”,采取“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式。教師通過課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)記錄,初步了解學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況,并以此為依據(jù),規(guī)劃課堂教學(xué)內(nèi)容。在課堂學(xué)習(xí)中,首先對(duì)重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行梳理,對(duì)疑難問題進(jìn)行討論答疑,實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的加深和鞏固。為了進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解,教師課前收集和設(shè)計(jì)由易到難、由淺入深的相關(guān)機(jī)械問題,并在課堂教學(xué)中適時(shí)把這些機(jī)械問題提供給學(xué)生,由學(xué)生自由討論、頭腦風(fēng)暴、探究解決問題的方法,激發(fā)學(xué)生參與問題討論的積極性和主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,提高學(xué)生的思辨能力和創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)課堂基礎(chǔ)知識(shí)的拓展和延伸。另外,在云班課中設(shè)置大量的“隨堂測(cè)驗(yàn)”題目,實(shí)現(xiàn)每次課堂知識(shí)必檢查,并把測(cè)試成績(jī)記錄為一項(xiàng)平時(shí)成績(jī)。
課后完成作業(yè)和工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng),進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解和拓展、提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程設(shè)計(jì)能力。特別是在工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中,要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)完成“機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)與選擇”→“執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)及分析”→“執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的整個(gè)設(shè)計(jì)過程,如圖2 所示。通過工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)、學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作,對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合梳理,掌握一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程,建立機(jī)械設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和完整性概念,熟悉和初步掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)與分析技術(shù),將先進(jìn)技術(shù)(虛擬樣機(jī)技術(shù)、有限元技術(shù))與機(jī)械學(xué)經(jīng)典理論有機(jī)結(jié)合,從而全面培養(yǎng)和提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。為學(xué)生后期機(jī)械專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和先進(jìn)技能。
圖2 工程實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練
由此可見,在該教學(xué)模式中,學(xué)生的學(xué)習(xí)過程為 “知識(shí)的初步掌握→知識(shí)的鞏固與加深→知識(shí)的實(shí)踐與拓展”,為一種進(jìn)階式學(xué)習(xí)模式。改革的重點(diǎn)是將課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、分析問題和解決問題的能力;將基礎(chǔ)理論知識(shí)與項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉有機(jī)結(jié)合,提高學(xué)生的機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)勇于探索和敢于創(chuàng)新的品質(zhì)。
該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向,創(chuàng)建一個(gè)“以學(xué)生為主體,教師為引導(dǎo)者”的《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程教學(xué)新模式。培養(yǎng)具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)、濃厚的自主學(xué)習(xí)興趣、善于分析問題和解決問題、勇于創(chuàng)新,能夠借助先進(jìn)工程技術(shù)分析軟件解決復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題的人才,滿足新工科教育需求。為了實(shí)現(xiàn)該培養(yǎng)目標(biāo),需要對(duì)各教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行周密地考慮和設(shè)計(jì),各教學(xué)環(huán)節(jié)與課程培養(yǎng)目標(biāo)的映射關(guān)系如圖3 所示。
圖3 培養(yǎng)目標(biāo)
俗話說“活到老,學(xué)到老”。而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是以教師作為整個(gè)課堂的掌舵者和中心角色,將書本知識(shí)比較詳細(xì)化、系統(tǒng)化地傳授給學(xué)生,學(xué)生處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。當(dāng)學(xué)生走出校園后,其學(xué)習(xí)模式為自主學(xué)習(xí),因此在校園教學(xué)中就需要培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在本課程線上線下混合教學(xué)模式中,學(xué)生課前需要按照任課教師的安排進(jìn)行自主學(xué)習(xí),通過一段時(shí)間的鍛煉,學(xué)生漸漸養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,而且可以把自主學(xué)習(xí)拓展到其他課程,包括自主尋找學(xué)習(xí)資源、自主聽課和練習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和終生自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。
