機械類課程線上線下混合式“金課”建設
——以“機械原理”課程為例

康輝梅，彭可，楊俊

(湖南師范大學 工程與設計學院，湖南 長沙 410081)

高等教育界乃至社會熱議的“雙一流”建設的核心是人才培養，人才培養的核心要素是課程。學生學習最直接、最核心、最顯效的途徑是課程。所以，高校應以一流課程建設促進一流專業建設，服務一流人才培養。2018年6月，時任教育部部長的陳寶生在“新時代全國高等學校本科教育工作會議”上提出對大學生要合理“增負”，要把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰度的“金課”[1]。同年11月，教育部高教司司長吳巖在第11屆“中國大學教學論壇”上明確了“金課”的“兩性一度”標準，即“高階性、創新性和挑戰度”，并提出要大力建設五大類型“金課”，其中包括線上線下混合式“金課”[2]。線上線下混合式教學是以慕課、專屬在線課程(SPOC)等在線開放課程資源為依托，借助在線教學平臺、智慧教室等數字化教學工具，結合本校實際，對校內課程進行改造，將線上自主學習和線下面授有機結合起來，開展混合式教學、翻轉課堂教學，促進現代信息技術與課程課堂教學深度融合的新型教學模式。

1 機械類課程線上線下混合式“金課”建設的緣起

1.1 信息化時代的必然要求

在當下“互聯網+教育”時代，在線課程學習平臺涌現，發布了海量優質在線開放課程。2015年，教育部發布《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》[3]，大力推進在線課程自主建設，在國內高校掀起了一股在線課程建設高潮。從2017年啟動首批認定至今，“國家精品在線開放課程”(從2019年開始稱為“線上一流課程”)已達三千多門。在線開放課程的架構以知識點為單位，單個視頻時間一般為10分鐘左右，學習時間的選擇更自主、更靈活。簡單的視頻學生學一遍即可掌握，復雜的視頻可供反復學習，非常契合大學生的學習需求。與此同時，隨著科技進步和經濟發展，在線學習設備普及，大學生人人都有智能手機，絕大部分配備了電腦、平板；校園內無線網絡全覆蓋。總之，無論是在線開放課程資源還是硬件設施，都為線上教學奠定了扎實的基礎。

但是，單純地采用線上學習的方式也存在諸多弊端，其中最主要的有兩點：一是課程內容碎片化、分散化，導致學生容易只見樹木，不見森林；二是存在時空隔閡，師生缺乏深度交流。因此，教育部的引導政策也在不斷調整，2019年將2011年的國家精品資源共享課建設[4]、2015年的國家精品在線開放課程建設調整為國家級一流本科課程建設，并計劃2019―2021年建設6 000門左右國家級線上線下混合式一流課程[5]。受新冠肺炎疫情等因素影響，實際的課程建設進度偏慢。目前已公布的首批國家級線上線下混合式一流本科課程為868門[6]，缺口還比較大。總之，線上線下混合式教學順應了時代要求，必將成為未來教育的新常態。

1.2 傳統教學模式改革的呼喚

機械工程是一門研究和解決機械設計制造、技術開發和工程應用等基礎理論和實際問題的應用學科。機械類課程的教學除了知識的傳授，更強調學生設計、創新和工程技術應用能力的培養。以“機械原理”為例，該課程是各高校機械類本科專業的核心課程。通過本課程的教學，不僅要求學生掌握機構學和機械動力學的基本理論、基本知識和基本技能，更要求學生初步具備根據具體的功能要求進行機械運動方案設計、對比和對確定的機構進行尺寸設計、運動學分析、力學分析的綜合設計能力，以及初步進行機械創新設計的能力。

近年來，本科教育遵循“厚基礎、寬口徑”的培養思路，每個專業包含的知識體系不斷擴大。以機械設計制造及其自動化專業為例，其知識體系包含三大模塊：通識類知識、學科基礎知識和專業知識。其中專業知識模塊又包含機械設計原理與方法、機械制造工程原理與技術、機械系統中的傳動與控制、計算機應用技術等部分。這導致課程的課時量都被不同程度地壓縮，如“機械原理”這門專業核心課程的總課時目前一般為48課時，以一學期16個教學周計算，每周只有3課時。能力的培養需以知識的儲備為基礎，在課時量被壓縮的情況下，傳統課堂教學勢必只能先進行理論知識的講授和練習，而無法通過大量工程案例設計和分析來達到知識內化和能力培養的目的。當學生參加學科競賽或者畢業設計需要針對工程實際問題進行整體方案設計、具體機構設計時就會出現能力不足甚至無從下手的情況。線上線下混合式教學模式，為解決機械類課程既要進行知識傳授又要加強能力培養的教學目標和有限的授課學時兩者之間的矛盾提供了很好的解決方案，必將成為機械類課程“金課”建設的主要形式。

