类型教育背景下的数字化教材建设实践 ——以《机械基础》教材为例

孟莹，李圆圆，刘书利，江南

（昆明铁道职业技术学院，云南 昆明）

一 引言

数字化教育一直是近年来教育行业的热点问题，同时更是实现《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出的基本实现教育现代化目标的关键[1]。而数字化教材则在数字化教育的过程中扮演着不可或缺的重要角色。它可以综合运用各种媒体并发挥其各自优势, 形成媒体间的互动,并强调各种媒体的一体化教学设计, 激发学生的学习兴趣[2]。

随着职业教育体系的不断完善，其上下联通、左右贯通使得更多的人看到了职业教育作为一种类型教育独立存在[3]。中国已经迎来了教育转型的关键时期。经过早年探索和实践，中国在数字化教育和数字化教材领域的发展有目共睹。但是在行业高速发展的同时，具有先天优势的信息技术产业领跑，高新技术产业为支柱的发展方式，使得专业基础课程领域的数字化教材水平落后于前者，职业院校对于优质数字化专业基础课程资料的需求更是迫在眉睫。

二 编写背景

在类型教育的背景下，职教教材的根本指向在于教材所代表的技术技能如何在现实中得以实现，所以职教教材的有效性、指导性、一般性是职教教材的建设重点[4]。而职教教材的学习者大多是以即将走向生产一线的实践者为主，这就要求所赋予的技术学习要有现实价值，能够帮助学习者尽快由“学习者”向“生产者”进行角色转换。

机械基础作为传统学科是机电类专业主要的基础课程之一，其课程影响范围覆盖轨道交通、汽车车辆、数控机床、机械工程设计等细分专业学科，在学科体系中起到了承上启下的重要作用。

笔者从事机械基础教育20多年，课程教学内容经历了从手工制图到数字制图的转变，深刻意识到教学体系应该具有随科学技术发展进行不断深化改革的重要性，职教教材作为技术学习的主要载体，应反映技术发展的历史，并以此为出发点开展教材编写工作。

目前教材市场上的《机械基础》或《机械设计基础》虽然对该课程的数字化进行了探索，多以二维码结合移动设备的形式加以展现，采用AR（Augmented Reality增强现实）技术打造教学环境，但所呈现出来的资源不足以满足教学要求。而我校所开办的专业是铁道运输类和城市轨道交通类的相关专业，人才培养目标要求通过这门课程的学习学生需具备设计简单机械的能力，而市场上的教材在内容编排上缺乏机械设计这一环节。真实、立体、全方位对课程内容的机械模型及设计运动原理进行观察学习是课程特性对教材提出的刚需。基于教材市场现有教材不能满足教学需要的情况及高职高专教材对于前瞻性设计的需求特征，教学团队对《机械基础》进行了编写。

三 应用环境

《机械基础》教材针对机电类一年级下学期的学生进行课程设计，其课程开设目的在于将一年级学生从高中阶段的普适化教育向专业化教育进行引导，并作为后续专业课程的重要衔接环节。

作为一年级学生最早接触的技术课程之一，教学过程中学生普遍存在好奇、疑惑、恐惧、逃避甚至是厌恶的情绪反馈，为了满足学生对于课程内容的探索意愿，缓解学生对于陌生课程内容的逃避情绪，通过原有教学经验的累积，在现有的硬件条件下形成了现在图文教学为主、模型实操为辅的教学模式，并取得了一定成效。这种传统的教学模式虽然能够在一定程度上帮助学生更快、更容易地接受课程内容，但是仍然存在诸多问题。其中学生人数众多，硬件空间有限是这些问题的关键。

机械类课程不同于其他学科，属于技术知识，具有实践性与“默会性”。技术知识的习得与发展重在实践体验, 要求在“做中学”、在“学中做”。其课程重视动手实践和解决问题的能力培养，使得课程包含大量的实践环节。在传统教育模式下，最具教学效果的模型实操由于空间时间限制，多数情况下仍然只能停留在教师演示或轮流操作的阶段。这样就导致了学习时间成本高，参与程度低，课后复习难的情况。而《机械基础》的编写则将以传统教学所遇到的问题为切入点，以国家大力发展建设现代化教育为契机，着力解决这些问题。

