李 諍*，孫昌國，劉 欣

（大連海事大學船舶與海洋工程學院 遼寧 大連 116026）

機械基礎(chǔ)實驗是令學生掌握機械專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要課程，是訓練學生實際動手能力，加深對理論知識的理解以及建立工程思維的必需環(huán)節(jié)，在機械類專業(yè)課程體系中的地位非常重要[1]。大連海事大學機械工程專業(yè)將培養(yǎng)學生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力作為本專業(yè)實驗類課程的基本教學目標之一，而機械基礎(chǔ)實驗教學的核心理念就是通過實驗使專業(yè)基礎(chǔ)知識具象化，讓學生們在實踐的過程中深入理解重要的專業(yè)基礎(chǔ)知識并訓練解決實際問題的能力，有助于更好地達成理論和實驗課程的知識、能力和情感目標[2]。為了確保實驗教學質(zhì)量，大連海事大學建立了專門的機械基礎(chǔ)教學實驗室并配置了多種實體實驗設(shè)備，基于實驗室開展相關(guān)教學活動，從而形成了較為成熟的常規(guī)實驗教學模式（見圖1）。但在目前“新工科”建設(shè)背景下，現(xiàn)行的常規(guī)教學模式在教學方式多樣化、實驗資源分配和教學內(nèi)容擴展等方面都存在局限性，因此迫切需要針對機械基礎(chǔ)實驗開展教學改革和實踐，解決常規(guī)教學模式中存在的各種問題，以確保機械基礎(chǔ)實驗的教學效果[3]。

圖1 機械基礎(chǔ)實驗常規(guī)教學模式

1 機械基礎(chǔ)實驗常規(guī)教學模式存在的問題

圖1展示了機械基礎(chǔ)實驗常規(guī)教學模式的具體流程，一般包括實驗預習—課堂教學—學生實操—課程考核四個環(huán)節(jié)。學生們首先根據(jù)實驗大綱提前預習實驗內(nèi)容；其次在課堂教學中根據(jù)實驗教師的講授和指導，理解實驗要求以及掌握實驗設(shè)備的使用方法；而后分組操作實驗設(shè)備并按照實驗要求采集和記錄數(shù)據(jù)；最后對數(shù)據(jù)進行分析和討論，在課后完成實驗報告并作為課程考核的依據(jù)；其中課堂教學和學生實操兩個核心環(huán)節(jié)均需在教學實驗室進行。機械基礎(chǔ)實驗近年來的實際教學效果反饋表明上述常規(guī)模式存在以下問題：

1.1 實驗課程與理論課程的知識點對應(yīng)關(guān)系不明確

教師在課堂教學中往往將大部分注意力放在對實驗過程的講解上，一般情況下不會特地強調(diào)實驗的理論基礎(chǔ)，而實驗大綱等教學資料中也較少明確提及和實驗相關(guān)的理論課程知識點。學生們雖然能在教師的指導下完成實驗操作，但并不能確保其充分理解了實驗所對應(yīng)的理論知識點，實驗報告的高錯誤率就是這個問題的直接反映。

1.2 硬件條件限制了實驗教學的能力和效率，設(shè)備維護會消耗大量資源且損耗率較高

在實驗教學中，如果實驗設(shè)備硬件資源不足，則無法保證每名學生都能獲得合理的實驗資源分配，這會打擊學生的學習積極性，導致學生出現(xiàn)不重視實驗課程，不動手操作，不討論問題，不采集數(shù)據(jù)，抄襲實驗報告等各種問題；而實操環(huán)節(jié)中可能會產(chǎn)生一些難以預料的零件損耗，從而產(chǎn)生較高的維護成本。

