《机械原理及设计》课程线上线下混合教学模式的建设与实践

高志慧，郭卫东

（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京）

一 引言

北京航空航天大学开设的《机械原理及设计》课程是一门培养学生工程思维和机械创新设计能力的技术基础课，是工科机械类系列教学的主干课程，包含机械原理和机械设计两部分内容。该课程具有以下特点：（1）课程内容涉及广泛的理论基础知识，包括理论力学、材料力学和工程图学等课程。（2）该课程是一门理论与实际紧密结合的课程，具有很强的工程应用背景，是机械类专业课的基础。与机械类专业的专业课相比，具有更广泛的适应性和通用性。（3）课程内容繁多，但授课时间有限。按照传统的线下课堂教学模式，在有限时间内，实现学生对课程知识全面地吸收、消化和应用存在较大的困难，不易形成系统和完整的工程设计理念。因此，有必要对本课程的教学模式进行改革。

随着信息技术和网络的迅猛发展以及教育的进步和教学理念的更新，应用网络技术进行课程在线教学的方式和方法得到越来越广泛的应用。特别是面向学生自主学习平台（例如MOOC）的迅速发展，在一定程度上引发了对课程的教与学的变革，随时、随地、无限次的聆听教师的授课已成为现实，如何来迎接这一新的教学理念、新的教学方式和方法，如何对课程进行建设和改革，以适应“新工科”人才的培养目标，是教师们面临的巨大挑战。为了迎接这种挑战，各高校纷纷对教学模式进行了改革与创新，其中线上线下混合式教学正在成为高校培养人才的典型新模式[1-3]。该模式将学习过程划分为三个环节：课前知识准备、课中答疑解惑和课后知识巩固,其中课前和课后环节由学生使用在线学习平台完成，课中教师采用传统教学模式答疑解惑[4]。在此模式中，学生为教学主体，教师为引导者和指导者，将课堂上教师的主导作用与网络化教学中学生的学习主动性、积极性和创造性等优势结合起来，大大提高了课堂效率[5-6]。

二 线上线下混合教学模式的建设

《机械原理及设计》为一门理论与实践紧密结合的课程，理论知识是实践设计的基础，实践设计能力的培养与提高是本课程的教学目标。据此，制定了线上教学与线下课堂教学相结合的混合教学模式（图1），通过精心设置线上线下教学内容和教学资源，实现线上线下教学互促、优势互补，以提高课程的教学效率和质量。

图1 线上线下混合教学模式

(一) 课前基于SPOC 线上自主学习

基于北京航空航天大学机械原理及设计教学团队录制的《机械原理及设计》MOOC 课程，创建班级专属的SPOC课程。学生根据教师布置的学习内容，在课前通过专属的SPOC 课程自主学习基础理论知识，初步掌握有关知识内容，为线下课堂研讨式教学做好准备。同时完成相应的章节测试，自行检查自学效果，通过纠错改错，加深知识的理解，并可以在讨论区对疑难问题进行研讨。另外，教师可以通过SPOC 平台随时查看每个学生的自主学习情况，并计入平时成绩。

（二） 基于云班课的线下课堂教学

在线下课堂教学中，改变传统教学中教师为主导者、学生被动地听和学的方式，而是以学生为中心”，采取“翻转课堂”的教学模式。教师通过课前学生自主学习记录，初步了解学生对基础知识的掌握情况，并以此为依据，规划课堂教学内容。在课堂学习中，首先对重点知识进行梳理，对疑难问题进行讨论答疑，实现对基础知识的加深和巩固。为了进一步提高学生对相关知识的理解，教师课前收集和设计由易到难、由浅入深的相关机械问题，并在课堂教学中适时把这些机械问题提供给学生，由学生自由讨论、头脑风暴、探究解决问题的方法，激发学生参与问题讨论的积极性和主动性，培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生的思辨能力和创新能力，实现课堂基础知识的拓展和延伸。另外，在云班课中设置大量的“随堂测验”题目，实现每次课堂知识必检查，并把测试成绩记录为一项平时成绩。

