機械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式研究與實踐

丁瑞華

摘要：翻轉(zhuǎn)課堂教學是一種新型的教學模式，課前自主學習和課堂上的互動交流環(huán)節(jié)可以提高學生學習的積極性與主動性，加深學生對知識的理解和掌握，從而達到預期的知識目標、能力目標和情感目標。本研究以凸輪輪廓曲線的設計為案例對機械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行了研究與實踐，實施過程分為教師制作微視頻、學生自主學習并提出問題、課堂解決疑問并提出新問題、分組討論解決新問題、教師總結(jié)和評價等五個教學環(huán)節(jié)。實踐結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相比能取得更好的教學效果。

關(guān)鍵詞：機械原理；翻轉(zhuǎn)課堂；教學實踐

一、研究背景

傳統(tǒng)教學模式是教師在課堂上對知識進行講解，在課后布置一定量的作業(yè)要求學生完成。這對于專業(yè)課程中原理、概念、圖表以及公式等非常多的機械類專業(yè)學生來說，通常他們會感覺枯燥、抽象，有時甚至會產(chǎn)生強烈的抵觸情緒。另外，由于存在著嚴重的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，任課教師也無法有效地判斷學生對知識的理解和掌握程度。為改變這種教育現(xiàn)狀，培養(yǎng)社會需要的應用型機械人才，國內(nèi)很多高校對機械類專業(yè)課程的教學模式進行了改革，近幾年風靡全球的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式也逐漸應用于機械類專業(yè)的各門課程的教學中，且取得了一定的成效。

但是在這些研究成果中，筆者并未發(fā)現(xiàn)針對機械原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究。機械原理作為機械類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課程，在基礎課程和專業(yè)課程之間起著承前啟后的作用，為學生將來從事機械方面的設計、制造、研發(fā)工作奠定了重要的基礎，該課程的學習效果，直接影響到后續(xù)專業(yè)的學習與學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使該課程達到較好的教學效果，有必要對該課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行探究。

二、翻轉(zhuǎn)課堂教學模式簡介

所謂翻轉(zhuǎn)課堂，是指在信息化環(huán)境中，教師提供以教學微視頻為主的教學資源，學生在課前完成對教學資源的自主學習，教師和學生在課堂上一起完成答疑、協(xié)作、探究和互動交流等活動的一種新型教學模式。這種教學模式是對傳統(tǒng)教學模式中課上教學、課下作業(yè)方式的整體翻轉(zhuǎn)。學生從被動地聽教師講課的接受者，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹岢鰡栴}并與他人共同解決問題的研究者。

由于在翻轉(zhuǎn)課堂教學模式里，學生在課下提前自主完成了課程內(nèi)容的學習，在課堂上是帶著問題去學習、討論和研究的，因此，學生注意力會非常集中，大腦會積極主動地處理自己以及同學提出的問題，并竭盡全力得出自己的結(jié)論。這種教學模式能充分調(diào)動學生學習的積極性，而且這種教學模式可以將教師從反復的講解和示范中徹底解脫出來。這樣的教學模式特別適用于理論課時在逐漸減少的應用型高校的教學。

三、翻轉(zhuǎn)課堂教學案例

當然在機械原理課程中并不是所有的章節(jié)都適合采用翻轉(zhuǎn)課堂教學，一般翻轉(zhuǎn)課堂教學模式和傳統(tǒng)教學模式是共同采用的。以許昌學院電氣（機電）工程學院為例，學院機械原理課程組對該課程中“平面機構(gòu)自由度的計算及需要注意的事項”“鉸鏈四桿機構(gòu)的基本知識”和“凸輪輪廓曲線的設計”等幾節(jié)內(nèi)容進行了翻轉(zhuǎn)課堂教學研究與實踐。筆者在這里通過“凸輪輪廓曲線的設計”一節(jié)來說明翻轉(zhuǎn)課堂在學院機械原理課程教學中的實施過程。