1.3 某些教學實驗有一定的危險性，學生獨立操作的風險較大

在設(shè)計教學實驗內(nèi)容時，需要綜合考慮實驗條件、實驗的教學意義以及學生的技能水平。有些實驗的理論基礎(chǔ)對應(yīng)機械工程學科領(lǐng)域內(nèi)比較核心的專業(yè)知識點，且在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，有重要的工程意義，比如齒輪切削加工和金屬材料熱處理等。這類實驗在條件允許的前提下有充分的教學必要性，但是對操作者的要求較高，學生獨立操作會存在一定的人身安全風險。而為了確保安全，在教學中一般不會引入此類實驗項目，這就導致學生在理論課程中學到的重要知識無法通過實驗重現(xiàn)，從而弱化了實驗教學的意義。

1.4 實驗課程考核方式比較單一，考核標準缺乏客觀性

常規(guī)教學模式以學生課后完成的實驗報告作為考核主體，根據(jù)其完成度和準確性進行評分，考核方式單一；關(guān)于學生實驗?zāi)芰Φ目己藰藴时容^含糊，而僅憑實驗報告無法客觀考核學生的綜合能力水平；由于實驗報告在考核中的比重太大，導致抄襲實驗報告的現(xiàn)象時有發(fā)生；由此可見常規(guī)模式的考核和評價體系還不夠完善，不僅會削弱實驗考核的客觀性，而且會影響到學生的學習態(tài)度，不利于提高實驗教學質(zhì)量。

2 機械基礎(chǔ)實驗教學改革與實踐

2.1 在教學資料中明確強調(diào)實驗原理和相關(guān)理論知識點的關(guān)聯(lián)性

機械基礎(chǔ)實驗的教學資料以教學大綱為主，其內(nèi)容包括課程教學目標、教學要求、教學手段、課程信息、考核方式和標準等，在實驗教學中，常見的實驗大綱是其核心內(nèi)容之一，用于具體指導學生學習實驗原理、了解實驗?zāi)康模煜嶒灢僮鞯?。實驗大綱除了包括常規(guī)內(nèi)容（如實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄和分析等）之外，還應(yīng)增加“實驗理論”部分，基于實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容總結(jié)歸納實驗中所涉及的相關(guān)知識點，使學生了解此項實驗是基于何種原理設(shè)計的，并能夠通過實驗進一步加深對理論知識的理解和掌握。例如在“螺栓連接綜合測試實驗”中，螺栓受工作載荷后的變形規(guī)律是實驗的理論基礎(chǔ)，因此在“實驗理論”內(nèi)容中增加了完整的螺栓連接變形協(xié)調(diào)圖，以及根據(jù)協(xié)調(diào)圖判斷螺栓在工作載荷下變形的方法和過程，同時給出了相關(guān)的計算公式。在實驗過程中，學生需要通過調(diào)整螺栓剛度來改變螺栓受工作載荷下的變形，實驗大綱中會明確指出螺栓剛度、工作載荷和變形之間的關(guān)系應(yīng)符合協(xié)調(diào)圖，并引導學生通過分析實驗數(shù)據(jù)驗證該結(jié)論，通過這種方式具象化協(xié)調(diào)圖的作用，以此強調(diào)實驗原理和理論知識之間的關(guān)聯(lián)性。

2.2 根據(jù)“虛實結(jié)合”方針開發(fā)“虛擬+實體”綜合實驗并搭建混合式實驗教學平臺

基于現(xiàn)有的實體實驗設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真實驗軟件，在軟件環(huán)境中重現(xiàn)實體實驗的全過程，以形成完整的虛擬仿真實驗，并在實體實驗教學計劃的基礎(chǔ)上增設(shè)對應(yīng)的虛擬仿真實驗教學計劃，盡可能全面地實現(xiàn)實體實驗的虛擬化，并在此基礎(chǔ)上進一步增加其他多種虛擬仿真實驗項目；當虛擬仿真實驗資源積累到一定程度后，再將所有具備教學能力的實驗項目組合在一起，搭建以“虛擬+實體”綜合實驗為主體，其他虛擬仿真實驗為補充，同時具備線上線下教學能力的混合式實驗教學平臺[4-6]，即所謂的“虛實結(jié)合”實驗教學改革方針。該教學平臺中的每個虛擬仿真實驗項目都應(yīng)具備教學演示、教學資料、實驗?zāi)Ｐ汀?shù)據(jù)采集分析、課程考核、幫助和答疑等多個功能模塊，全面涵蓋常規(guī)教學模式中的所有環(huán)節(jié)。此外為了令實驗教學方式更加靈活，可將“虛擬+實體”綜合實驗定義為“必修實驗”，以此作為實驗教學的主要內(nèi)容；其他不具備實體實驗條件的虛擬仿真實驗項目則可定義為“選修實驗”，作為輔助實驗項目列入教學計劃。

