“互联网+”和智能制造背景下“机械原理”混合教学改革研究

李 坚，黄晨华，龙 慧，唐 伟，李东畅，肖耘亚，吴伟辉

（韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512005）

“互联网+”自2015 年概念被提出后，以其智能信息技术的优势，在各行各业均引起了广泛关注和应用。其中，如何充分依托“互联网+”技术在高校机械专业教育中打破传统教学模式中组织形式单一、教学方式守旧、教学技术刻板、学习方法因循守旧及学生被动学习等问题［1］，利用5G、虚拟现实、云计算及人工智能等新兴技术，融合学科竞赛及科研课题小组的形式，构建线上/线下、课内/课外等多元化的混合教学模式，推动高等教育的改革与创新，成了本科教育特别是地方性应用型本科教育的关键［2-3］。

以机械类专业为基础的制造业是国民经济发展的根基［4］，是国家经济增长的催化剂，也是工业化、现代化建设的发动机和动力源，故机械专业也被称为“国民经济的装备部”［5］。其中“机械原理”作为机械专业的核心主干课程，在培养本专业学生机械设计综合能力方面占有重要的地位［6］。更应借助“互联网+”等技术综合当今智能制造相关需求，探索混合教学模式改革方式，积极培养出推动传统制造向智能制造转变的高水平应用型人才，满足机械制造行业/企业的现代化与智能化对机械专业人才的数量/质量方面要求［7-8］。可见，在智能制造背景下通过“互联网+”技术改革“机械原理”授课/学习模式，对培养我国机械专业人才，实现“科技强国，人才先行”是必要和重要的［9-10］。

一、研究背景

（一）学生对课程的重要性理解不足

“机械原理”是机械类各专业中极为关键的技术基础课程，大部分高校都是在第4 学期开设［11］。韶关学院“机械原理”课程基本情况如表1 所示，前期虽有“专业导论”等对机械类专业进行概述性介绍，但同学对机械专业的认知仍然不足，只停留在日常的机械装备运动中，无法对具体的机械运动抽象剥离。而本应通过“机械原理”课程构建的机构运动学和动力学的分析思维，却又因为这门课的学时少、内容多、理论深等缘故学生出现畏难情绪或不够重视，导致多数学生被动接受知识，仅仅满足于“到课率”，却不能保证“抬头率”，学习主动性和积极性不高，难以夯实相关理论基础，无法掌握机械传动系统方案分析及设计的方法，甚至在后续的机械专业课程也难以跟上，难以成为合格的机械专业人才。

（二）课堂教学组织模式落后

虽然，目前“互联网+”和智能制造已经成了机械学科教学改革的重要方向，但就目前的成果来看，关于“机械原理”相关的网上课程教学资源未能与现代机械原理技术发展实现同步。智能制造可供学生线下深入学习的资料不多，难以满足不同层次/类型学生自主学习的需求［12］。此外，“机械原理”教学往往存在学时少、内容多、要求高的特征，如何充分调动学生的学习兴趣，转变教学组织形式，突破传统过于依赖授课教师的知识灌输，让学生转为主动学习是目前需解决的主要问题［13］。为此，应在智能制造背景下借助“互联网+”相关技术，结合学科竞赛和科研课题小组进行多元混合教学，探索地方应用型本科院校机械专业主干课程“机械原理”的混合教学改革方案，以期进一步提高学生的专业技术水平和基础理论知识，并获得具有其他学科可推广借鉴的教学成果。

二、“互联网+”和智能制造背景下“机械原理”混合教学改革设计与探索

混合教学实施方案设计如图1 所示。

图1 “机械原理”混合教学实施方案设计

（一）构建合作共享式课堂教学组织模式

目前，高校课室大都采用了以计算机为基础的多媒体教学设备，虽然可减少授课教师板书的时间，融入更多生动形象的内容（如视频或GIF 图片），活跃课堂氛围，但本质上还是教师台上讲授的教学模式，并没有充分发挥“互联网+”的技术优势，学生也并没有改变被动接受知识的学习模式。随着上课进度的推进，一些学生慢慢跟不上进度，久而久之，便逐渐失去了学习兴趣，成了“低头族”和“手机族”。为此，通过改革讲台仅由教师专属的教学模式，形成师生共享的教学课堂。如图2 所示，将“机械原理”中的核心内容按照难易程度提前规划给不同层次的学生备课，并将每节课堂的时间划分为A+B 两段的模式，A 段时间让学生上台进行试讲，B 段时间由授课教师进行点评并补充完善。