（三） 课后作业和基于团队协作的工程项目实践

课后完成作业和工程项目实践活动，进一步加深对知识的理解和拓展、提高团队协作能力和工程设计能力。特别是在工程项目实践活动中，要求学生以团队的形式根据设计任务完成“机械总体方案设计与选择”→“执行机构运动方案设计及分析”→“执行机构和传动装置结构设计”的整个设计过程，如图2 所示。通过工程项目实践活动、学生团队协作，对所学知识进行整合梳理，掌握一般机械产品的设计过程，建立机械设计的系统性和完整性概念，熟悉和初步掌握先进的设计与分析技术，将先进技术（虚拟样机技术、有限元技术）与机械学经典理论有机结合，从而全面培养和提升学生的机械设计素质，培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。为学生后期机械专业课的学习打好坚实的理论基础和先进技能。

图2 工程实践项目训练

由此可见，在该教学模式中，学生的学习过程为 “知识的初步掌握→知识的巩固与加深→知识的实践与拓展”，为一种进阶式学习模式。改革的重点是将课程理论教学与实践教学相结合，培养学生动手实践、分析问题和解决问题的能力；将基础理论知识与项目实践锻炼有机结合，提高学生的机械系统创新设计能力，培养勇于探索和敢于创新的品质。

三 课程的培养目标

该课程的培养目标是以设计为导向，创建一个“以学生为主体，教师为引导者”的《机械原理及设计》课程教学新模式。培养具有扎实的基础理论知识、浓厚的自主学习兴趣、善于分析问题和解决问题、勇于创新，能够借助先进工程技术分析软件解决复杂工程设计问题的人才，满足新工科教育需求。为了实现该培养目标，需要对各教学环节进行周密地考虑和设计，各教学环节与课程培养目标的映射关系如图3 所示。

图3 培养目标

(一) 自主学习能力的培养

俗话说“活到老，学到老”。而传统的课堂教学是以教师作为整个课堂的掌舵者和中心角色，将书本知识比较详细化、系统化地传授给学生，学生处于被动的学习状态。当学生走出校园后，其学习模式为自主学习，因此在校园教学中就需要培养学生的自主学习能力。在本课程线上线下混合教学模式中，学生课前需要按照任课教师的安排进行自主学习，通过一段时间的锻炼，学生渐渐养成了自主学习的习惯，而且可以把自主学习拓展到其他课程，包括自主寻找学习资源、自主听课和练习，培养了学生的自主学习能力和终生自主学习的素养。

(二) 交流和思辨能力的培养

在传统教学模式中，由于教学大纲和教学计划的要求以及课堂时间的有限性，导致生生之间、师生之间互动交流的机会有限，学生课堂参与表现为“长于听、讷于言”。在线上线下混合教学模式中，可以提供更多的时间以供学生参与讨论或演讲，从而有利于培养和提高学生的交流表达能力和思辨能力。例如，在课堂讨论环节中，学生可以自由发言和讨论，特别是在工程项目实践活动中，设置了项目开题、中期检查和结题答辩等环节，要求学生以团队形式做PPT 并进行现场答辩，学生即是演讲者又是提问者，从而促进学生进行语音表达和交流。

(三) 团队协作能力的培养

古人云：“人心齐，泰山移”。团队协作是一切事业成功的基础，团队协作可以超越个体的局限，产生一加一大于二的效果。首先需要让学生认识到团队协作的重要性，其次是实现以团队协作形式完成任务。在工程项目实践活动中，同学们需以团队形式完成一个机械产品的设计和分析任务。在该过程中，通过共同学习，同学之间实现信息和资源共享，加大信息交流量，拓展每个同学思维的深度和广度，不仅可以激发每个同学的潜力，还能培养同学之间团结互助的协作精神和能力，从而促进同学之间的友情，提高工作效率和效果。

(四) 创新设计能力的培养

在完成工程项目实践活动中，同学们需要查阅相关的文献资源，利用已学的知识进行创新设计，从而实现基础理论知识与项目实践锻炼有机结合，提高学生的机械系统创新设计能力，培养勇于探究和敢于创造的精神。

四 教学资源的建设

(一) 机械原理及设计MOOC 课建设

根据机械原理及设计课程内容多、知识碎片化的特点，将课本内容分解为若干个知识点，每个知识点录制一段10~20 分钟的微视频，以便于学生可以利用散碎的时间完成各个知识点的学习。同时针对每个知识点设置随堂测试，让学生边学习边自我检测，及时了解学习效果。通过设计讨论题，以引导学生在学习中进行思考，参与讨论并留言，实现对知识点的拓展和延伸。另外，每章设置单元测验，检测学生对本章内容掌握的情况。