混合式實驗教學平臺在機械基礎(chǔ)實驗教學過程中發(fā)揮了重要的作用。例如在進行“機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝綜合實驗”（“虛擬+實體”綜合實驗）時，教師首先通過混合式實驗教學平臺向?qū)W生推送此項實驗的網(wǎng)址鏈接、使用說明以及實驗大綱等資料，方便學生調(diào)試仿真實驗軟件和提前進行預習；進入課堂教學環(huán)節(jié)后，學生首先觀看“教學演示”中的實驗教學視頻，了解實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容，學習實驗原理、實驗步驟、軟件操作、實驗數(shù)據(jù)的采集方法以及數(shù)據(jù)分析流程等具體內(nèi)容，之后再由實驗教師結(jié)合相關(guān)教學資料進行課堂講授，特別強調(diào)實驗的理論基礎(chǔ)，包括運動副的類型和特點、機構(gòu)運動簡圖的繪制以及平面機構(gòu)自由度計算等，增強學生對實驗原理以及相關(guān)知識點的理解；在實操環(huán)節(jié)中，學生們在軟件環(huán)境下完成構(gòu)件選擇、機構(gòu)分析、模型組裝、運動仿真以及自由度計算等具體實驗步驟，并根據(jù)實驗要求記錄和采集必要的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合實驗原理驗證實驗結(jié)論的準確性。完成虛擬仿真實驗后，教師可根據(jù)實際情況組織學生在實體實驗臺上重現(xiàn)虛擬仿真實驗的操作流程，完成“虛擬+實體”實驗項目的全部內(nèi)容（如圖2 所示），再次驗證虛擬仿真實驗的結(jié)論，最終形成理論和實踐的知識閉環(huán)。

圖2 “虛擬+實體”綜合實驗項目

教育部辦公廳“關(guān)于開展2015 年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知”明確要求，“虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目”[7]。

混合式實驗教學平臺中同樣包含了多項具有上述特點的虛擬仿真實驗作為選修實驗，例如“液體動壓滑動軸承性能測試虛擬仿真實驗”和“漸開線齒輪加工虛擬仿真實驗”等，鼓勵學生根據(jù)個人實際情況和興趣自行選擇和學習，并將選修實驗的學習成果作為加分項納入考核范圍。這類實驗?zāi)軌蛲貙拰W生的知識面，提升學生的學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習的能力和積極性，有助于更好地達成實驗教學的目標。

2.3 基于客觀標準，采用多種考核方式考查學生的綜合能力

機械基礎(chǔ)實驗教學考核方式改革的核心思路是：力求打破“唯實驗報告”考核模式，以明確客觀的考核標準為基礎(chǔ)，采取多種考核方式以全面考察學生的綜合能力。例如“機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝綜合實驗”的課程考核模塊中包括四種考核方式，具體內(nèi)容和要求如下：①理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)根據(jù)題庫中的習題自動生成試卷，考查學生對實驗理論基礎(chǔ)的理解和掌握程度；②步驟勘誤：播放一段搭建實驗機構(gòu)流程的視頻，要求學生指出其中的錯誤并改正；③故障判斷：要求學生對照已知機構(gòu)簡圖分析給定的仿真實驗?zāi)Ｐ停ɑ蚋鶕?jù)已知仿真模型分析給定機構(gòu)簡圖）以及自由度計算過程，指出其中的錯誤并改正；④數(shù)據(jù)分析：要求學生提交完成組裝的實驗?zāi)Ｐ鸵约白杂啥扔嬎愕脑敿氝^程。

