摘" 要" 針對機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，如學(xué)生過多依賴教師、探求知識不主動(dòng)、課堂積極性不高以及教師過度參與等，在對分課堂基礎(chǔ)上，以工程教育理念為指導(dǎo)，提出融合講授、討論及實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，著力培養(yǎng)學(xué)生利用知識解決工程問題的思維，提升學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，改善實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生虛假學(xué)習(xí)、游離學(xué)習(xí)的情況。

關(guān)鍵詞" 工程教育；對分課堂教學(xué)法；機(jī)械原理；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642.423" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）14-0132-04

0" 引言

機(jī)械原理是理工類高校機(jī)械專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，從學(xué)情來看，該課程在大學(xué)課程設(shè)置中具有承前啟后的作用。實(shí)驗(yàn)課旨在提高學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維和敏銳的觀察力[1-3]。在工程教育體系中，實(shí)踐環(huán)節(jié)的突出作用是培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力[4]。如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，怎樣把工程教育理念扎根到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一直是學(xué)校和教師關(guān)注的問題。鑒于目前河南理工大學(xué)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程還是依附于理論課程，演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占比多，將對分課堂教學(xué)法與工程教育理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，旨在提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與度和積極性，培養(yǎng)學(xué)生對工程問題深入研究與思考的能力。

1" 對分課堂

目前由于短視頻助長的知識碎片化程度愈加嚴(yán)重，知識的內(nèi)化必須經(jīng)過深刻思考、反復(fù)練習(xí)才能實(shí)現(xiàn)[5-6]。既調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性又保證學(xué)習(xí)效果一直是各種教學(xué)方法追求的目標(biāo)。對分課堂是張學(xué)新教授[7]提出的教學(xué)模式，結(jié)合傳統(tǒng)課堂與討論式課堂的優(yōu)勢，一半的課堂時(shí)間分配給教師講授，另一半時(shí)間分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。國內(nèi)的教育工作者利用這種方法開展相關(guān)教學(xué)改革與探索，有的用于課堂教學(xué)模式的構(gòu)建及準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，有的把對分課堂用于線上教學(xué)，也有的把對分課堂與雨課堂融合探索混合式教學(xué)。無論線下、線上還是混合式教學(xué)，都有對分課堂的應(yīng)用實(shí)例，并且都取得不錯(cuò)的效果。

在工程教育體系中，學(xué)生的溝通能力是畢業(yè)要求的指標(biāo)之一。注重討論的對分課堂教學(xué)模式與這一要求非常契合。教師講授知識后，讓學(xué)生以小組的形式展開討論，根據(jù)所學(xué)知識進(jìn)行思考、組織、整理，最終提出解決方案。整個(gè)環(huán)節(jié)對畢業(yè)要求的工程知識、設(shè)計(jì)方案和溝通等能力都能進(jìn)行訓(xùn)練。

受此啟發(fā)，在對分課堂教學(xué)方法基礎(chǔ)上增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，即形成“講授+討論+實(shí)踐”的教學(xué)模式，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課堂。由于實(shí)驗(yàn)課是小班上課，不超過30人，與多個(gè)班的理論課堂相比具有人數(shù)少的優(yōu)勢，討論環(huán)節(jié)基本能夠做到全員覆蓋。在機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)開展有針對性的教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠促進(jìn)學(xué)生畢業(yè)目標(biāo)達(dá)成，真正做到讓知識內(nèi)化于心。

2" 機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1" 對分課堂的實(shí)驗(yàn)體系

融合對分課堂教學(xué)法與工程教育理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖1所示。根據(jù)對分課堂的教學(xué)特點(diǎn)，把課堂劃分成三個(gè)環(huán)節(jié)：講授環(huán)節(jié)、討論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2.1.1" 講授環(huán)節(jié)

教師作為策劃者，要解決“講什么，如何講”的問題。學(xué)生自學(xué)課前任務(wù)、提出問題，教師根據(jù)問題再實(shí)時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容與方式，形成第一次的閉環(huán)反饋。學(xué)生不僅僅是知識的接受者，同時(shí)作為參與者與教師形成互動(dòng)交流，為教學(xué)內(nèi)容選擇提供改進(jìn)方向。這一階段是對分課堂的學(xué)習(xí)層，直接對標(biāo)工程教育理念中的工程知識要求。

2.1.2" 討論環(huán)節(jié)

學(xué)生作為主體，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求擬定實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)討論后對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。學(xué)生不再是方案的執(zhí)行者，而是變成方案的設(shè)計(jì)者。教師只是討論的組織者，為各小組提供技術(shù)指導(dǎo)與評價(jià)。通過組內(nèi)、組間討論以及教師評價(jià)形成第二次的閉環(huán)反饋。在形成方案后，如果跳過討論，直接進(jìn)入動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)，雖然也能完成實(shí)驗(yàn)，但是小組成員無法體會(huì)到頭腦風(fēng)暴帶來的思維共振。這一階段是對分課堂的討論層，也是核心層，對應(yīng)工程教育理念中的設(shè)計(jì)方案與溝通能力。

