基于BOPPPS教學模式的《機械原理》課程教學設計
——以《平面機構自由度計算》為例

盧秀泉

（吉林大學機械與航空航天工程學院 吉林·長春 130022）

0 引言

《機械原理》這門課是面向機械類專業本科生開設的一門專業基礎課。它是在高等數學和理論力學前導課程基礎上，研究有關機械的結構學、運動學和動力學問題的一門學科。課程學習的專業成果是使學生具備機械系統運動方案設計的能力，此項內容對應著機械產品設計全過程的第一個環節，方案的創新性孕育著產品的先進性。后續的機械結構設計、精度設計、機械工藝制造等專業課程內容均是依附于合理的運動方案基礎上展開的。因此機械原理是機械類課程體系的核心和基礎，起到承上啟下的橋梁作用。機械原理這門課程在機械類專業人才培養體系中具有重要的作用。機械原理課程研究對象是機構，而機構是從具象機器結構的運動中抽象出來的骨架。課程學習內容比較抽象，有著很深的工程背景，同時具有理論性和實踐性較強的特點，因此教學內容中對基本概念、基本原理和基本方法的講授顯得尤為重要。這門課程在本科二年級下半學年開設，由于學生對專業的理解尚未深入且工程經驗有限，在以課堂講授為主的傳統課堂教學中，普遍存在學生興趣度差、知識點理解困難、課堂參與感和融入度不強，造成教學效果欠佳的問題。針對上述情況，基于一定的機械原理課堂教學內容，如何制定合理的教學設計策略和方法，積極調動、激發不同類型學生的學習熱情和參與度，引領學生自主、自覺學習和深入思考是提升課堂教學效果、效率的有效途徑和改革方向。

因此，本文選取《機械原理》課程中“平面機構自由度計算”作為案例教學設計內容，從內容難度和學生特點兩方面對學情做充分分析的基礎上，遵循建構主義教學理念，基于BOPPPS教學模式建立整體教學設計框架，圍繞核心知識點，以工程問題為導向進行層層遞進式的探究和引導，教學環節的設計中體現“以學生為中心”的理念。

1 基于BOPPPS教學模式的教學設計框架

1.1 導言（bridge-in）

導言環節的作用是充分激發學生的學習興趣和好奇心，賦予學習內容以意義，讓學生充分感受到教學知識內容的重要性，引發學生自發思考，為課程內容的講授做鋪墊、埋伏和自然引入。本文基于課程知識內容的具體特點，采用工程案例導入的方法。案例選取的原則是與學生在生活中接觸過的案例和前期經驗相連接，以興趣為導向，案例學科背景以吉林大學特色學科工程機械、車輛傳動、人工智能機器人及航天航空經典工程案例為依托和載體。課程導入時，在介紹案例的工程背景時，融入思政元素，從正反兩方面介紹我國在具體科研領域取得的成就和不足，春風化雨，厚植愛國主義情懷，自覺建構學習意義，充分激發起學生的學習熱情、緊迫感和使命感。案例分析時，緊緊抓住“運動”二字，引領學生仔細觀察機構的運動特點和運動方式的轉化規律，啟發學生對“機構滿足什么條件可動，滿足什么條件具有確定的相對運動”這一核心知識點做初步的觀察和思考。

1.2 學習目標（Objectives）

在學習目標環節中明確向學生交代清楚本堂課的學習目標和能力培養要求，從認知、技能、情感三個層次進行表述。依據本文的核心知識點確定的學習目標如下：

（1）能夠復述機構組成相關概念，推導并默寫出平面機構自由度計算公式，并可解釋公式中對應符號的含義；

（2）熟練應用平面機構自由度公式正確計算平面機構的自由度；

（3）總結機構的運動條件，能夠從運動的角度判斷工程機構設計方案的合理性；

（4）激發學生對機械原理的學習興趣，體會到“應用理論”對工程設計實踐的直接指導作用，對工程師職業產生認同感，自覺樹立職業理想，培養學生客觀、嚴謹、求實的科學態度和素養。

1.3 先測（Pre-Test）

在正式進入本堂課內容講解之前，通過先測環節可以了解學生對相關知識與經驗的掌握程度，幫助教師調整課堂教學內容的深度、安排和進度，通過回顧和梳理上堂課所學的知識點，實現聚焦本堂課的目的。因此，本文在先測環節的設計中緊緊圍繞機構組成的相關知識點，為平面機構自由度計算公式的推導做充分的鋪墊和準備。

方法上采用客觀題測試的形式，根據回收的測試結果針對知識掌握薄弱環節進行重點補充和加強。具體先測知識點如圖1所示。

圖1

1.4 參與式學習（Participatory Learning）

在參與式學習環節中，教師作為核心知識的傳遞者和學生自主學習的引導者，結合授課學生的具體學情特點，以具體的工程案例為載體，以工程問題為導向和情景，連接學生先驗經驗和知識，消除學生畏難情緒、激發學習興趣，緊緊圍繞“平面機構自由度計算”這一核心知識點進行層層遞進式的探究和引導，在討論環節中采用“4F（Facts-feeling-findings-future）”理論進行設計，教學設計環節全面覆蓋不同學習風格學生的學習需求和習慣，貫徹以“學為中心”的教學理念和方法。整個教學設計注重師生和生生之間的參與和互動，突出強調真實任務和情境化教學。具體參與式教學設計流程如下圖2所示。

圖2

1.5 后測（Post-assessment）

教師在講解完計算機構自由度注意事項——復合鉸鏈的概念和處理方法后，布置學生重新計算圓盤鋸機構的自由度，提示學生重點分析機構中存在復合鉸鏈的位置和形成對應轉動副的個數。在教師的限時督促、指導下，通過組內獨立計算、同組交流和組間分享三個環節，促使每位學生都參與到同伴教學中，最后通過演示機構運動動畫，教師引導學生從機構運動的角度自主驗證計算結果的正確性。后測環節全面覆蓋和檢測了本堂課學習目標的達成效果。

1.6 總結（Post-assessment）

對本堂課的重點和難點進行系統梳理、總結和強調，從工程實際應用的角度重申核心知識點——“平面機構自由度計算”是從運動的角度判斷機構設計方案合理性的依據和基礎，布置課后作業并發布下堂課的預習任務，督促學生在課下要多加練習。最后，布置思考題“如何計算空間機構的自由度”，提供必要的相關文獻資料和檢索渠道，培養學生檢索和整理資料的能力、既有知識的聯想和遷移能力及高階思維方式。

2 結語

基于建構主義的BOPPPS教學模式自然蘊含“以學生為中心”的教育理念，與傳統教學方法相比，BOPPPS教學法在《機械原理》課程中的應用實踐，可以在課堂中充分創造學習情境，積極調動和激發學生的自主學習熱情，教師作為核心知識的傳遞者和深度學習的引導者，引領學生進行深度思考與團隊協作經驗共享，教學過程經過“理論推導—實踐驗證—理論修正—實踐驗證”的閉環設計，滿足不同學習風格學生的需求，可以顯著提升課堂效率和教學效果。