图2 “机械原理”共享课堂设计

下面通过“机械原理”第二章第3 小节“机械的运动确定性及其自由度分析”为例进行阐述。由于此部分的内容具有一定的难度，所以选择了成绩较好、学习较为主动的学生担任此部分的试讲人，按照以下步骤展开：①给予30 分钟的讲授时长，并提前两周将讲授大纲下发；②课前两天审核和修改学生课件初稿以确保对课堂的掌控；③在课中，由学生先上台讲授，教师旁听和笔录，并提醒学生把控时间及控制授课进度；④在学生讲完相关内容后，花15 分钟对授课内容进行点评，并补充完善遗漏或讲解不到位的知识点，重点突出虚约束、局部自由度等在自由度计算时候需要特别注意的内容，以确保授课质量。

实践表明，通过适当的内容匹配，将授课内容及讲授学生进行良好的配合，可促进学生知识掌握、提高学生的应用技能，提高学习兴趣和学习效率。

（二）以学科竞赛推动学生课后主动学习

机械学科有较为全面的学科竞赛，如“中国互联网+大学生创新创业大赛”“全国大学生机械创新设计大赛”和“全国大学生工程训练综合能力竞赛”等，特别是“全国大学生机械创新设计大赛”涵盖的机械学科知识较多。在“机械原理”授课的过程中，通过积极鼓励学生参加相应的学科竞赛，并适时将竞赛中所遇到的知识与课堂教学相结合，形成授课案例，可充分激发学生的学习兴趣和创新能力，提高学生自主学习和解决问题的能力。

韶关学院机械学科现已形成了以专业协会（CAD）为组织，以本专业授课教师亲自担任竞赛指导教师，积极引导大一、大二、大三学生参与各项比赛的模式（如图3 所示）。现已逐步形成以“项目化”为教学中心，通过开拓课培训的多维教学，引导学生在解决竞赛中所遇到问题时，以及在比赛筹备中和比赛中，对学生的专业基础知识进行查漏补缺。学生在这一环节中可化被动接受知识为积极主动学习，拓展相应的学科知识。最终探索出“以赛促教、以赛促学、学赛结合”的教学模式，形成良性互动。而且每一个竞赛项目无法单靠某一个人独立完成比赛，均需要团队协作，通过组员间的优势和特长紧密配合。这也能培养学生的团队构建、组织和协作的能力，以此形成同辈压力促动同学间的良性竞争。

图3 以赛促学混合教学组织模式

（三）以科研小组形成分层教学模式

目前大部分高校仍采用班级授课制的模式，但学生综合素质不一，将来就业意向也各异，统一的课堂教学模式难以围绕各个层次/类型学生的特征进行教学，这势必导致部分优秀的学生无法在课堂上进一步获取更多更全面深入的专业知识。为此，在智能制造背景下，可结合授课教师的研究方向组建科研兴趣小组；以研究课题为导向，授课教师定期在线下进行集中辅导，促进学生利用“互联网+”相关技术，形成“以研带学”的情景，在多学科间主动学习以提升智能制造所需的跨领域知识技能，并就“机械原理”的相关内容进行持续深入的学习，丰富“机械原理”相关知识点的内涵，打破学生认为所学知识离自身过于遥远，提不起兴趣的弊端。以此探索依托科研小组构建多领域跨学科的教学实践方式，形成以研究课题吸引学生，以具体问题促进学生主动学习的局面，并以此带动了全班的学习氛围，形成了良好的学风。

三、结束语

经过前期的实践，近80%的机械专业学生参与了专业竞赛及科研课题小组。通过课内课外的学习培训，大部分学生的专业基础理论和技术扎实、视野开阔，具有较好的自学能力和创新能力、团队管理和协作水平。以机械设计制造及其自动化专业某班为例，该班共有47 位同学，已有26 人次参与了“互联网+创新创业大赛”“机械创新设计大赛”“成图技术创新大赛”及“工程训练综合大赛”等学科比赛，获得了省级及以上的奖项20 项（部分奖状见图4）；另有11 人参与了授课教师的科研课题小组，已有6 位同学在撰写专利/论文等成果。此外该班学生在“机械原理”的课堂上学习氛围良好，期末考试成绩较好，如图5 所示及格率100%，平均分79.5 分，80 分以上的优良率46%，且采用Kolmogorov-Smirnov（K-S）方法对该班成绩进行正态分布检验时获得了0.563 的P值，说明整体成绩符合正态分布。可见，采用线上/线下、课内/课外结合的混合教学模式对“机械原理”课程的教学以及机械学生的培养具有较好的效果。

图4 部分专业竞赛获奖证书

图5 “机械原理”课程期末考试成绩分布