(二) 云班课的建设

本课程基于云班课平台进行线下课堂教学活动和管理，在云班课平台建设了丰富多样的教学资源和多元化的教学活动。教学资源主要包括参考教材、拓展微视频、机械设计趣味知识、机械工程案例设计图片或动画、优秀作业展示等模块；教学活动主要包括随堂测验、调查问卷、头脑风暴、作业的布置、提交和批改以及工程项目实践的开题、中期检查和结题等内容。经过两年多的努力，建立了387 项教学资源和192 项教学活动。

(三) 工程项目实践库的建设

由于《机械原理及设计》课程内容多，包括机构组成原理、常用机构运动分析与设计、机械零件强度设计、连接设计、传动机构设计、轴与轴承等。虽然各章内容比较完整，但是整体内容表现为碎片化，缺乏关联性，难以培养学生从宏观上掌握机械系统整体的设计思路和方法。另外，《机械原理及设计》课程的特色是理论与实践紧密结合，巩固、拓展和提升理论知识的最佳手段是实践，因此有必要根据课程内容设置合适的，具有一定挑战性的工程项目实践库。

教学团队老师根据多年丰富的教学和科研经验，从生活、工程和科研中挖掘难易程度不同的设计题目，供学生根据自身的情况进行选择。

五 课程评价体系的设计

为了促进学生的学习动力和全面掌握学生在整个学习过程中的学习效果，本课程实施学习过程评价体系，构建了“课前自主学习+上课出勤+随堂测验+ 课后作业+ 工程实践项目训练+ 期末考试”的评价体系。基于学校专属的“SPOC 课程”和“云班课”等现代化信息技术，记录每个学生在整个学习过程中每个环节的学习情况，整个评价过程透明、可追溯，便于学生和教师随时把握学生的学习进度和效果。此评价体系打破了某些学生“逍遥一学期，考前一突击”的传统观念，有利于培养学生脚踏实地、知行合一的学习习惯和专业素养。

六 教学实践及效果

2021 年春季，北京航空航天大学《机械原理及设计》课程采用了线上线下混合教学模式，经过一轮的教学活动，取得了一定的成绩，得到了一些经验，也发现了一些不足。

由于该教学模式是基于学生课前自主学习进行的，而且课程评价体系贯穿整个学期的每个教学环节，从而督促和激发了学生自主学习的积极性，培养了学生自主学习的习惯，有利于学生形成终生自主学习的素养。

在多元化考核模式下，学生出勤率大幅提高，基本达到整个学期全部出勤，且无迟到和早退的现象。另外，在课堂教学环节中，课堂讨论、随堂测试等环节促使学生全神贯注积极参与到课堂活动中，减少了上课思想游离的状态，提高了学生的学习兴趣和学习热情。

在工程项目实践活动中，同学们分组团队合作，查阅文献，利用现代化设计手段进行分析和设计，编写项目报告、制作PPT，进行项目汇报和答辩，并进行自评和互评。在此过程中培养了学生的创新设计能力、团队合作能力、语音表达能力和思辨能力，提升了学生全方位的素质。通过工程项目实践活动，同学们初步品尝到了付出的辛苦，也收获了成功的喜悦。

为了及时了解同学们对新教学模式的意见和建议，进行了数次无记名调查文卷活动。在初期阶段，同学们怀着懵懂和好奇的心情进行尝试，经过三、四周的锻炼，大部分同学适应了新的教学模式并且喜欢上了该教学模式，有少数同学对教学模式的态度是无所谓。同时，同学们基本都具备了自主学习的能力，此能力将会使学生受益终生。

另外，经过一个完整的教学实践活动，也发现了一些不足，主要体现在课堂某些教学内容的提炼精简程度方面。因为此部分教学内容是基于学生的自主学习情况确定的，而且学生的自主学习效果参差不齐，因此，为了满足绝大部分学生的需求，需要不断地根据学生自主学习情况对课堂教学内容进行改进和完善。

七 结语

《机械原理及设计》课程是一门理论与实践紧密结合的机械类技术基础课，是培养学生工程思维和机械创新设计能力的关键课程。在传统工科向“新工科”转型升级的背景下，根据本课程的特点和多年的教学经验，我校对该课程进行了线上线下混合教学模式的建设和实践。通过建设丰富的线上课程资源、多样化的研讨式课堂活动、具有挑战性的课后工程项目实践以及全方位、多元化的考核方式，促进了学生自主学习能力的培养，激发了学生的学习兴趣，提高了学习效率和教学效果。