機械實驗教學混合教學模式的研究與探討

陳勇 李嬌 陳曉紅

摘? 要：針對機械實驗教學中心傳統的教與學現狀，基于互聯網+教育的新模式，對以學生為中心、線上線下混合式實驗教學模式進行了研究。通過建設線上云平臺中心，按需部署機械實驗教學各類應用軟件與仿真軟件，構建基于互聯網的線上線下混合式機械實驗教學新模式，實現教師與學生共享實驗教學資源，學生可隨時隨地自主學習，教師可持續優化教學資源以及改進教學方法。

關鍵詞：云平臺；線上線下；自主學習；混合教學模式；傳統教學

中圖分類號：TP39；G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）06-0186-04

Research and Discussion on the Blending Learning Mode of Mechanical Experimental Teaching

CHEN Yong， LI Jiao， CHEN Xiaohong

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan? 442002， China）

Abstract： In view of the traditional teaching and learning status of the mechanical experiment teaching center， based on the new mode of Internet + education， the student-centered， online and offline blending experimental teaching mode is studied. By constructing an online cloud platform center， deploying all kinds of application software and simulation software for mechanical experiment teaching as required， and building a new internet-based online and offline blending mechanical experiment teaching mode， teachers and students can share experimental teaching resources， students can learn independently at any time and anywhere， teachers can continue to optimize teaching resources and improve teaching methods.

Keywords： cloud platform; online and offline; autonomous learning; blending learning mode; traditional teaching

0? 引? 言

在《國家教育事業發展“十四五”規劃》中提到，建成“互聯網+教育”大平臺，構建“互聯網+”條件下的人才培養新模式，支撐各類創新型教學的常態化應用[1]，推動優質教育資源開放共享，發展基于互聯網的教育服務新模式。在教育行業中，使用互聯網技術對傳統教學方式的改革已經非常廣泛，出現了很多基于互聯網的線上教育平臺，如慕課、超星學習通等教學平臺，使用了豐富的多媒體技術、虛擬仿真技術等，使教學具有了信息化、智能化、移動化的新特性。但在課程對應的實驗教學中，大部分教學還是傳統的教與學的模式，不符合當前大學生對教學工具、教學形式的多樣性需求，需要不斷推進基于互聯網的實驗教學改革。

1? 機械實驗教學中心的實驗教學的現狀

湖北汽車工業學院機械實驗教學中心承擔著機全校機械設計制造、汽車、材料等多個專業課程實驗教學，主要有機械原理、機械設計、CAD技術基礎與應用、CAE技術基礎與應用、數字化設計制造等所有專業課程的實驗教學任務，如圖1所示。

作為教學中的實驗教學環節，中心的實驗項目還是傳統的教與學的模式。教學中學生根據實驗指導書完成實驗預習、實驗操作、實驗報告這三個教學環節，存在學習形式單一、實驗設備操作不足（設備臺套有限）、課后無法回顧等問題[2]。學?，F用的超星學習通等網上教學平臺，在涉及實驗課程中基于3D的VR虛擬實驗仿真系統效果很不理想，CAD/CAE課程的上機軟件（CATIA、UG、中望3D、ANSYS）上機環境構建困難；使用基于互聯網的高校共享虛擬仿真實驗室平臺，但由于涉及每個學校實驗設備硬件條件不同、實驗要求不同，使用效果一般。機械專業實驗教學中普遍存在學生無法進行線上實驗預習、仿真操作、課后復習與提交報告的過程。也存在任課教師、實驗教師、學生三者溝通困難，資源不能共享的現狀。

2? 機械實驗教學中心混合教學建設的意義

針對機械實驗教學中心教學現狀，構建基于云平臺中心的混合教學方式，建設實驗中心信息化、智能化共享硬件平臺與實驗室信息化、智能化仿真資源，以改革教法，強化實驗操作，推進實驗教學建設，豐富實驗教學資源，簡化實驗環境準備工作，實現學生為中心，因此，實現基于互聯網的教育技術的混合教學新模式具有重要意義[3]。

3? 機械實驗教學中心混合教學模式建設方案

機械實驗教學中心混合教學模式建設中，轉變教與學的方式，尤其是轉變學生的學習方式是本項目的核心任務之一，目的是轉變實驗教學方式，改變學生在學校里的學習環境，培養學生的學習自主性和創新實踐能力，以學生為中心，實現實驗教學信息共享（隨時隨地訪問），實驗教學過程合理（線上、線下），實驗操作“智能”（VR、仿真、創新），實驗教學結果實時反饋的研究內容，實現任課老師、實驗教師、學生完全可以共享實驗資源。

