基于TASP的“机械原理”课程教学研究

武红霞 陈江义 秦东晨

[摘 要] 在新工程教育与新工科建设的环境下，挖掘CDIO工程教育理念思路与主旨，分析BOPPPS教学模式核心要素，结合新工科教育目标，提出了适合郑州大学机械与动力工程学院自身学情的TASP教学模式。该教学模式将理论学习、知识检测、软件应用、项目实践作为必要环节，并紧密融合。采用此教学模式对机械原理教学目标进行重新定位，教学过程进行重新构建，建立了具体的、可衡量的学习目标和知识体系与创新能力融合的教学过程。教学实践表明，该教学模式使学生获得了系统的理论知识体系、工程实践能力和创新设计能力，培养了学生勇于探索和实践的科学精神，很好地提高了教学质量。

[关键词] 工程教育;教学模式;教学目标;机械原理;SLOs

[基金项目] 2017年度河南省高等教育教学改革研究与实践重点项目“在‘中国制造2025’和新工科指导下机械工程专业人才培养模式探索与实践”（2017SJGLX010）;2019年度郑州大学线下精品课程建设项目“郑州大学线下精品课程建设”（2019ZZUXXKC013）;2020年度河南省线上教学推动课堂改革项目“河南省本科教育线上教学优秀课程”（豫教〔2020〕13455号）

[作者简介] 武红霞（1974—），女，河南尉氏人，硕士，郑州大学机械与动力工程学院讲师，主要从事机械原理与机械设计理论研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）51-0146-04    [收稿日期] 2021-05-21

一、引言

为应对新一轮科技革命与产业变革，支撑和服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年教育部积极推进新工科建设。同年，麻省理工学院启动了新一轮工程教育改革——“新工程教育转型”（Emerging Engineering Education Transformation，以下简称EEET）计划。相对传统工科教育，新工科教育更偏重系统思维（微观到宏观）、问题导向、大工程观（从单纯技术扩展到社会人文）、解决复杂工程问题的能力。从培养偏技术型、应用型人才向培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才转变[1]。

目前，围绕新工程教育改革，出现了很多以“学生发展为中心”、以“成果为导向”的教育模式，被高校引入进行教学实践的有：以成果为导向的OBE教学模式[2]、以问题为导向的PBL教学模式[3]、能力驱动的CDIO教学模式，以及以学习目标达成为核心的BOPPPS教学模式[4]。

CDIO的全称为conceive（构思）、design（设计）、implement（实现）、operate（运作），是一种系统、全面的工程教育模式。基于CDIO理念的人才培养模式是“以产业需求为导向、以项目实践为主线、以创新意识培养为目标”的改革措施[5]。

BOPPPS教学模式以师生互动、学生参与为核心，对课堂教学过程进行模块化分解，包含导入（bridge-in）、目标（objective）、前测（pre-assesment）、参与式教学活动（participatory）、后测（post-assessment）、总结（summary）六个教学环节。该教学模式要求教师必须针对每次课堂教学开展学习目标设计[4]。

在一些教学经费充足、师资力量雄厚的高校，具備小班化授课和项目实践的条件，抽选部分班实行CDIO教育模式，但一部分高校处于专业教师少、大班授课、教学经费不足的情况，需要在此基础上探索适合自身学情的教学模式。

“机械原理”是机械类专业中研究机械共性问题的一门主干技术基础课。原教学模式存在教学目标不明确、授课形式单一、考核方式单一等问题，造成学生对课程不感兴趣，考前靠刷题、识记完成学习，完全无法体现学生的能力目标。本文结合郑州大学机械与动力工程学院机械原理教学的实际情况，挖掘和利用CDIO工程教育理念所蕴含的思路与主旨，分析BOPPPS教学模式核心要素，结合新工科的教育目标，将二者进行相互融合，提出了适合本校本院学情的TASP教学模式。在该教学模式中将理论学习（theory）、知识检测（assessment）、软件应用（software）、项目实践（projects）作为必要环节，并紧密融合。

二、建立指导学生的教学目标

原课程的教学目标以教师为中心，与学生的关联度并不高，课程目标中大多用了解、熟悉、掌握、理解和具有等目标不明确、不具体的词语说明对学生的要求，学生在课程学习中大多处于记住、理解这两个低阶学习层次[6]。新的教学目标契合“以学生发展为中心”的理念，强调高阶能力及情感价值的课程目标，把学生学习成果SLOs（student learning outcomes）作为一种预期的培养目标[7]。在新的TASP教学模式中，SLOs比传统目标更明确，更具有可操作性。SLOs采用反向设计，先确定课程体系的最终成果，依次倒推课程、单元、课堂的SLOs，将整个教学目标体系化（如表1所示）。新的教学目标遵循SMART原则，规定通过课程学习后应该取得的具体的、可衡量的成果。把教学目标“翻译”成学生的学习目标是重新定位的关键。

三、构建知识体系与创新能力融合的教学过程

在TASP教学模式中，理论学习是教学设计的主体，项目实践是教学设计的核心，知识检测和软件应用是辅助工具，四个教学环节围绕学习目标进行设置，促成学习目标的达成。项目实践是真正让学生对所学知识进行具体运用和创新的关键，贯穿整个教学环节，但并不等同于项目式教学，而是把建立系统的专业知识体系作为教学主体，项目实践与理论知识体系相融合，并相互支撑，如图1所示。

