“互聯網+”和智能制造背景下“機械原理”混合教學改革研究

李 堅，黃晨華，龍 慧，唐 偉，李東暢，肖耘亞，吳偉輝

（韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512005）

“互聯網+”自2015 年概念被提出后，以其智能信息技術的優勢，在各行各業均引起了廣泛關注和應用。其中，如何充分依托“互聯網+”技術在高校機械專業教育中打破傳統教學模式中組織形式單一、教學方式守舊、教學技術刻板、學習方法因循守舊及學生被動學習等問題［1］，利用5G、虛擬現實、云計算及人工智能等新興技術，融合學科競賽及科研課題小組的形式，構建線上/線下、課內/課外等多元化的混合教學模式，推動高等教育的改革與創新，成了本科教育特別是地方性應用型本科教育的關鍵［2-3］。

以機械類專業為基礎的制造業是國民經濟發展的根基［4］，是國家經濟增長的催化劑，也是工業化、現代化建設的發動機和動力源，故機械專業也被稱為“國民經濟的裝備部”［5］。其中“機械原理”作為機械專業的核心主干課程，在培養本專業學生機械設計綜合能力方面占有重要的地位［6］。更應借助“互聯網+”等技術綜合當今智能制造相關需求，探索混合教學模式改革方式，積極培養出推動傳統制造向智能制造轉變的高水平應用型人才，滿足機械制造行業/企業的現代化與智能化對機械專業人才的數量/質量方面要求［7-8］。可見，在智能制造背景下通過“互聯網+”技術改革“機械原理”授課/學習模式，對培養我國機械專業人才，實現“科技強國，人才先行”是必要和重要的［9-10］。

一、研究背景

（一）學生對課程的重要性理解不足

“機械原理”是機械類各專業中極為關鍵的技術基礎課程，大部分高校都是在第4 學期開設［11］。韶關學院“機械原理”課程基本情況如表1 所示，前期雖有“專業導論”等對機械類專業進行概述性介紹，但同學對機械專業的認知仍然不足，只停留在日常的機械裝備運動中，無法對具體的機械運動抽象剝離。而本應通過“機械原理”課程構建的機構運動學和動力學的分析思維，卻又因為這門課的學時少、內容多、理論深等緣故學生出現畏難情緒或不夠重視，導致多數學生被動接受知識，僅僅滿足于“到課率”，卻不能保證“抬頭率”，學習主動性和積極性不高，難以夯實相關理論基礎，無法掌握機械傳動系統方案分析及設計的方法，甚至在后續的機械專業課程也難以跟上，難以成為合格的機械專業人才。

（二）課堂教學組織模式落后

雖然，目前“互聯網+”和智能制造已經成了機械學科教學改革的重要方向，但就目前的成果來看，關于“機械原理”相關的網上課程教學資源未能與現代機械原理技術發展實現同步。智能制造可供學生線下深入學習的資料不多，難以滿足不同層次/類型學生自主學習的需求［12］。此外，“機械原理”教學往往存在學時少、內容多、要求高的特征，如何充分調動學生的學習興趣，轉變教學組織形式，突破傳統過于依賴授課教師的知識灌輸，讓學生轉為主動學習是目前需解決的主要問題［13］。為此，應在智能制造背景下借助“互聯網+”相關技術，結合學科競賽和科研課題小組進行多元混合教學，探索地方應用型本科院校機械專業主干課程“機械原理”的混合教學改革方案，以期進一步提高學生的專業技術水平和基礎理論知識，并獲得具有其他學科可推廣借鑒的教學成果。

二、“互聯網+”和智能制造背景下“機械原理”混合教學改革設計與探索

混合教學實施方案設計如圖1 所示。

圖1 “機械原理”混合教學實施方案設計

（一）構建合作共享式課堂教學組織模式

目前，高校課室大都采用了以計算機為基礎的多媒體教學設備，雖然可減少授課教師板書的時間，融入更多生動形象的內容（如視頻或GIF 圖片），活躍課堂氛圍，但本質上還是教師臺上講授的教學模式，并沒有充分發揮“互聯網+”的技術優勢，學生也并沒有改變被動接受知識的學習模式。隨著上課進度的推進，一些學生慢慢跟不上進度，久而久之，便逐漸失去了學習興趣，成了“低頭族”和“手機族”。為此，通過改革講臺僅由教師專屬的教學模式，形成師生共享的教學課堂。如圖2 所示，將“機械原理”中的核心內容按照難易程度提前規劃給不同層次的學生備課，并將每節課堂的時間劃分為A+B 兩段的模式，A 段時間讓學生上臺進行試講，B 段時間由授課教師進行點評并補充完善。

