基于慧魚模型的線上線下混合式實驗教學模式探索

劉津彤， 劉春寶， 趙大威， 王志瓊， 周淑紅

（吉林大學機械與航空航天工程學院，長春130022）

0 引 言

機械類專業作為傳統學科分類中工科的重要組成部分，在新形勢、新環境、新需求下，專業改革正當其時［1］。本專業實踐性強，實驗教學對于學生實踐能力提升、創新精神培養發揮著極其重要的作用［2-3］。傳統實驗體系中多為單一性、驗證性實驗，體現為實驗缺乏多學科知識的關聯交互，實驗內容固定、受眾面窄，以及實驗教學手段單一等，綜合性、開放性、創新性實驗占比較低［4-6］。無法滿足新工科對高校人才培養提出的要求。

“慧魚創意組合模型”是工程技術型模型，是展示技術過程的理想教具，是創新能力訓練開發的有效載體，因此將“慧魚創意組合模型”引入本科生實驗實訓教學體系十分必要［7-8］。目前，我校國家級機械基礎實驗教學示范中心已經為機械類和近機類本科生開設“慧魚創意組合模型”綜合實驗項目，已列入獨立設課的本科生必修課程“機械工程綜合實驗Ⅰ”［9］。該項目以完成能夠實現特定功能的自動化機械模型搭建和運行為任務導向，促使學生綜合運用機構運動和設計原理、傳感技術、控制理論等機械工程基礎知識，認識并理解機電一體化的概念，掌握機械系統運動方案設計方法，提升創新意識，提高識別和解決復雜工程問題的能力。但隨著該實驗項目的開設，課上課下的實驗效果反饋不佳，實驗預期目標未能良好達成，總結分析原因主要有：

（1）模型價格昂貴且維護成本高，模型臺套數不足，實驗場地有限；

（2）受限于必修課程有效學時，實驗項目內容相對固定，制約了學生自主創新能力的培養；

（3）實驗教學手段單一，缺少預習平臺，傳統實物平臺已無法滿足新時代對創新的期望和要求。

立足新工科人才培養要求，為提高學生實踐能力和創新精神，以在實驗實訓中發揮重要作用的“慧魚創意組合模型”實驗項目為改革對象，基于成果導向教育（OBE）教學理念，開創能夠梯級培養學生創新能力的開放性實驗項目，同時于實驗教學環節引入數字化設計技術，探索一種線上線下相結合的梯級層次化、自主開放、個性智能的混合式實驗教學創新模式［10-11］，線上線下實驗相互依存相互補充，發揮各自優勢從而提高“慧魚創意組合模型”的利用率，延伸實驗教學的時間和空間，拓展實驗教學內容的深度和廣度，改善實驗教學效果，提升實驗教學質量。為學生創造良好的、適應人才培養新要求、大學生成長新特點、信息化時代教育教學新規律的創新實踐平臺與環境奠定基礎。

1 慧魚創意組合模型簡介

1964 年，慧魚集團創始人ArturFisher博士在其專利——六面拼接體的基礎上，發明了“慧魚創意組合模型”。模型由基本構件組合而成，可實現多種工程技術過程的還原，為創新教育和創新實驗提供了有效載體，近年來被眾多高校應用于創新實驗的開發。

（1）模型零部件分類。模型零部件主要分為機械零部件、電氣元件和氣動元件3 部分，如圖1 所示。

圖1 模型零部件分類

（2）零部件連接方式。采用燕尾槽插接方式連接，可實現六面拼接、多次拆裝。

（3）模型控制方式。采用計算機控制或可編程控制器（PLC）控制。采用計算機控制方式時，將模型通過接口板與計算機連接，利用慧魚公司提供的編程軟件或高級語言編制程序控制模型。

2 混合式實驗教學創新模式構建理念

2.1 實驗教學手段改革

數字化設計是機械產品設計的重要手段，同時也是實驗教學的重要手段［12-13］。在實驗教學環節引入數字化設計技術，開發數字化實驗平臺，能夠補充并完善傳統實物實驗的不足，同時提高學生學習積極性，激發學生創新的欲望。

實驗教學手段方面——建立線上線下相結合的實驗教學創新模式，將“慧魚創意組合模型”開放性實驗項目分為3 個階段實施：數字化實驗-開放性實物實驗-實驗考核及成績評定。實驗實施過程如圖2 所示。

圖2 實驗實施過程

混合式實驗教學創新模式可實現：①以年級為單位，學生自由組隊、自主選題；②實驗教學的時間、空間得以延伸；③以學生為主體，教師加以啟發指導，學習由被動轉為主動；④考核方式多樣化；⑤為科研創新提供平臺。