（一）教師錄制微視頻

對“凸輪輪廓曲線的設計”一節(jié)，教師共錄制了三段微視頻，分別是：“反轉(zhuǎn)法原理”，時間為5分鐘；“作圖法設計偏置直動尖頂推桿盤形凸輪廓線”，時間為7分鐘；“解析法設計偏置直動滾子推桿盤形凸輪廓線”，時間為8分鐘。教師將錄制好的微視頻和制作好的課件等通過班級QQ群發(fā)送給學生。

（二）學生自主學習并提出問題

學生在課前通過微視頻等教學資源自主學習該節(jié)內(nèi)容，了解到根據(jù)不同的運動規(guī)律要求對不同推桿的凸輪廓線進行設計的方法。通過學習，學生會產(chǎn)生各種疑問，班委將這些疑問匯總后統(tǒng)一發(fā)送給教師。這一環(huán)節(jié)學生提出的主要問題有：第一，設計凸輪機構(gòu)與設計連桿機構(gòu)所采用的反轉(zhuǎn)法有何異同？第二，作圖法設計凸輪輪廓曲線的思想可用于設計擺動推桿凸輪機構(gòu)嗎？第三，解析法設計凸輪機構(gòu)時偏距e在什么情況下為正，什么情況下為負？

（三）課堂解決疑問并提出新問題

在課堂上，教師首先預留出15至20分鐘的時間對學生自主學習時提出的疑問進行解答，以提高學生對基本內(nèi)容的掌握程度。比如，上文的第一個問題，教師的解釋是：凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)都采用反轉(zhuǎn)法設計，都是讓某一個運動構(gòu)件作為新的機架而靜止不動，讓原來靜止的機架運動起來；不同的地方在于凸輪機構(gòu)是為了讓凸輪靜止下來方便根據(jù)尖頂?shù)能壽E畫出凸輪的輪廓曲線，而連桿機構(gòu)采是為了讓活動鉸鏈變?yōu)楣潭ㄣq鏈，可以根據(jù)活動鉸鏈的軌跡來確定固定鉸鏈的位置。對于第二個問題，作圖法不僅可以設計直動推桿的凸輪廓線，同樣也適用于擺動推桿凸輪輪廓曲線的設計，只是在擺動推桿的盤形凸輪機構(gòu)中，推桿的位移s改為角位移，行程h改為角行程。對第三個問題，當凸輪逆時針轉(zhuǎn)動時，若推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)，偏距e為正，若推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)，e為負；若凸輪順時針回轉(zhuǎn)，推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)時，e為正，推桿位于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)時，e為負。

解答完這些疑問之后，教師會以教學課件中的圖片、動畫及部分文字為引導，介紹這節(jié)課的教學目標和教學要求，學生此時可能會提出更深層次的新問題，比如：（1）為什么可以將滾子推桿的滾子中心、平底推桿的平底與推桿導路中心線的交點視為尖頂推桿的尖頂？（2）對心直動推桿盤形凸輪機構(gòu)如何設計？與偏置推桿盤形凸輪機構(gòu)的設計相比是簡單還是復雜？（3）滾子圓和直線簇的包絡線是怎么畫出來的？（4）用解析法寫出的坐標方程中sinθ和cosθ該如何計算？（5）如何求平底推桿的速度？

（四）分組討論解決新問題

針對以上問題，學生分組討論、思考和解決，大家各抒己見。在此過程中，教師可給學生一定的提示與指導，加上同組同學的幫助，一般學生都能夠順利解決問題，更為深入地理解和掌握本節(jié)課的知識點。比如，對于問題（1），學生通過討論知道了滾子中心與凸輪實際廓線的距離始終保持不變，作為推桿上一個固定不動的點，其軌跡就是推桿在復合運動中的軌跡，用光滑的曲線連接可得到凸輪的理論廓線。作一條與理論廓線相距為滾子半徑rr的等距曲線，則得到凸輪的實際廓線，故滾子中心可看作尖頂推桿的尖頂。而平底推桿的平底與導路中心線的交點也是推桿上固定不動的點，得到它的軌跡后，可通過這些點作出一系列等長的代表平底的直線，作出該直線簇的包絡線即可得到凸輪廓線。對于問題（2），學生會發(fā)現(xiàn)設計對心直動推桿的凸輪廓線時，推桿在反轉(zhuǎn)運動中的導路方向直接通過輪心，比偏置直動推桿在反轉(zhuǎn)運動中的導路方向始終與基圓相切作起來更簡單。對于問題（3）和（4），經(jīng)過相互提醒，學生會想到高等數(shù)學中包絡線的定義和畫法，會對切線方程的斜率及三角函數(shù)的求法有更深的理解。而對于問題（5），則是運用了前幾章中講的機構(gòu)運動分析時用到的速度瞬心法。