任課教師可以通過平臺詳細了解實驗項目的內容和效果，合理的修訂教學大綱。實驗教師可以通過平臺改革實驗教學過程，持續豐富實驗教學資源，提高實驗教學質量，基于OBE形成一個閉環的實驗教學反饋系統；學生可以隨時隨地便捷訪問平臺資源，及時完成實驗預習和課后復習，實現實驗過程中“課前預習，課后復習”為線上模式，以提高學生多渠道多形式自主學習為目標，構建基于校園網的線上線下混合實驗教學模式，在教與學中充分發揮信息技術的優勢，給學生更多的主動性和自由，實現從以教師為中心向以學生為中心轉變；機械實驗教學混合教學模式建設方案如圖2所示[4]。

4? 機械實驗教學中心混合教學建設內容

4.1? 實驗室線下資源建設

機械實驗教學中心根據專業認證要求在2016—2021年度期間完成了機器人、機床裝備與液壓氣壓等實驗室線下資源建設，計劃2022—2023年度建設機械原理、機械設計、CAD/CAE等課程線下實驗資源建設。其中，機械原理實驗共9學時，4個實驗項目（機構認識實驗、機構運動簡圖的測繪與分析實驗、齒輪范成原理實驗、機械運動方案設計與搭接實驗）計劃購置相應的實驗設備共3種（機構運動試驗臺、齒輪范成試驗臺、機械運動方案設計與搭接試驗臺）。機械設計實驗共8學時，5個實驗項目（帶傳動實驗、螺栓聯接實驗、滑動軸承實驗、減速器拆裝實驗、組合式軸系結構設計與分析實驗），實驗設備4種（帶傳動實驗臺、螺栓聯接實驗臺、滑動軸承實驗臺、組合式軸系結構設計與分析實驗箱）。CAD/CAE課程實驗軟件有國產中望3D和HyperWorks軟件，每個實驗設備配套有虛擬仿真實驗系統，能夠滿實驗教學要求。

4.2? 機械實驗教學線上云平臺中心建設

4.2.1? 云平臺中心建設

機械實驗教學中心線上云平臺中心由GPU高性能服務器、分布式云存儲系統、高性能開放實驗平臺系統、3D云桌面系統、云終端設備五個部分組成。云平臺中心結構構架如圖3所示。

線上共享實驗平臺建設是基于HPC的開放云平臺實踐環境，如圖4所示。HPC桌面云數據中心為教師與學生每人交付一臺GPU云電腦及個人專屬云存儲空間，可以在任意終端流暢地運行各類VR虛擬仿真實驗或高性能CAD/CAE應用。線上學生通過終端設備登錄自己的GPU云電腦賬號，在寢室、圖書館或是家中，隨時隨地便捷訪問共享的開放實驗項目仿真資源，及時完成實驗預習，了解實驗內容與設計實驗方案。線下學生完成實驗操作后，可以隨時訪問共享的開放實驗項目仿真資源，復習總結實驗過程，撰寫提交實驗報告。線上線下混合教學極大拓寬了學生自主學習時長，實現實驗課內外無縫對接。成為可運行機械設計、機械原理等實驗仿真系統及CAD/CAE的高性能開放云平臺中心[5]。

IaaS層，按需配置多臺GPU高性能服務器，構建GPU集群超算云資源池，前端為實驗實訓機房的瘦終端設備或利舊機房低配舊電腦。服務器通過接入實驗中心的匯聚交換機與校園網核心交換機相連，以保證全院的師生在實驗教室之外、接入校園網的任何終端登錄個人工作空間，即可獲得高性能的應用服務。

PaaS層，采用高性能開放實驗平臺系統及云桌面系統搭建新工科開放實驗平臺，為各類實驗實訓軟件提供承載與運行環境，以微服務架構，針對不同課程的實驗需求，一次性批量交付大量一致的實驗教學云桌面應用環境。

SaaS層，應用承載庫可支持上百個實驗仿真資源應用集中部署，并以單一實例方式實現應用發布、應用升級及應用運維，且可擴展。滿足實驗教學的多個實驗項目仿真應用場景下的各類虛擬仿真實驗等教學得以順利開展。

