机械原理课程的翻转课堂教学模式研究与实践

丁瑞华

摘要：翻转课堂教学是一种新型的教学模式，课前自主学习和课堂上的互动交流环节可以提高学生学习的积极性与主动性，加深学生对知识的理解和掌握，从而达到预期的知识目标、能力目标和情感目标。本研究以凸轮轮廓曲线的设计为案例对机械原理课程的翻转课堂教学模式进行了研究与实践，实施过程分为教师制作微视频、学生自主学习并提出问题、课堂解决疑问并提出新问题、分组讨论解决新问题、教师总结和评价等五个教学环节。实践结果表明，翻转课堂与传统课堂相比能取得更好的教学效果。

关键词：机械原理；翻转课堂；教学实践

一、研究背景

传统教学模式是教师在课堂上对知识进行讲解，在课后布置一定量的作业要求学生完成。这对于专业课程中原理、概念、圖表以及公式等非常多的机械类专业学生来说，通常他们会感觉枯燥、抽象，有时甚至会产生强烈的抵触情绪。另外，由于存在着严重的作业抄袭现象，任课教师也无法有效地判断学生对知识的理解和掌握程度。为改变这种教育现状，培养社会需要的应用型机械人才，国内很多高校对机械类专业课程的教学模式进行了改革，近几年风靡全球的翻转课堂教学模式也逐渐应用于机械类专业的各门课程的教学中，且取得了一定的成效。

但是在这些研究成果中，笔者并未发现针对机械原理课程的翻转课堂教学研究。机械原理作为机械类专业一门重要的专业基础课程，在基础课程和专业课程之间起着承前启后的作用，为学生将来从事机械方面的设计、制造、研发工作奠定了重要的基础，该课程的学习效果，直接影响到后续专业的学习与学生创新能力的培养。为了使该课程达到较好的教学效果，有必要对该课程的翻转课堂教学模式进行探究。

二、翻转课堂教学模式简介

所谓翻转课堂，是指在信息化环境中，教师提供以教学微视频为主的教学资源，学生在课前完成对教学资源的自主学习，教师和学生在课堂上一起完成答疑、协作、探究和互动交流等活动的一种新型教学模式。这种教学模式是对传统教学模式中课上教学、课下作业方式的整体翻转。学生从被动地听教师讲课的接受者，转变为主动提出问题并与他人共同解决问题的研究者。

由于在翻转课堂教学模式里，学生在课下提前自主完成了课程内容的学习，在课堂上是带着问题去学习、讨论和研究的，因此，学生注意力会非常集中，大脑会积极主动地处理自己以及同学提出的问题，并竭尽全力得出自己的结论。这种教学模式能充分调动学生学习的积极性，而且这种教学模式可以将教师从反复的讲解和示范中彻底解脱出来。这样的教学模式特别适用于理论课时在逐渐减少的应用型高校的教学。

三、翻转课堂教学案例

当然在机械原理课程中并不是所有的章节都适合采用翻转课堂教学，一般翻转课堂教学模式和传统教学模式是共同采用的。以许昌学院电气（机电）工程学院为例，学院机械原理课程组对该课程中“平面机构自由度的计算及需要注意的事项”“铰链四杆机构的基本知识”和“凸轮轮廓曲线的设计”等几节内容进行了翻转课堂教学研究与实践。笔者在这里通过“凸轮轮廓曲线的设计”一节来说明翻转课堂在学院机械原理课程教学中的实施过程。

（一）教师录制微视频

对“凸轮轮廓曲线的设计”一节，教师共录制了三段微视频，分别是：“反转法原理”，时间为5分钟；“作图法设计偏置直动尖顶推杆盘形凸轮廓线”，时间为7分钟；“解析法设计偏置直动滚子推杆盘形凸轮廓线”，时间为8分钟。教师将录制好的微视频和制作好的课件等通过班级QQ群发送给学生。

（二）学生自主学习并提出问题

学生在课前通过微视频等教学资源自主学习该节内容，了解到根据不同的运动规律要求对不同推杆的凸轮廓线进行设计的方法。通过学习，学生会产生各种疑问，班委将这些疑问汇总后统一发送给教师。这一环节学生提出的主要问题有：第一，设计凸轮机构与设计连杆机构所采用的反转法有何异同？第二，作图法设计凸轮轮廓曲线的思想可用于设计摆动推杆凸轮机构吗？第三，解析法设计凸轮机构时偏距e在什么情况下为正，什么情况下为负？

（三）课堂解决疑问并提出新问题

在课堂上，教师首先预留出15至20分钟的时间对学生自主学习时提出的疑问进行解答，以提高学生对基本内容的掌握程度。比如，上文的第一个问题，教师的解释是：凸轮机构和连杆机构都采用反转法设计，都是让某一个运动构件作为新的机架而静止不动，让原来静止的机架运动起来；不同的地方在于凸轮机构是为了让凸轮静止下来方便根据尖顶的轨迹画出凸轮的轮廓曲线，而连杆机构采是为了让活动铰链变为固定铰链，可以根据活动铰链的轨迹来确定固定铰链的位置。对于第二个问题，作图法不仅可以设计直动推杆的凸轮廓线，同样也适用于摆动推杆凸轮轮廓曲线的设计，只是在摆动推杆的盘形凸轮机构中，推杆的位移s改为角位移，行程h改为角行程。对第三个问题，当凸轮逆时针转动时，若推杆位于凸轮回转中心的右侧，偏距e为正，若推杆位于凸轮回转中心的左侧，e为负；若凸轮顺时针回转，推杆位于凸轮回转中心的左侧时，e为正，推杆位于凸轮回转中心的右侧时，e为负。

