基于慧鱼模型的线上线下混合式实验教学模式探索

刘津彤， 刘春宝， 赵大威， 王志琼， 周淑红

（吉林大学机械与航空航天工程学院，长春130022）

0 引 言

机械类专业作为传统学科分类中工科的重要组成部分，在新形势、新环境、新需求下，专业改革正当其时［1］。本专业实践性强，实验教学对于学生实践能力提升、创新精神培养发挥着极其重要的作用［2-3］。传统实验体系中多为单一性、验证性实验，体现为实验缺乏多学科知识的关联交互，实验内容固定、受众面窄，以及实验教学手段单一等，综合性、开放性、创新性实验占比较低［4-6］。无法满足新工科对高校人才培养提出的要求。

“慧鱼创意组合模型”是工程技术型模型，是展示技术过程的理想教具，是创新能力训练开发的有效载体，因此将“慧鱼创意组合模型”引入本科生实验实训教学体系十分必要［7-8］。目前，我校国家级机械基础实验教学示范中心已经为机械类和近机类本科生开设“慧鱼创意组合模型”综合实验项目，已列入独立设课的本科生必修课程“机械工程综合实验Ⅰ”［9］。该项目以完成能够实现特定功能的自动化机械模型搭建和运行为任务导向，促使学生综合运用机构运动和设计原理、传感技术、控制理论等机械工程基础知识，认识并理解机电一体化的概念，掌握机械系统运动方案设计方法，提升创新意识，提高识别和解决复杂工程问题的能力。但随着该实验项目的开设，课上课下的实验效果反馈不佳，实验预期目标未能良好达成，总结分析原因主要有：

（1）模型价格昂贵且维护成本高，模型台套数不足，实验场地有限；

（2）受限于必修课程有效学时，实验项目内容相对固定，制约了学生自主创新能力的培养；

（3）实验教学手段单一，缺少预习平台，传统实物平台已无法满足新时代对创新的期望和要求。

立足新工科人才培养要求，为提高学生实践能力和创新精神，以在实验实训中发挥重要作用的“慧鱼创意组合模型”实验项目为改革对象，基于成果导向教育（OBE）教学理念，开创能够梯级培养学生创新能力的开放性实验项目，同时于实验教学环节引入数字化设计技术，探索一种线上线下相结合的梯级层次化、自主开放、个性智能的混合式实验教学创新模式［10-11］，线上线下实验相互依存相互补充，发挥各自优势从而提高“慧鱼创意组合模型”的利用率，延伸实验教学的时间和空间，拓展实验教学内容的深度和广度，改善实验教学效果，提升实验教学质量。为学生创造良好的、适应人才培养新要求、大学生成长新特点、信息化时代教育教学新规律的创新实践平台与环境奠定基础。

1 慧鱼创意组合模型简介

1964 年，慧鱼集团创始人ArturFisher博士在其专利——六面拼接体的基础上，发明了“慧鱼创意组合模型”。模型由基本构件组合而成，可实现多种工程技术过程的还原，为创新教育和创新实验提供了有效载体，近年来被众多高校应用于创新实验的开发。

（1）模型零部件分类。模型零部件主要分为机械零部件、电气元件和气动元件3 部分，如图1 所示。

图1 模型零部件分类

（2）零部件连接方式。采用燕尾槽插接方式连接，可实现六面拼接、多次拆装。

（3）模型控制方式。采用计算机控制或可编程控制器（PLC）控制。采用计算机控制方式时，将模型通过接口板与计算机连接，利用慧鱼公司提供的编程软件或高级语言编制程序控制模型。

2 混合式实验教学创新模式构建理念

2.1 实验教学手段改革

数字化设计是机械产品设计的重要手段，同时也是实验教学的重要手段［12-13］。在实验教学环节引入数字化设计技术，开发数字化实验平台，能够补充并完善传统实物实验的不足，同时提高学生学习积极性，激发学生创新的欲望。

实验教学手段方面——建立线上线下相结合的实验教学创新模式，将“慧鱼创意组合模型”开放性实验项目分为3 个阶段实施：数字化实验-开放性实物实验-实验考核及成绩评定。实验实施过程如图2 所示。

图2 实验实施过程

混合式实验教学创新模式可实现：①以年级为单位，学生自由组队、自主选题；②实验教学的时间、空间得以延伸；③以学生为主体，教师加以启发指导，学习由被动转为主动；④考核方式多样化；⑤为科研创新提供平台。