四 内容制定

作为职业院校，教材内容的选取既要体现作为知识体系的基础性、必要性, 又必须关注专业学习的现实需求, 为专业学习的应用做好知识储备[5]。所以教材内容的选择就不能是简单的增减变化, 要尽可能体现出职业教育特色，加强对学生进行自主学习能力和创新能力培养方面的内容。该版《机械基础》为适应我国轨道类高等职业教育教学编写。教材在编写之初首先通过资料收集法，深入专业教研室，对专业组机械基础课程的要求进行调研，同时深入企业，了解岗位能力对课程内容的要求，明确课程的现状和要求；其次通过文献法，通过网络、图书馆、相关学校和企业等途径，查阅各种对教材编写有价值的文献资料，借鉴优秀的课程设计的教学模式；然后通过教育经验总结法，通过组织教师一起讨论、分析、总结多年的教学经验，找出课程的规律和辅导方式方法，使之系统化、理论化，上升为经验并初步形成教材体系；最后通过头脑风暴，结合市场和企业的岗位能力需求，借鉴其它专业的经验，分析本学科的实际情况，提出尽可能多的设想并进行决策，形成了课程内容的框架。

全书根据“知识维度”和“认知过程维度”分为工程力学、机械原理与机械零件、机械设计三个篇章，由静力学、材料力学、机械系统常用运动机构、螺纹连接与螺旋机构、机械传动、轴系零部件、机械的润滑与密封、减速器设计八个单元组成，这些单元再通过学习情境的方式分割出三十二个学习情境。每个学习情境都先告知该学习情景的学习目标，让学习者了解本章节所要学习的内容，明白通过学习所要达到的目标，然后提出问题，引导学生思考，让学生带着探究的心理进入到学习状态中。

课程的核心主旨是以培养高素质的应用型、技能型人才为目标，紧抓高职高专学生特征，从突出机械类学生注重实际操作，培养动手解决实际问题的能力出发，创新将“真题真做”的课程方式运用到教材编撰当中。

“真题真做”早在20世纪80年代就曾被提出，经过三十余年不断探索，其模式在设计教育领域的先进性和前瞻性已经被证明。“真题真做”是指在真实存在的课题下，将教学融入到设计项目当中，在培养学生实践能力的同时提升专业水平。通过“真题真做”将学生带入到具体课程当中，通过课程的设计进行引导，使学生在动手实践的过程当中切身体会专业知识，培养解决问题的能力，并从单个课程题目当中进行发掘学习，最终在教材内容引导下发现单一课题与整个学科之间存在共性，进而达到学以致用、融会贯通的目的。

教材采用“真题真做”的编排方式，一方面意在解决传统教育中“去语境化”的设计教学弊端，为学生创造真实设计需求及学习情境。另一方面，通过结合数字化教材，也使得“真题真做”成为一种可能。这也使设计实践训练不再“纸上谈兵”，解决了过去设计实践“一个人在做，一群人在看”的教学难题，可以说是现代化教育的推进赋予了“真题真做+数字化教育”成为一种现实的可能。在课程的编撰过程当中，笔者选择了“一级直齿圆柱齿轮减速器的设计”作为课程主线，其意在该部件设计所涉及的知识点繁多且全面，整个设计流程和课程难度与高职高专学生特点相切合，设计过程当中理论知识与职业技能相辅相成[6]。通过减速器设计课题的进行，在向学生阐释专业性理论知识的同时，兼顾学生解决问题能力的培养，为后续专业课程打下基础。