解答完这些疑问之后，教师会以教学课件中的图片、动画及部分文字为引导，介绍这节课的教学目标和教学要求，学生此时可能会提出更深层次的新问题，比如：（1）为什么可以将滚子推杆的滚子中心、平底推杆的平底与推杆导路中心线的交点视为尖顶推杆的尖顶？（2）对心直动推杆盘形凸轮机构如何设计？与偏置推杆盘形凸轮机构的设计相比是简单还是复杂？（3）滚子圆和直线簇的包络线是怎么画出来的？（4）用解析法写出的坐标方程中sinθ和cosθ该如何计算？（5）如何求平底推杆的速度？

（四）分组讨论解决新问题

针对以上问题，学生分组讨论、思考和解决，大家各抒己见。在此过程中，教师可给学生一定的提示与指导，加上同组同学的帮助，一般学生都能够顺利解决问题，更为深入地理解和掌握本节课的知识点。比如，对于问题（1），学生通过讨论知道了滚子中心与凸轮实际廓线的距离始终保持不变，作为推杆上一个固定不动的点，其轨迹就是推杆在复合运动中的轨迹，用光滑的曲线连接可得到凸轮的理论廓线。作一条与理论廓线相距为滚子半径rr的等距曲线，则得到凸轮的实际廓线，故滚子中心可看作尖顶推杆的尖顶。而平底推杆的平底与导路中心线的交点也是推杆上固定不动的点，得到它的轨迹后，可通过这些点作出一系列等长的代表平底的直线，作出该直线簇的包络线即可得到凸轮廓线。对于问题（2），学生会发现设计对心直动推杆的凸轮廓线时，推杆在反转运动中的导路方向直接通过轮心，比偏置直动推杆在反转运动中的导路方向始终与基圆相切作起来更简单。对于问题（3）和（4），经过相互提醒，学生会想到高等数学中包络线的定义和画法，会对切线方程的斜率及三角函数的求法有更深的理解。而对于问题（5），则是运用了前几章中讲的机构运动分析时用到的速度瞬心法。

通过分组讨论直至解决问题，学生了解了自己对已学知识的掌握程度，认识到学习到的知识都是有价值的。最让教师感到欣慰的是，学生在课堂上提出了应用虚拟样机技术来设计凸轮廓线。大家利用ADAMS软件建立了凸轮模型，并对其进行运动仿真，得到了推杆的速度和加速度曲线，完成了对凸轮机构的运动分析。

（五）教师总结与评价

学生讨论完毕之后，教師对整节课的知识进行梳理，对各小组出现的主要问题进行总结，对学生的表现进行点评，最后布置书面作业。课后教师会根据学生在课堂中表现和作业完成情况了解每一个学生是否真正掌握了该节课的内容，是否达到了预期的教学目标，并给出每个人的综合成绩作为平时成绩的一个依据，与期末考试成绩分别按一定比例计入该课程的总评成绩。

四、翻转课堂教学存在的问题

（一）教师方面

翻转课堂要求教师自己录制微视频并制作课件等电子资源，要求教师能在课堂上解决学生提出的各种疑问。这就需要教师不但具有娴熟的视频制作技巧，还要不断整理、丰富和完善电子资源，最重要的是要具有扎实的专业知识水平。但目前很多年龄稍大的教师不会制作微视频，而年轻教师又缺乏教学和工程实践经验，有时并不能够完整地解答学生的所有疑问，因此，教师也要不断地更新和充实自己的知识。

（二）学生方面

翻转课堂教学需要学生在课前通过教学资源进行自主学习，但目前并没有特别完善的手段去监督学生是否进行了学习，这就需要学生具有相当高的自觉性。另外，每个学生家庭经济条件不一样，有些学生没有自己的电脑，只能去收费机房进行学习，这给部分学生在经济上造成了一定的负担。

（三）教室方面

目前，学院机械专业教师仅有十五人，而学生人数已达上千，每位教师在近一百名学生合堂上课的情况下教学工作任务已经非常繁重，根本无法实现小班上课，而要使翻转式课堂教学达到最理想的效果，一个教室的学生最好不要超过二十人。

以上几点问题都使得翻转课堂在学校机械类专业各门课程的推广过程中受到一定程度的限制。

五、结束语

虽然翻转课堂教学存在一定的局限性，但与实践后取得的效果相比，利远远大于弊。对机械原理课程进行翻转课堂教学，增强了学生学习的积极性与主动性。学生有针对性地去讨论及解决学习过程中遇到的各种问题，有效提高了他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。另外，因为有了微视频等教学资源，对因事请假不能上课的学生来讲，也可通过这些教学资源自学而不影响后面知识的学习。总之，翻转课堂教学模式有助于提高学生对知识的吸收与掌握，解决不同学生的需求，极大地提高了学生的学习效率。在各高校都在向应用型院校转型发展的今天，翻转式课堂作为一种新型的教学模式，只要克服自身的局限性，是可以应用于课程的教学与学习的。

参考文献：

[1]代菊英，张蕉蕉，唐建，等.基于翻转课堂的机械设计基础课程教学研究与实践[J].科技创新与生产力， 2016， （10）.

[2]李洪洲，孙雪梅，王月，等.翻转课堂在机械制造基础课程中的教学应用[J].黑龙江科技信息，2015， （8）.

[3]刘悦.基于翻转课堂的《机械基础》课程教学设计[J].电子测试，2016， （20）.

[4]殷瑛.“翻转课堂”在机械制图课堂教学中的实践与研究[J].科技展望，2016， （6）.

[5]钟晓流，宋述强，焦丽珍.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究，2013，（1）.

[6]宋朝霞，俞启定.基于翻转课堂的项目式教学模式研究[J].远程教育杂志，2014， （1）.