機械實驗教學中心與武漢興和云公司達成了基于云平臺構建的共享實驗體系的協議，進行了方案論證與功能測試，在2022年度初步完成了平臺基礎的建設，云平臺中心如圖5所示。

4.2.2? 實驗項目智能化應用資源建設

主要實驗項目智能化應用資源如下：

（1）實驗設備自帶項目仿真資源。實驗室線下資源建設中設備廠商都開發了與實驗設備配套的實驗項目VR和虛擬仿真實驗，可以滿足學生使用該系統進行實驗項目仿真，將實驗虛擬現實技術與傳統的實驗設備緊密結合，將實物模型與虛擬動畫模型結合，構造一個虛實結合的實驗環境，充分展示其實驗設備操作與實驗過程原理及特點，讓學生在虛擬實驗臺上大膽動手，充分操作，使實驗操作具有智能化，是共享實驗資源。

（2）工程軟件。CAD/CAE實驗課程上機需要使用大量工程軟件，主要有中望3D、CATIA、Hyper-works、Math-Lab等。這些工程軟件對機器配置要求高，安裝和配置過程復雜，是共享上機資源，如圖6所示。

（3）教師制作教學資源。理論教師根據教學大綱要求制作實驗教學大綱與考核標準，實驗教師根據教學大綱實驗要求制作的教學資源，主要有實驗指導書、實驗設備操作視頻、軟件操作視頻、建模分析視頻等，圖7是自己制作的插補原理仿真實驗資源。實驗教師還可以對實驗課程內容進行擴展，制作創新性的實驗項目資源供學生選做，加強學生工程實踐能力和研究精神。

5? 結? 論

機械實驗教學云平臺中心支持專有的實驗設備。機械實驗教學中心在2016—2022年度期間采購的實驗設備來自不同區域、不同廠家，實驗設備區別較大，不同設備的虛擬仿真操作也都不相同，比如機械原理與機械設計的實驗設備分別采購的湖南佳訊公司和杭州星辰公司設備，系統自帶的仿真軟件各不相同。通過機械實驗教學云平臺中心合理配置各種仿真軟件，云平臺就根據師生需求動態并合理地分配實驗教學資源，根據不同課程實驗項目仿真要求，按需封裝成不同的實驗項目資源容器，自由組合，靈活便捷交付所有學生使用。后期可以進一步擴展專用實驗設備的仿真資源和自建資源，滿足實驗內容和教學手段的不斷發展與更新。

機械實驗教學云平臺中心實現了師生共享教學資源。云平臺可以根據師生需求動態并合理地分配實驗教學資源，支持了機械原理與機械設計虛擬仿真實驗、CAD/CAE等高性能應用；在2022年的“CAD技術基礎與應用”等實驗課程中，使用效果良好。

機械實驗教學云平臺中心實現了混合實驗教學的新方法。基于云平臺中心的機械實驗教學轉變了實驗教與學的方式，改變了學生在學校里學習環境，培養出來的學生能夠比傳統方式培養出來的更具自主性和創新實踐能力。今后在機械實驗教學中可以進一步通過改革教法、強化線上線下實驗方法，豐富實驗教學內容，簡化實驗環境準備工作，構建基于信息技術的實驗教學新方法、發展基于互聯網的教育服務新模式。

參考文獻：

[1] 王創.以數字教材規模化應用促進信息時代的“課堂革命” [J].教育信息技術，2019（1）：3-6.

[2] 王淑靜，王文琴.給排水科學與工程專業《水分析化學》實驗教學探索研究——以天津大學仁愛學院為例 [J].居業，2019（2）：133+135.

[3] 陳為滿.“互聯網+”背景下高職軟件專業課程教學模式研究 [J].數碼世界，2018（11）：157.

[4] 劉敬露，王國超，楊曉.基于混合學習的工業機器人實踐教學模式研究 [J].實驗科學與技術，2018，16（1）：99-101+106.

[5] 蔣玉宇，劉鎮.基于云平臺的02O實驗教學體系構建 [J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：188-191.

作者簡介：陳勇（1972—），男，漢族，湖北十堰人，高級實驗師，學士，研究方向：數字化設計與制造、智能制造、高等教育實踐教學。

收稿日期：2022-10-03

基金項目：教育部產學合作協同育人項目（202102213049）；教育部產學合作協同育人項目（202101354014）；教育部產學合作協同育人項目（220604555293718）；湖北省高等學校實驗室研究項目（HBSY2021-19）