學生完成考核后，軟件會將所有的作答數(shù)據(jù)自動提交至平臺的實驗評分系統(tǒng)；教師根據(jù)教學大綱中明確規(guī)定的各考核環(huán)節(jié)的評價標準進行客觀且全面的評分。

綜上所述，基于“虛實結(jié)合”方針構(gòu)建了包含必修實驗（“虛擬+實體”綜合實驗）和選修實驗（虛擬仿真實驗）以及整合了考核功能的混合式實驗教學平臺體系。如圖3（p71）所示，該平臺也是大連海事大學機械工程專業(yè)進行機械基礎(chǔ)實驗教學改革和實踐的成果。

圖3 “虛實結(jié)合”的混合式實驗教學平臺

3 教學改革成果

大連海事大學機械工程專業(yè)應(yīng)用混合式實驗教學平臺進行機械基礎(chǔ)實驗教學已有兩年左右的時間，期間始終基于“虛實結(jié)合”方針持續(xù)進行機械基礎(chǔ)實驗教學改革和課程建設(shè)，不斷開發(fā)“虛擬+實體”教學資源和完善教學內(nèi)容，獲得了非常好的效果。目前，混合式實驗教學平臺主要涵蓋“機械基礎(chǔ)實驗（機械設(shè)計）”和“機械基礎(chǔ)實驗（機械原理）”兩門機械基礎(chǔ)實驗課程的教學環(huán)節(jié)，總共包括8項實體實驗和6 項虛擬仿真實驗，其中4 項具備“虛擬+實體”綜合實驗教學條件。在日常教學中，學生首先按照教學大綱要求完成3 項必修實驗項目（包括2 項“虛擬+實體”綜合實驗以及其他1 項實體實驗），之后可在其余虛擬仿真實驗項目中任意選擇1 項作為選修實驗項目，最后綜合學生每個實驗項目的分項成績，按照教學大綱中規(guī)定的評分標準和比例確定課程的總成績。線上教學期間，實驗教學主要基于虛擬仿真實驗展開，將“虛擬+實體”綜合實驗中的虛擬仿真實驗部分作為必修實驗；線下教學中可視情況補做實體實驗或直接將實體實驗部分作為實驗考核的方式之一。從教學效果反饋來看，學生們對這種獨特的實驗教學模式表現(xiàn)出了極大的興趣，特別是在進行虛擬仿真實驗時，學生們從中獲得了深度的沉浸感，對理論知識的實踐應(yīng)用形式有了更加深入的理解。調(diào)查顯示，有相當數(shù)量的學生不止一次地完成虛擬仿真實驗，甚至還有學生團隊自發(fā)地嘗試基于虛擬實驗?zāi)Ｐ瓦M行實體實驗項目的自主創(chuàng)新研究，這說明學生們對“虛實結(jié)合”實驗教學模式的認可度很高。此外改革后的實驗考核機制更加先進，學生獲得的成績能夠客觀評價其在實驗中表現(xiàn)出來的綜合能力，實驗教學目標的整體達成度也有大幅提升。經(jīng)過實驗訓練的學生在應(yīng)用理論知識解決工程問題方面表現(xiàn)突出，在全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中取得了優(yōu)異的成績。

4 結(jié)語

實踐證明，應(yīng)用混合式實驗教學平臺進行機械基礎(chǔ)實驗教學能夠極大地激發(fā)學生的學習熱情，多樣的考核方式能夠客觀全面地考察學生的學習成果，使學生更容易達成課程的教學目標；多種因素相輔相成，形成了獨特的教學模式，確保了機械基礎(chǔ)實驗的教學效果。目前混合式實驗教學平臺仍在不斷建設(shè)中，未來將持續(xù)進行以“虛實結(jié)合”為方針的實驗教學改革和實踐，進一步增補更多類型的“虛擬+實體”綜合實驗項目，從軟件和硬件兩方面綜合提升混合式實驗教學平臺的教學能力和涵蓋面，為其他實驗類課程建設(shè)以及教學改革提供參考。