系统的知识体系能使学生从宏观上掌握专业理论知识，有助于学生进一步深造。项目实践把理论知识与实际工程紧密联系起来，既锻炼了学生解决实际问题的工程实践能力，又启发了学生对理论知识进行更为深入的探究与思考，培养和提升了学生的科研思维能力。

检测包括前测和后测。前测主要是了解学生的兴趣与先备知识，采用开放问题和提问应答的方式，以此确定哪些知识进行精讲，哪些知识进行粗讲。后测是为了验收学生的学习成果，检测本课堂设置是否达到了学习目标。后测采用课堂测试和课后作业两种形式：一是使学生对知识体系的掌握程度进行具体量化的自我评价;二是教师及时获取学生的反馈信息，以调整后续教学活动，以更好地达到学习目标。

随着工程软件工具的功能越来越强大，虚拟设计与仿真成为产品设计中必不可少的环节。在机械工程专业，几乎每门专业基础课都有相对应的专业软件。Adams虚拟样机可以更加方便地对机构进行仿真模拟和性能分析，使教学内容更为形象化和具体化。同时，学生结合具体的实践项目进行虚拟样机的建立和仿真分析，也使学生具有了使用先进设计与分析工具的能力。该教学环节既解决了经费和师资匮乏的问题，又培养了学生的工程实践能力。

四、教学案例

机械原理课程的主要内容是对常用机构进行深入的研究和探讨，下面以平面连杆机构为例进行教学设计。

（一）理论学习和知识测试

课前在学习通发布学习目标和课前测试，课前测试以问题的形式呈现，学生可以带着解决问题的想法去听课和自主学习。课前测试题：哪些机械中用到了连杆机构、连杆机构有哪些特点、连杆机构有哪些类型、如何分析连杆机构的运动特性、如何分析连杆机构的传力特性。

理论学习采用课堂讲授和课下自主学习两种形式，课堂讲授参考课前测的反馈信息，以问题的形式进入连杆机构运动特性和传力特性的课堂教学，以曲柄摇杆机构为例进行课堂讲授;以任务驱动启发学生深度思维探索，引导学生运用所学理论对曲柄滑块机构和导杆机构进行探究分析;以互动讨论激发学生的兴趣，帮助学生建立系统的知识体系。在课堂中设置随堂测试，及时获取学生的学习成果信息，对出错人数比较多的知识点进行重点讲解。

（二）软件应用和项目实践

考虑到学生之间的差异，将牛头刨床机构作为课堂知识体系实践的主项目，学生进行机构方案设计，用Adams对所设计方案建立虚拟样机模型进行运动分析和传力性能分析，对不同方案进行对比评价，确定最佳方案。能力比较好的学生可以根据自己的兴趣进行市场调研，自立题目，例如：仿生机构设计、服务机器人、康复机器人、智慧家居等。学生需要完成机构的概念设计，建立Adams虚拟样机模型并进行仿真分析，研制实物样机模型并进行功能验证。

软件应用和项目实践将机械原理的基本理论知识和现代机械产品的机构设计有机融合，以学生为中心，既满足了学生的共性学习目标，又可兼顾学生的个体差异，培养学生的创新思维、实践能力和团队合作能力。学完课程后学生应具备把实际问题抽象成理论问题，然后应用课程理论知识解决实际问题的能力。

五、结语

经过近两年的实践，以“学生发展为中心”的TASP教学模式既能很好地帮助学生建立系统的专业知识体系，又能更好地培养学生的科研思维能力、软件应用能力、工程实践能力和创新设计能力;既满足了学生的共性学习目标，又兼顾了学生的个体差异。教学过程也更能启发学生进行思维探索，激发学生的学习兴趣，并取得了比较好的效果。该届学生在国家级创新大赛和机器人大赛中获奖13项，在省级创新大赛中获奖5项。

一流课程建设是一个艰巨的任务，还需要进一步的探索和实践，持续改进，以达到更好的学习效果。

参考文献

[1]贾卫平.工程教育认证背景下的应用型机械类人才工程能力培养体系的构建[J].实验技术与管理，2015，32（1）：38-40+47.

[2]刘小勇，李荣丽，杨慧香，等.新工科背景下基于OBE理念的机械原理改革研究[J].机械设计，2020，37（S2）：23-26.

[3]董康兴，尹义方，宋微.“CDIO+PBL”教学模式在机电一体化课程教学的应用[J].机械设计，2018，35（S2）：253-254.

[4]曹丹平，印兴耀.加拿大BOPPPS教学模式及其对高等教育改革的启示[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：196-200+249.

[5]赵志瑛，韩素青，穆晓芳.CDIO工程教育理念下的大学生创新训练项目选择与运行研究[J].教育理论与实践，2018，38（12）：20-22.

[6]巩建闽，萧蓓.课程大纲制订给谁看——论学生中心理念的落实[J].高等工程教育研究，2020（3）：143-150.

[7]鞏建闽，萧蓓.谁来制订课程大纲——兼论OBE人才培养方案设计[J].高等工程教育研究，2020（4）：180-187.

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