2.2 實驗教學內容改革

成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）教學理念為實驗教學內容改革指明了方向，將實驗總目標（匹配學生畢業時應達到的部分能力）劃分為由淺入深的階段性目標，以學習成果為導向設計科學合理的實驗教學結構框架、教學方法和教學內容。

實驗內容方面——根據慧魚模型特點、機械類專業學生各年級學習特點和知識結構，基于OBE教學理念，探索梯級培養創新模式［14-16］，設計能系統、有層次地培養學生創新能力的開放性實驗項目，如圖3 所示，使學生的工程實踐能力和創新能力在梯級實驗教學中得以循序漸進地提升。實驗項目內容如表1 所示。

圖3 梯級培養創新模式

表1 梯級培養實驗項目內容

3 數字化實驗

數字化實驗通過程序編輯以文字、圖片、動畫、虛擬操作等形式實現實驗教學內容的展示與操作。由實驗預習、虛擬搭建與運動仿真兩大模塊組成，如圖4所示。

該環節是對傳統課前培訓、專題講座、課上指導的補充，數字化實驗沒有專業、年級、時間及實驗資源等的限制，為后續進實驗室實驗奠定基礎。

3.1 實驗預習模塊

圖4 數字化實驗模塊

實驗預習模塊分為模型簡介、編程軟件、實驗內容、實驗步驟、模型視頻和零件庫6 方面內容。模型簡介以文字、圖片等形式介紹慧魚模型發展歷史，模型系列，模型零部件分類、零部件連接方式及模型控制方式，模型應用等；編程軟件介紹ROBO Pro 軟件所有功能模塊的操作說明；實驗內容介紹梯級實驗教學各階段實驗項目內容，包含一系列典型慧魚模型主題以及階段性實驗培養目標等；實驗步驟和模型視頻以文字、圖片、聲音和動畫等形式對典型慧魚模型搭建及運行過程與注意事項進行詳細說明，具體包括模型主題確立、模型工作原理、實驗方案設計、模型結構設計、電路控制設計與編程等環節；零件庫包含典型慧魚模型零部件的三維立體模型。

3.2 虛擬搭建與運動仿真模塊

學生通過實驗預習，選擇與自身年級匹配的實驗內容，選用給定的模型主題或確立新的模型主題；進而根據模型工作原理進行實驗方案設計，完成機械、傳動結構的概念設計；最后調用零件庫中慧魚零件進行裝配和運動仿真分析。反復上述過程直到模型運行性能滿足預期設計要求，具體流程如圖5 所示。

圖5 虛擬搭建與運動仿真流程圖

4 開放性實物實驗

學生做完數字化實驗后，最后到實驗室進行實物實驗，在此環節教師給予適當的學習引導。根據數字化實驗設計的模型結構，搭建慧魚創意組合實物模型，編寫控制程序實現模型運動，驗證運動仿真設計的正確性，進一步強化學生的工程實踐能力，如圖6 所示。

5 實驗考核及成績評定

梯級實驗教學各階段適用于不同的學習對象，旨在取得的學習成果也具有一定的差異性。因此，應當探索多樣化的考核方式。基礎培養和提升培養階段，在開放性實驗課堂上，實驗教師根據相應考核側重點給予實驗操作成績，如實驗預習情況，實驗方案設計，模型搭建過程，問題分析與解決，模型展示與運行等環節。課后，學生根據相應培養階段的實驗報告要求撰寫并提交實驗報告，教師批改并給予實驗報告成績。兩部分成績加權構成學生最終實驗成績。綜合培養和自主創新培養階段，還應設置階段性檢查，答辯驗收等考核方式，綜合評估、考量學生的實驗完成情況。

圖6 開放性實物實驗

6 結 語

以“慧魚創意組合模型”實驗項目為改革對象，深度融合數字化設計技術，探索基于慧魚模型的混合式實驗教學創新模式。教學手段方面建立線上線下相結合的實驗教學模式，延伸實驗教學的時間和空間。學生利用數字化實驗資源充分進行實驗預習準備、虛擬仿真設計工作，最后到實驗室進行實物實驗；實驗內容方面采取基于OBE教學理念的梯級培養創新模式，拓展實驗教學內容的深度和廣度，系統、有層次地培養學生的工程實踐能力和自主創新意識，從根本上實現實驗教學改革。在此基礎上，借助學校國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心打造的虛擬仿真實驗教學平臺，全面、系統地開發基于慧魚模型的開放性、數字化實驗平臺，形成共享特色性虛擬仿真實驗項目。實現與校內其他專業、其他高校以及所有對該實驗項目感興趣的人員的資源共享，擴大受益面。