在教学内容的设计上，从“工程力学”中的受力分析、强度校核，“机械零件”中的“机械传动”、 “轴系零件”，到“机械设计”中的“机械的润滑与密封”等都围绕着“一级直齿圆柱齿轮减速器的设计”，贯穿在这一主线上，使得整个课程的教学内容有了连贯性。同时在教材的编写过程中很多内容都要从“一级直齿圆柱齿轮减速器的设计”这一目标结果逐级反推回来，这就对编写者提出了较高的要求。编写者必须熟悉整门课程的知识结构和内容特点，课程在设计上本着懂方法、重应用的总体思路，突出体现应用性、技能型特色，着重培养学生的实践应用能力，力求达到理论方法够用，技能过硬的目的[7]。同时还必须考虑到高职学生逻辑计算能力相对较弱的特点，对计算部分的推导过程弱化，重在结果的应用。

在“机械原理”的内容设计上，案例分析讲解尽量与专业衔接，以实际专业生产工作中的部件作为蓝本，如“高速铁路牵引供电系统中接触网的受电弓”、“地铁的塞拉门” 等，通过这些结构件的应用，使学生通过课程学习，理解相关机构的工作原理。当专业课上对其结构进行深入研究，学生就能很快地反应出它们是如何实现相应动作的，从而解决了专业课程中相应机构工作原理分析的问题，为学生今后的横向和纵向发展、知识迁移提供了基础保障。

建构主义认为，学习环境是学生可以在其中进行自由探索和自主学习的场所[8]。而数字化资源的开发利用充分体现了学习以学生为中心，学习是个性化的，能满足个体的需要。然而，缺少教学设计的媒体是缺少生机的，不同类型的课程需要使用不同的媒体去表达其教学信息，这样才容易实现它的教学目标[8]。针对课程特点，全书与教材用图相匹配的数字资源全部以AR方式呈现，其中三维动画39个，原理演示视频8个，微课视频多个（根据课程进度实时更新）。教材中数字资源采用AR呈现手法相比传统教学，为学生提供了更多的互动可能。其中AR与三维动画模型素材结合，使模型可以随时随地调用查看，根据不同需求通过交互旋转开合拆卸，全方位直观展现内容。而原理视频和微课则可以随时回放课堂内容，帮助学生查缺补漏。数字化资源的制作，是以多年教学经验为依托进行归纳的重点、难点内容，借助出版社现有成熟的技术手段，最终实现全书重点、难点内容数字化。由于《机械基础》课程的特点，既有“理论计算”、“工作原理与运动分析”，又有“结构组成”。针对不同的难点和知识点，“理论计算”部分多以制作微课和视频录像呈现，通过在线学习的方式反复学习和反复观摩教学，同时，还能弥补学校课时不足的问题（图1）；“工作原理与运动分析”部分多以二维动画形式呈现其工作原理及运动特性，化抽象为直观的具象（图2）；“结构组成”部分则借助于三维动画的方式展示其结构的构造和操作步骤，并借助AR增强现实技术实现人机交互功能（图3）。

同时，数字化教学素材还将囊括教学大纲、习题试题库及答案、课程电子教案、课程PPT、微课、小视频、flash动画、三维动画等，这些教学素材将通过互联网在线平台“学习通”结合移动端设备给予呈现。该方案的使用效果在现有的数字化教材上得到了广泛证实，届时将极大程度提升学生课堂参与度，降低学生课后复习难度，有效利用学生的碎片化时间，提高学习效率。通过系列化的教学体系构架，将构建立出一套完整的数字教材体系。

图1 低碳钢拉伸变形的应力-应变图

图2 四杆机构的演化

五 总结

随着基本实现教育现代化的目标进入关键时期，填补上机械类专业基础课程数字化教材空缺的工作也迫在眉睫，笔者自2017年底开始着手《机械基础》数字化教材的编写工作，该教材已于2019年7月由西南交通大学出版社出版。教材将着力解决本文所论述的教学问题，同时也将通过实际反馈对教材的数字化内容进行进一步的更新及完善。

图3 一级直齿圆柱齿轮减速器