2.1.3" 實(shí)踐環(huán)節(jié)

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，動(dòng)手操作完成實(shí)驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行反思與總結(jié)。同時(shí)，教師根據(jù)課堂反饋、實(shí)驗(yàn)整體情況提出持續(xù)改進(jìn)措施，形成第三次閉環(huán)反饋。這一階段是對分課堂的實(shí)踐層，對應(yīng)工程教育理念中的方案設(shè)計(jì)要求。

融合對分課堂教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)課堂的三個(gè)環(huán)節(jié)都是服務(wù)目標(biāo)導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)的工程教育理念的體現(xiàn)。教師精心準(zhǔn)備內(nèi)容，設(shè)置討論問題，讓學(xué)生參與課程內(nèi)容選擇、方案設(shè)計(jì)及實(shí)踐驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)全過程，徹底告別虛假學(xué)習(xí)、游離學(xué)習(xí)的無效學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2.2" 實(shí)驗(yàn)課堂設(shè)計(jì)

以機(jī)械原理課程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例，具體介紹實(shí)驗(yàn)課程的對分課堂教學(xué)法實(shí)施過程。該實(shí)驗(yàn)基于機(jī)構(gòu)組成原理的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)積累，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、綜合設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)過程主要包含知識學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)與討論、機(jī)械結(jié)構(gòu)拼接三個(gè)階段。

2.2.1" 知識學(xué)習(xí)

為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與理論知識銜接的緊密性和接受知識的時(shí)效性，把理論課堂一部分內(nèi)容劃分出來，作為機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)第一階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)課前通過教學(xué)App、課程平臺或者課程交流群等多種方式發(fā)布給學(xué)生自學(xué)。自學(xué)內(nèi)容的選取要視學(xué)情而定，學(xué)生專業(yè)、開課學(xué)期、年級等客觀因素都會(huì)影響自學(xué)效果，如果學(xué)起來過于費(fèi)力，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生心理抵觸等負(fù)面情緒。因此，自學(xué)內(nèi)容不宜太難，要兼顧內(nèi)容的發(fā)散性、趣味性以及與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性。

機(jī)械原理課程中平面機(jī)構(gòu)的組成原理和平面多桿機(jī)構(gòu)兩部分內(nèi)容沒有復(fù)雜公式計(jì)算，課程資源包含視頻、動(dòng)畫以及教學(xué)微課，把兩部分知識點(diǎn)融合，作為自學(xué)內(nèi)容是具有可操作性的。同時(shí)，把課程重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)習(xí)要求告訴學(xué)生，讓學(xué)生提前知道要學(xué)什么以及學(xué)到什么程度。問題答疑在線上完成，有利于學(xué)生隨時(shí)發(fā)問，不受時(shí)間、地點(diǎn)限制。

對學(xué)生線上提出的問題進(jìn)行匯總，如表1所示。教師得到反饋后，在布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)會(huì)更加有的放矢地講解知識點(diǎn)，特別是表1中的共性問題要重點(diǎn)講解，同時(shí)要注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識講解并行。學(xué)生掌握理論知識后，帶著實(shí)驗(yàn)任務(wù)學(xué)習(xí)多桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，可以開拓設(shè)計(jì)方案的思路。通過整合分散的知識點(diǎn)，學(xué)生既能掌握基礎(chǔ)知識，又能提高知識綜合能力，為下一步多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

2.2.2" 方案設(shè)計(jì)與討論

第二階段的任務(wù)是設(shè)計(jì)多桿機(jī)構(gòu)、討論設(shè)計(jì)方案和進(jìn)行適當(dāng)修改，這一階段具有研討式教學(xué)法和基于問題學(xué)習(xí)（Problem Based Learning，PBL）教學(xué)法的特點(diǎn)。由于討論具有開放性，如果按學(xué)生思路展開，不免會(huì)偏離實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，影響實(shí)驗(yàn)的連貫性；如果教師按教材內(nèi)容引導(dǎo)，討論很可能會(huì)淪為表面現(xiàn)象。因此，討論問題要與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合，這一階段設(shè)置兩個(gè)問題供學(xué)生討論：

問題1：基本桿組與其他構(gòu)件連接應(yīng)該采用什么樣的順序？

問題2：對于所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)采用哪些指標(biāo)評價(jià)更為合理？

這兩個(gè)問題都屬于開放性問題，答案取決于學(xué)生設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)果沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，具有更多的開放性，可充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。圖2是某小組的設(shè)計(jì)方案形成過程，涉及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制，學(xué)生從中能深刻認(rèn)識圖紙?jiān)跍贤ń涣髦械谋憬菪院屯ㄓ眯?。接下來需要?jì)算機(jī)構(gòu)自由度，驗(yàn)算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的確定性，學(xué)生從中能體會(huì)自由度驗(yàn)算與方案設(shè)計(jì)的緊密聯(lián)系。