圖2 “機械原理”共享課堂設計

下面通過“機械原理”第二章第3 小節“機械的運動確定性及其自由度分析”為例進行闡述。由于此部分的內容具有一定的難度，所以選擇了成績較好、學習較為主動的學生擔任此部分的試講人，按照以下步驟展開：①給予30 分鐘的講授時長，并提前兩周將講授大綱下發；②課前兩天審核和修改學生課件初稿以確保對課堂的掌控；③在課中，由學生先上臺講授，教師旁聽和筆錄，并提醒學生把控時間及控制授課進度；④在學生講完相關內容后，花15 分鐘對授課內容進行點評，并補充完善遺漏或講解不到位的知識點，重點突出虛約束、局部自由度等在自由度計算時候需要特別注意的內容，以確保授課質量。

實踐表明，通過適當的內容匹配，將授課內容及講授學生進行良好的配合，可促進學生知識掌握、提高學生的應用技能，提高學習興趣和學習效率。

（二）以學科競賽推動學生課后主動學習

機械學科有較為全面的學科競賽，如“中國互聯網+大學生創新創業大賽”“全國大學生機械創新設計大賽”和“全國大學生工程訓練綜合能力競賽”等，特別是“全國大學生機械創新設計大賽”涵蓋的機械學科知識較多。在“機械原理”授課的過程中，通過積極鼓勵學生參加相應的學科競賽，并適時將競賽中所遇到的知識與課堂教學相結合，形成授課案例，可充分激發學生的學習興趣和創新能力，提高學生自主學習和解決問題的能力。

韶關學院機械學科現已形成了以專業協會（CAD）為組織，以本專業授課教師親自擔任競賽指導教師，積極引導大一、大二、大三學生參與各項比賽的模式（如圖3 所示）。現已逐步形成以“項目化”為教學中心，通過開拓課培訓的多維教學，引導學生在解決競賽中所遇到問題時，以及在比賽籌備中和比賽中，對學生的專業基礎知識進行查漏補缺。學生在這一環節中可化被動接受知識為積極主動學習，拓展相應的學科知識。最終探索出“以賽促教、以賽促學、學賽結合”的教學模式，形成良性互動。而且每一個競賽項目無法單靠某一個人獨立完成比賽，均需要團隊協作，通過組員間的優勢和特長緊密配合。這也能培養學生的團隊構建、組織和協作的能力，以此形成同輩壓力促動同學間的良性競爭。

圖3 以賽促學混合教學組織模式

（三）以科研小組形成分層教學模式

目前大部分高校仍采用班級授課制的模式，但學生綜合素質不一，將來就業意向也各異，統一的課堂教學模式難以圍繞各個層次/類型學生的特征進行教學，這勢必導致部分優秀的學生無法在課堂上進一步獲取更多更全面深入的專業知識。為此，在智能制造背景下，可結合授課教師的研究方向組建科研興趣小組；以研究課題為導向，授課教師定期在線下進行集中輔導，促進學生利用“互聯網+”相關技術，形成“以研帶學”的情景，在多學科間主動學習以提升智能制造所需的跨領域知識技能，并就“機械原理”的相關內容進行持續深入的學習，豐富“機械原理”相關知識點的內涵，打破學生認為所學知識離自身過于遙遠，提不起興趣的弊端。以此探索依托科研小組構建多領域跨學科的教學實踐方式，形成以研究課題吸引學生，以具體問題促進學生主動學習的局面，并以此帶動了全班的學習氛圍，形成了良好的學風。

三、結束語

經過前期的實踐，近80%的機械專業學生參與了專業競賽及科研課題小組。通過課內課外的學習培訓，大部分學生的專業基礎理論和技術扎實、視野開闊，具有較好的自學能力和創新能力、團隊管理和協作水平。以機械設計制造及其自動化專業某班為例，該班共有47 位同學，已有26 人次參與了“互聯網+創新創業大賽”“機械創新設計大賽”“成圖技術創新大賽”及“工程訓練綜合大賽”等學科比賽，獲得了省級及以上的獎項20 項（部分獎狀見圖4）；另有11 人參與了授課教師的科研課題小組，已有6 位同學在撰寫專利/論文等成果。此外該班學生在“機械原理”的課堂上學習氛圍良好，期末考試成績較好，如圖5 所示及格率100%，平均分79.5 分，80 分以上的優良率46%，且采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）方法對該班成績進行正態分布檢驗時獲得了0.563 的P值，說明整體成績符合正態分布。可見，采用線上/線下、課內/課外結合的混合教學模式對“機械原理”課程的教學以及機械學生的培養具有較好的效果。

圖4 部分專業競賽獲獎證書

圖5 “機械原理”課程期末考試成績分布