2.2 实验教学内容改革

成果导向教育（Outcomes-based Education，OBE）教学理念为实验教学内容改革指明了方向，将实验总目标（匹配学生毕业时应达到的部分能力）划分为由浅入深的阶段性目标，以学习成果为导向设计科学合理的实验教学结构框架、教学方法和教学内容。

实验内容方面——根据慧鱼模型特点、机械类专业学生各年级学习特点和知识结构，基于OBE教学理念，探索梯级培养创新模式［14-16］，设计能系统、有层次地培养学生创新能力的开放性实验项目，如图3 所示，使学生的工程实践能力和创新能力在梯级实验教学中得以循序渐进地提升。实验项目内容如表1 所示。

图3 梯级培养创新模式

表1 梯级培养实验项目内容

3 数字化实验

数字化实验通过程序编辑以文字、图片、动画、虚拟操作等形式实现实验教学内容的展示与操作。由实验预习、虚拟搭建与运动仿真两大模块组成，如图4所示。

该环节是对传统课前培训、专题讲座、课上指导的补充，数字化实验没有专业、年级、时间及实验资源等的限制，为后续进实验室实验奠定基础。

3.1 实验预习模块

图4 数字化实验模块

实验预习模块分为模型简介、编程软件、实验内容、实验步骤、模型视频和零件库6 方面内容。模型简介以文字、图片等形式介绍慧鱼模型发展历史，模型系列，模型零部件分类、零部件连接方式及模型控制方式，模型应用等；编程软件介绍ROBO Pro 软件所有功能模块的操作说明；实验内容介绍梯级实验教学各阶段实验项目内容，包含一系列典型慧鱼模型主题以及阶段性实验培养目标等；实验步骤和模型视频以文字、图片、声音和动画等形式对典型慧鱼模型搭建及运行过程与注意事项进行详细说明，具体包括模型主题确立、模型工作原理、实验方案设计、模型结构设计、电路控制设计与编程等环节；零件库包含典型慧鱼模型零部件的三维立体模型。

3.2 虚拟搭建与运动仿真模块

学生通过实验预习，选择与自身年级匹配的实验内容，选用给定的模型主题或确立新的模型主题；进而根据模型工作原理进行实验方案设计，完成机械、传动结构的概念设计；最后调用零件库中慧鱼零件进行装配和运动仿真分析。反复上述过程直到模型运行性能满足预期设计要求，具体流程如图5 所示。

图5 虚拟搭建与运动仿真流程图

4 开放性实物实验

学生做完数字化实验后，最后到实验室进行实物实验，在此环节教师给予适当的学习引导。根据数字化实验设计的模型结构，搭建慧鱼创意组合实物模型，编写控制程序实现模型运动，验证运动仿真设计的正确性，进一步强化学生的工程实践能力，如图6 所示。

5 实验考核及成绩评定

梯级实验教学各阶段适用于不同的学习对象，旨在取得的学习成果也具有一定的差异性。因此，应当探索多样化的考核方式。基础培养和提升培养阶段，在开放性实验课堂上，实验教师根据相应考核侧重点给予实验操作成绩，如实验预习情况，实验方案设计，模型搭建过程，问题分析与解决，模型展示与运行等环节。课后，学生根据相应培养阶段的实验报告要求撰写并提交实验报告，教师批改并给予实验报告成绩。两部分成绩加权构成学生最终实验成绩。综合培养和自主创新培养阶段，还应设置阶段性检查，答辩验收等考核方式，综合评估、考量学生的实验完成情况。

图6 开放性实物实验

6 结 语

以“慧鱼创意组合模型”实验项目为改革对象，深度融合数字化设计技术，探索基于慧鱼模型的混合式实验教学创新模式。教学手段方面建立线上线下相结合的实验教学模式，延伸实验教学的时间和空间。学生利用数字化实验资源充分进行实验预习准备、虚拟仿真设计工作，最后到实验室进行实物实验；实验内容方面采取基于OBE教学理念的梯级培养创新模式，拓展实验教学内容的深度和广度，系统、有层次地培养学生的工程实践能力和自主创新意识，从根本上实现实验教学改革。在此基础上，借助学校国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心打造的虚拟仿真实验教学平台，全面、系统地开发基于慧鱼模型的开放性、数字化实验平台，形成共享特色性虚拟仿真实验项目。实现与校内其他专业、其他高校以及所有对该实验项目感兴趣的人员的资源共享，扩大受益面。