通過分組討論直至解決問題，學生了解了自己對已學知識的掌握程度，認識到學習到的知識都是有價值的。最讓教師感到欣慰的是，學生在課堂上提出了應用虛擬樣機技術(shù)來設計凸輪廓線。大家利用ADAMS軟件建立了凸輪模型，并對其進行運動仿真，得到了推桿的速度和加速度曲線，完成了對凸輪機構(gòu)的運動分析。

（五）教師總結(jié)與評價

學生討論完畢之后，教師對整節(jié)課的知識進行梳理，對各小組出現(xiàn)的主要問題進行總結(jié)，對學生的表現(xiàn)進行點評，最后布置書面作業(yè)。課后教師會根據(jù)學生在課堂中表現(xiàn)和作業(yè)完成情況了解每一個學生是否真正掌握了該節(jié)課的內(nèi)容，是否達到了預期的教學目標，并給出每個人的綜合成績作為平時成績的一個依據(jù)，與期末考試成績分別按一定比例計入該課程的總評成績。

四、翻轉(zhuǎn)課堂教學存在的問題

（一）教師方面

翻轉(zhuǎn)課堂要求教師自己錄制微視頻并制作課件等電子資源，要求教師能在課堂上解決學生提出的各種疑問。這就需要教師不但具有嫻熟的視頻制作技巧，還要不斷整理、豐富和完善電子資源，最重要的是要具有扎實的專業(yè)知識水平。但目前很多年齡稍大的教師不會制作微視頻，而年輕教師又缺乏教學和工程實踐經(jīng)驗，有時并不能夠完整地解答學生的所有疑問，因此，教師也要不斷地更新和充實自己的知識。

（二）學生方面

翻轉(zhuǎn)課堂教學需要學生在課前通過教學資源進行自主學習，但目前并沒有特別完善的手段去監(jiān)督學生是否進行了學習，這就需要學生具有相當高的自覺性。另外，每個學生家庭經(jīng)濟條件不一樣，有些學生沒有自己的電腦，只能去收費機房進行學習，這給部分學生在經(jīng)濟上造成了一定的負擔。

（三）教室方面

目前，學院機械專業(yè)教師僅有十五人，而學生人數(shù)已達上千，每位教師在近一百名學生合堂上課的情況下教學工作任務已經(jīng)非常繁重，根本無法實現(xiàn)小班上課，而要使翻轉(zhuǎn)式課堂教學達到最理想的效果，一個教室的學生最好不要超過二十人。

以上幾點問題都使得翻轉(zhuǎn)課堂在學校機械類專業(yè)各門課程的推廣過程中受到一定程度的限制。

五、結(jié)束語

雖然翻轉(zhuǎn)課堂教學存在一定的局限性，但與實踐后取得的效果相比，利遠遠大于弊。對機械原理課程進行翻轉(zhuǎn)課堂教學，增強了學生學習的積極性與主動性。學生有針對性地去討論及解決學習過程中遇到的各種問題，有效提高了他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。另外，因為有了微視頻等教學資源，對因事請假不能上課的學生來講，也可通過這些教學資源自學而不影響后面知識的學習。總之，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式有助于提高學生對知識的吸收與掌握，解決不同學生的需求，極大地提高了學生的學習效率。在各高校都在向應用型院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的今天，翻轉(zhuǎn)式課堂作為一種新型的教學模式，只要克服自身的局限性，是可以應用于課程的教學與學習的。

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