在傳統(tǒng)教學(xué)模式中,由于教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的要求以及課堂時(shí)間的有限性,導(dǎo)致生生之間、師生之間互動(dòng)交流的機(jī)會(huì)有限,學(xué)生課堂參與表現(xiàn)為“長(zhǎng)于聽、訥于言”。在線上線下混合教學(xué)模式中,可以提供更多的時(shí)間以供學(xué)生參與討論或演講,從而有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的交流表達(dá)能力和思辨能力。例如,在課堂討論環(huán)節(jié)中,學(xué)生可以自由發(fā)言和討論,特別是在工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中,設(shè)置了項(xiàng)目開題、中期檢查和結(jié)題答辯等環(huán)節(jié),要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式做PPT 并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯,學(xué)生即是演講者又是提問者,從而促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行語音表達(dá)和交流。
古人云:“人心齊,泰山移”。團(tuán)隊(duì)協(xié)作是一切事業(yè)成功的基礎(chǔ),團(tuán)隊(duì)協(xié)作可以超越個(gè)體的局限,產(chǎn)生一加一大于二的效果。首先需要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性,其次是實(shí)現(xiàn)以團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式完成任務(wù)。在工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中,同學(xué)們需以團(tuán)隊(duì)形式完成一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和分析任務(wù)。在該過程中,通過共同學(xué)習(xí),同學(xué)之間實(shí)現(xiàn)信息和資源共享,加大信息交流量,拓展每個(gè)同學(xué)思維的深度和廣度,不僅可以激發(fā)每個(gè)同學(xué)的潛力,還能培養(yǎng)同學(xué)之間團(tuán)結(jié)互助的協(xié)作精神和能力,從而促進(jìn)同學(xué)之間的友情,提高工作效率和效果。
在完成工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中,同學(xué)們需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資源,利用已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論知識(shí)與項(xiàng)目實(shí)踐鍛煉有機(jī)結(jié)合,提高學(xué)生的機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)勇于探究和敢于創(chuàng)造的精神。
根據(jù)機(jī)械原理及設(shè)計(jì)課程內(nèi)容多、知識(shí)碎片化的特點(diǎn),將課本內(nèi)容分解為若干個(gè)知識(shí)點(diǎn),每個(gè)知識(shí)點(diǎn)錄制一段10~20 分鐘的微視頻,以便于學(xué)生可以利用散碎的時(shí)間完成各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。同時(shí)針對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置隨堂測(cè)試,讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊自我檢測(cè),及時(shí)了解學(xué)習(xí)效果。通過設(shè)計(jì)討論題,以引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行思考,參與討論并留言,實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的拓展和延伸。另外,每章設(shè)置單元測(cè)驗(yàn),檢測(cè)學(xué)生對(duì)本章內(nèi)容掌握的情況。
本課程基于云班課平臺(tái)進(jìn)行線下課堂教學(xué)活動(dòng)和管理,在云班課平臺(tái)建設(shè)了豐富多樣的教學(xué)資源和多元化的教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)資源主要包括參考教材、拓展微視頻、機(jī)械設(shè)計(jì)趣味知識(shí)、機(jī)械工程案例設(shè)計(jì)圖片或動(dòng)畫、優(yōu)秀作業(yè)展示等模塊;教學(xué)活動(dòng)主要包括隨堂測(cè)驗(yàn)、調(diào)查問卷、頭腦風(fēng)暴、作業(yè)的布置、提交和批改以及工程項(xiàng)目實(shí)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(xiàng)教學(xué)資源和192 項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。
由于《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容多,包括機(jī)構(gòu)組成原理、常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)、機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(guān)聯(lián)性,難以培養(yǎng)學(xué)生從宏觀上掌握機(jī)械系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路和方法。另外,《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程的特色是理論與實(shí)踐緊密結(jié)合,鞏固、拓展和提升理論知識(shí)的最佳手段是實(shí)踐,因此有必要根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置合適的,具有一定挑戰(zhàn)性的工程項(xiàng)目實(shí)踐庫。