2 機械類課程線上線下混合式“金課”建設方案

2.1 總體設計

機械類課程線上線下混合式“金課”建設的總體設計思想為：對標“兩性一度”標準，對課程內容進行重構，將理論知識的傳授和設計能力的培養有機融合，培養學生解決復雜工程問題的綜合設計能力和創新設計思維，體現課程“高階性”；采用線上線下混合式教學方式，將信息技術與教學深度融合，加強教學方式和教學內容的“創新性”；構建形成性評價體系，從知識考核向能力考核轉變，提升課程“挑戰度”。根據教育部部署，將課程思政融入專業課教學建設全過程，強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[7]。以“機械原理”課程為例，將課程內容離散化為知識點，讓學生在線上自主進行知識點學習、討論和測試以及新的機構發展和新的仿真技術的拓展學習，實現知識的傳授，達到理解和記憶等低階性教學目標要求；線下以某個具體工程案例設計為線，同步進行工程實際問題的解決，實現知識的吸收內化，達到知識的綜合運用、設計能力的培養以及創新思維的訓練等高階性教學目標要求。

2.2 課程內容重構

基于線上線下混合式“金課”的總體設計，解構原有課程體系，構建由“知識點”和“技能點”組合的模塊式教學單元。以“機械原理”課程為例，通過本課程的教學，既要使學生掌握基本理論知識，更要使學生具備根據給定功能要求進行機構綜合設計的能力。機構的主要功能是傳遞運動和力，基于此，對“機械原理”這門課程的線上內容進行重構，以機構的兩大功能為主線，將理論知識有機融合進去，并將復雜的工程案例設計內容拆分為多個對應的設計主題與理論知識學習同步開展，重構后的“機械原理”課程內容體系如圖1所示。主線一的具體內容和教學順序為：機構的結構分析→平面機構的運動分析→連桿機構及其設計→凸輪機構及其設計→齒輪機構及其設計→齒輪系及其設計→其他常用機構。主線二的具體內容和教學順序為：平面機構的力分析→機械的效率和自鎖→機械的平衡→機械的運轉及速度波動調節。牛頭刨床是一種靠刀具的往復直線運動及工作臺的間歇進給運動來完成工件平面切削加工的機器，該機器包含了機械中所有常用的機構：齒輪機構、連桿機構、凸輪機構和間歇機構。“機械原理”課程的線下課堂以牛頭刨床的設計為線，將線上自主學習零散的知識點有序串聯起來，在知識內化的同時進行復雜機械設計能力的培養和創新思維的訓練。

圖1 重構后的“機械原理”課程內容體系

2.3 資源建設

線上線下混合式“金課”建設中，可利用慕課、SPOC等已有資源來建設在線開放課程。國家也大力提倡充分利用已有在線開放課程資源，尤其是國家精品在線開放課程。例如“機械原理”，已認定的國家精品在線開放課程已有近10門之多，完全可以根據校內課程需求進行選擇。當然，也可以自己建設和運行在線開放課程資源。首先，根據課程特點，將適合線上自主學習的課程內容劃分成一個個獨立的知識點，并錄制成微視頻，每個視頻的時間一般以8～15分鐘為宜。就“機械原理”課程而言，除了推導計算比較多的“平面機構運動分析”和“力分析”這兩章更適合線下面授外，其余課程內容均可以線上自主學習。課程內容中除了教材內容外，還可以融入現代設計工具的使用以及學科前沿知識的拓展。以“機械原理”為例，講授連桿機構設計和凸輪機構設計時，可以加入采用先進工具建立虛擬樣機并進行仿真分析的教學內容，并將仿生機構和柔性機構應用、我國裝備制造業的最新發展等前沿知識作為拓展閱讀資料擴充學生知識面。圖2展示了“機械原理”課程線上自主學習的知識點劃分情況。其次，為了讓學生線上自學時能夠即時檢測知識點的掌握情況，需準備對應的隨堂測試題，一般為選擇題、填空題和判斷題等客觀題型，方便系統即時評閱，學生即時得到反饋，并據此決定是否需要重復學習對應的視頻內容。例如“機械原理”課程，每個知識點后面一般設置2～3道隨堂測試題。每章學習完畢后，應在線進行章節測試，建議以計算、分析、設計等主觀題型為主，可設置少量客觀題。客觀題由系統評閱；主觀題由教師或助教評閱，便于教師掌握學生整體學習情況，并可以在線下課堂進行難點講解。“機械原理”課程每章均建立了一個章節測試題庫，試題由系統自動隨機生成。