PBL教學(xué)法是將學(xué)生放到復(fù)雜的工程問題情境中，通過小組合作，組員一起討論解決問題，目的是讓學(xué)生獲得討論背后的科學(xué)知識，鍛煉邏輯思維能力，提升綜合學(xué)習(xí)能力。經(jīng)過組內(nèi)或小組間研討，知識積累呈現(xiàn)螺旋式上升的趨勢，激發(fā)了組員的學(xué)習(xí)力和競爭力。某小組討論后的優(yōu)化方案如圖3所示，該小組利用連桿機(jī)構(gòu)的基本特性對初始方案進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)化方案是讓滑塊5的移動(dòng)副向上移動(dòng)，優(yōu)化后的方案機(jī)構(gòu)壓力角更小，運(yùn)動(dòng)更靈活。

本階段包含以下三個(gè)方面的基本要素：

1）以機(jī)構(gòu)方案為載體，學(xué)生在設(shè)計(jì)及評價(jià)過程中獲得必要知識，鍛煉解決問題的能力；

2）注重組內(nèi)、組間自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的表達(dá)與溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作技巧；

3）教師是組織者，學(xué)生是主體。

學(xué)生利用所學(xué)知識自主設(shè)計(jì)方案、繪制簡圖、討論并優(yōu)化方案，從中認(rèn)識到理論與實(shí)踐之間的辯證關(guān)系。這種經(jīng)過深度學(xué)習(xí)帶來的成就感更有助于學(xué)生增強(qiáng)信心，提高分析復(fù)雜工程問題的能力。

2.2.3" 機(jī)械結(jié)構(gòu)拼接

第三階段任務(wù)是按照設(shè)計(jì)方案組裝成實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過對實(shí)際零件拼接組裝，提高學(xué)生工程實(shí)踐動(dòng)手能力。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方案實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生提供各種豐富的零件，部分零件如圖4所示。

小組成員共同討論機(jī)械方案的具體實(shí)現(xiàn)，即需要解決轉(zhuǎn)動(dòng)副拼接、移動(dòng)副如何實(shí)現(xiàn)、機(jī)架固定以及拼接順序等諸多裝配問題，教師根據(jù)實(shí)際需要提供建議。拼裝后，要求學(xué)生通過手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件，觀察機(jī)構(gòu)中各個(gè)桿件、運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)，判斷是否會(huì)出現(xiàn)桿件、運(yùn)動(dòng)副的干涉和“憋勁”等現(xiàn)象。如果出現(xiàn)上述必須杜絕的問題，要求學(xué)生找到問題根源并進(jìn)行改進(jìn)，改正后方可通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過對實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)拼接及調(diào)試，學(xué)生的動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力都得到訓(xùn)練。最后由教師對各組機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢驗(yàn)。

教師作為實(shí)驗(yàn)的組織者，實(shí)驗(yàn)過程中要善于捕捉、發(fā)現(xiàn)各種各樣的問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提出的總結(jié)與建議，發(fā)現(xiàn)學(xué)生視角下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作的難度與困惑，通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、內(nèi)容有針對性地不斷完善，形成整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)。

3" 結(jié)束語

以對分課堂教學(xué)法為基礎(chǔ)，提出融合對分課堂教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以工程教育理念為指導(dǎo)，構(gòu)建機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程體系，采用“講授+討論+實(shí)踐”的模式，更加注重學(xué)生的認(rèn)知驅(qū)動(dòng)以及自我提高驅(qū)動(dòng)力，把知識、素質(zhì)、能力培養(yǎng)滲透到不同實(shí)驗(yàn)階段。經(jīng)過參與、探索、溝通及反思多個(gè)環(huán)節(jié)，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考與探索，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、創(chuàng)造力、溝通力等未來核心競爭能力，對提高學(xué)生的工程意識和工程創(chuàng)新能力起到積極的推動(dòng)作用。本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在機(jī)械原理課程的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了實(shí)踐，其他演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用本方法時(shí)，可根據(jù)課程特點(diǎn)、學(xué)情及實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

4" 參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃“高分辨率光譜儀微小型化關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：22A416005）；河南省社科聯(lián)2022年度調(diào)研課題“專業(yè)課程的課程思政教學(xué)研究——以《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》為例”（編號：SKL-2022-921）；2023年度河南理工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革基金項(xiàng)目“機(jī)械類學(xué)科群異型學(xué)位點(diǎn)協(xié)同建設(shè)探索與實(shí)踐”（編號：2023YJ12）。

作者簡介：吳雪峰，通信作者，博士，講師；范玉、周洪亮，博士，講師。