教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師根據(jù)多年豐富的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn),從生活、工程和科研中挖掘難易程度不同的設(shè)計(jì)題目,供學(xué)生根據(jù)自身的情況進(jìn)行選擇。
為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和全面掌握學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)效果,本課程實(shí)施學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)體系,構(gòu)建了“課前自主學(xué)習(xí)+上課出勤+隨堂測(cè)驗(yàn)+ 課后作業(yè)+ 工程實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練+ 期末考試”的評(píng)價(jià)體系。基于學(xué)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(gè)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中每個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況,整個(gè)評(píng)價(jià)過程透明、可追溯,便于學(xué)生和教師隨時(shí)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和效果。此評(píng)價(jià)體系打破了某些學(xué)生“逍遙一學(xué)期,考前一突擊”的傳統(tǒng)觀念,有利于培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、知行合一的學(xué)習(xí)習(xí)慣和專業(yè)素養(yǎng)。
2021 年春季,北京航空航天大學(xué)《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程采用了線上線下混合教學(xué)模式,經(jīng)過一輪的教學(xué)活動(dòng),取得了一定的成績(jī),得到了一些經(jīng)驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)了一些不足。
由于該教學(xué)模式是基于學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)進(jìn)行的,而且課程評(píng)價(jià)體系貫穿整個(gè)學(xué)期的每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),從而督促和激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,有利于學(xué)生形成終生自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。
在多元化考核模式下,學(xué)生出勤率大幅提高,基本達(dá)到整個(gè)學(xué)期全部出勤,且無遲到和早退的現(xiàn)象。另外,在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中,課堂討論、隨堂測(cè)試等環(huán)節(jié)促使學(xué)生全神貫注積極參與到課堂活動(dòng)中,減少了上課思想游離的狀態(tài),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。
在工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)中,同學(xué)們分組團(tuán)隊(duì)合作,查閱文獻(xiàn),利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),編寫項(xiàng)目報(bào)告、制作PPT,進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)和答辯,并進(jìn)行自評(píng)和互評(píng)。在此過程中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、語音表達(dá)能力和思辨能力,提升了學(xué)生全方位的素質(zhì)。通過工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng),同學(xué)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(shí)了解同學(xué)們對(duì)新教學(xué)模式的意見和建議,進(jìn)行了數(shù)次無記名調(diào)查文卷活動(dòng)。在初期階段,同學(xué)們懷著懵懂和好奇的心情進(jìn)行嘗試,經(jīng)過三、四周的鍛煉,大部分同學(xué)適應(yīng)了新的教學(xué)模式并且喜歡上了該教學(xué)模式,有少數(shù)同學(xué)對(duì)教學(xué)模式的態(tài)度是無所謂。同時(shí),同學(xué)們基本都具備了自主學(xué)習(xí)的能力,此能力將會(huì)使學(xué)生受益終生。
另外,經(jīng)過一個(gè)完整的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng),也發(fā)現(xiàn)了一些不足,主要體現(xiàn)在課堂某些教學(xué)內(nèi)容的提煉精簡(jiǎn)程度方面。因?yàn)榇瞬糠纸虒W(xué)內(nèi)容是基于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況確定的,而且學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果參差不齊,因此,為了滿足絕大部分學(xué)生的需求,需要不斷地根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)和完善。
《機(jī)械原理及設(shè)計(jì)》課程是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的機(jī)械類技術(shù)基礎(chǔ)課,是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵課程。在傳統(tǒng)工科向“新工科”轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下,根據(jù)本課程的特點(diǎn)和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),我校對(duì)該課程進(jìn)行了線上線下混合教學(xué)模式的建設(shè)和實(shí)踐。通過建設(shè)豐富的線上課程資源、多樣化的研討式課堂活動(dòng)、具有挑戰(zhàn)性的課后工程項(xiàng)目實(shí)踐以及全方位、多元化的考核方式,促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。