圖2 “機械原理”課程線上自主學習知識點劃分

2.4 評價體系設計

以學生能力發展為中心，以“多元化、重過程、考能力”為指導思想，從知識考核為主向能力考核為主轉變，構建包含線上線下、標準及非標準的多元化評價方案，重點考查學生運用知識分析問題和解決問題的能力，提高過程考核的權重。“機械原理”課程采用翻轉式線上線下混合教學模式，線下考核成績占比略高，達到了70%；線上考核成績占比30%。線上考核內容包括線上視頻學習情況、章節測試和互動討論情況等，著重考查學生線上自主學習的參與度和知識點的掌握情況。線下考核包括工程案例設計和期末筆試兩個部分，其中工程案例設計成績占比30%，具體考核工程案例設計內容、現場分享和討論情況，著重考查復雜機械工程設計能力；期末筆試成績占比40%，著重考核學生理論知識的掌握情況及工程問題的分析計算能力。

3 機械類課程線上線下混合式“金課”的教學實施

根據機械類課程重實踐、重應用的特點，建議多采用翻轉式線上線下混合教學模式，線上線下學習交替進行，將知識傳授和能力培養有機融合，線上課時占比40%左右，線下課時占比60%左右。

3.1 以學生為主體，基于任務驅動的線上自主學習

每章節的線上學習之前，教師先布置學生學完本章知識后需完成的某個工程案例的設計任務，讓學生帶著任務去自主學習。線上自主學習以知識點為單位組織，知識點的教學資源采用闖關模式發放，每個知識點都包含學習目標、學習視頻和隨堂測試等。如果學生通過測試發現某處知識點未弄明白，可以反復觀看學習視頻，也可以在線向老師提問或發起討論。以“機械原理”課程“機構的結構分析”這一章為例，學生在線上自主學習之前，先觀看牛頭刨床機構的動畫視頻，對機構組成和運動過程有了直觀感受，并領取本章的工程案例設計任務：牛頭刨床機構運動簡圖繪制和自由度計算。然后學生在線上按順序進行“構件和運動副”“運動鏈和機構”“機構運動簡圖繪制步驟”等知識點的學習和隨堂測試。學生在線學習遇到問題可以在在線平臺發起討論，也可以向老師單獨提問。遇到共性問題時，老師可以引導學生集體討論。

3.2 教師引導，基于工程案例設計的線下合作學習

開展線下課堂教學時，教師先對線上學習情況進行小結和反饋，對重點和難點進行鞏固加深，進而引導學生分組進行工程案例設計、分享和開放性問題討論，實現知識內化以及靈活運用。例如“機械原理”課程“機構的結構分析”這一章的線下課堂上，首先，教師反饋線上自主學習的完成情況并分布章節測試成績，對章節測試中錯誤較集中的題目進行課堂講解，梳理本章重點知識，為接下來的工程案例設計作準備；接著，再次播放牛頭刨床機構的動畫視頻，并引導學生分組進行牛頭刨床機構運動簡圖的繪制和自由度的計算；然后，每組派出一名代表進行分享，進而就牛頭刨床機構的設計提出2個開放性問題展開討論；最后，響應我省“三高四新”戰略，精選習近平總書記參觀山河智能裝備股份有限公司的新聞報道和我省首個千億產業集群——工程機械產業的最新動態作為拓展閱讀資料，增強學生專業自信，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3.3 教學實施效果

“機械原理”課程采用的翻轉式線上線下混合教學模式深受學生喜愛。學生學習參與度顯著提高，在課程學習中受益明顯，主要體現在以下兩方面：

(1)通過翻轉課堂的內化吸收，學生理論知識掌握扎實，期末考試成績有了較大幅度的提高，不及格率降到8%以下，平均分提高5分以上。

(2)學生基本掌握機械工程設計方法和技術，機械設計能力普遍提升，創新設計意識增強。作者所在學院機械專業本科生雖規模較小，每屆不足一百人，但仍收效顯著。2020年獲全國大學生機械創新設計大賽國家一等獎1項，立項國家級大學生創新訓練項目2項；2021年立項國家級大學生創新訓練項目4項，獲省級學科競賽獎勵多項，立項省級大學生創新訓練項目多項。

4 結語

線上線下混合式教學非常適合知識傳授和能力培養并重的機械類課程。采用這種教學方式，學生線上自主進行知識點學習、話題討論、擴展閱讀，并輔之以知識點隨堂測試進行即時檢驗；線下進行重點難點鞏固，并在教師的引導下進行工程案例設計，獲得設計能力的培養和創新思維的訓練。通過教學方式和教學內容的創新，將知識傳授和能力培養、創新訓練有機融合，真正將課程打造成有深度、有難度、有挑戰的“金課”。