基于“理工智课+超星PBL”的“内燃机设计”课程教改探索

［摘 要］ 随着信息化浪潮的推动，我国高等教育向信息化方向飞速发展。这对“内燃机设计”课程教学模式提出了新的要求。对此提出了“理工智课+超星PBL”耦合的教学模式，将PBL、理工智课的原理有机融合，进行“内燃机设计”课程教学模式的新探索。通过教学结果的对比分析，发现“理工智课+超星PBL”耦合教学模式可以显著提升学生的学习效果，这对机械类教学具有积极的现实意义。但同时，在教学模式保持不变的情况下，学生的学习效果呈逐年降低的趋势，因此教师要不断提升教学能力，改进教育教学方法。

［关键词］ 信息化建设；过程性评价；内燃机设计；教学改革

［基金项目］ 2019年度武汉理工大学（青年）“新工科背景下‘汽车发动机设计’课程的混合式教学改革”（2019-II-073）

［作者简介］ 郭冠伦（1979—），男，山东聊城人，博士，武汉理工大学汽车工程学院副教授，主要从事替代燃料清洁燃烧技术研究；么慧贤（1982—），女，山东聊城人，博士，武汉理工大学《爆破》编辑部责任编辑（通信作者），主要从事高等教育及媒介管理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）41-0062-04 ［收稿日期］ 2023-07-13

2000年以来，随着计算机网络技术的发展，我国教育技术也在逐渐发生着变化。特别是近几年在新工科、工程教育认证和信息化建设的大背景下，教学方式正在发生着一场“以学生和学习为中心”的深刻变革［1］。对能源与动力工程专业的学生来说，“内燃机设计”是一门专业方向限选课。学生学习此课程以后必须达到内燃机设计的基本要求，掌握主要参数的选择、主要零部件的工作条件和结构设计、主要固定件的设计以及配气系统的设计，并且在接下来的课程设计中能够独立完成相关实践环节。这就要求学生首先应该具有较强的学习能力，同时还应该具有较强的工程实践能力［2］。国内“内燃机设计”课程教学多以讲授为主，受课时限制，除了讲授基本的教学点之外，最重要的发散性学习几乎是少之又少。而且，作为传统教学方法，教师讲、学生听，加上课程难度高，知识点以计算公式推导居多，较为枯燥，学生课堂积极性不高。因此，“内燃机设计”课程的教学改革一直在进行，包括从早期SolidWorks、ANSYS等三维造型软件的引入到MOOC和翻转课堂教学模式的引入，从单一期末考试的评价到包含大作业、课程设计、翻转课堂表现等多元化评价［3］，直到最近，基于“互联网+”的包含教学大纲、课件PPT、教学录像、课后习题和考试试题库的教学平台建设。上述探索为武汉理工大学“内燃机设计”课程教学方法改革提供了优秀的经验，因此本文提出基于“理工智课+超星PBL”网络平台的包含翻转课堂、多元考核体系等混合式教学方法的改革研究。

一、理工智课与超星PBL耦合的理论基础

（一）理工智课

理工智课教学平台是武汉理工大学本科生院根据学校文件《武汉理工大学数字化课程资源建设规范》倾力打造的教学云平台，整合中国大学MOOC（慕课）、华中师范大学小雅等教学平台资源，全覆盖、全过程采集教学过程数据和学习使用数据。教师可以在平台上布置自主观看、课堂练习、作业、测验、问卷、讨论等六种教学任务，快速、便捷地开展各种教学活动，如图1所示。

（二）超星PBL平台

基于问题的教学方法（PBL）是建立在构建主动学习理论的基础之上的一种教学模式，以学生为主体，通过提出相关的情景并触发问题，使学生个体亲身经历和体验学习与探究，并将任务进行分解，分组讨论、相互启发，寻找与问题相关的且更深入的知识来自主构建知识体系，最后对这一过程进行总结，有效提高自身独立思考和解决实际问题的能力［4］。超星学习通是面向智能手机、平板电脑等终端的专业移动学习平台，是能利用移动智能设备开展课堂内外及时反馈互动教学的云平台；是以泛在教学与混合式教学为核心思想，集教学互动、资源管理、精品课程建设、教学成果展示、教学管理评估于一体的新一代网络教学平台。

二、教学设计

（一）课程目标

“内燃机设计”课程目标具体有以下几个方面：（1）掌握汽车发动机总体设计流程，熟悉每阶段的工作内容及注意事项；了解发动机现代设计的技术手段和步骤，理解优化设计的概念和原理，掌握其简单应用，培养学生在发动机设计中分析问题、解决问题的能力。（2）掌握发动机曲柄连杆机构运动学、动力学等基本知识，理解发动机平衡的概念及其影响因素，掌握消除旋转不平衡和往复不平衡的基本思路及方法。（3）掌握发动机曲柄连杆机构、机体与缸盖等基本结构件的工作原理和设计要求以及校核等基本知识；掌握各结构件的结构尺寸设计要求和思路。（4）了解发动机滑动轴承及润滑系、冷却系和启动系的设计要求、方法和校核原理，了解研究前沿动态。

（二）教学策略与教学方法

混合式教学总体策略为以发动机整体构造、装配过程、零部件加工、设计和维修案例等视频资料为引，从实践出发，引发学生对发动机整体设计、主要零部件以及配气系统和润滑系统等相关设计理论与设计程序的思考。以具体设计案例为出发点，安排学生以小组为单位，完成基本理论方面的翻转式教学，并结合SolidWorks、ANSYS等商业软件完成某个主要零部件的选材、结构设计与强度校核过程，从而进一步加深学生对发动机设计理论的理解，并增强学生的实践实操能力，实现整体教学方法从“一言式”到多元混合式的转变。

具体教学方法有以下几个方面：（1）将课程教学总体任务按章节逻辑分解成21个知识点，根据其难易程度进行分类，并采取不同的学习策略。对难度较低的基本内容，采取学生自学为主，课下依托教材、互联网（相关网络课程、资料等）的方式学习，以线上作业的方式进行基本考核；而对于发动机平衡、配气凸轮型线优化等重点内容，采取课上教师讲授、课下师生交流的教学方式，课后以线上作业的方式进行基本考核。教师从作业中所反馈的情况并依据学生整体掌握情况，对学生掌握较差的知识点进行重点讲述。（2）翻转课堂设计。在课堂上进行分组研讨，各小组代表进行各自讲述，教师启发引导，使学生实现知识内化。（3）自学部分。课下学生完成自学笔记、讲述报告以及PPT等自学内容，培养学生独立学习和处理工程问题的能力；并通过布置课后作业的方式，对学生的知识掌握情况进行考核。（4）考核方式。考核方式上有两处进行了改革，一是基于原来的课程设计内容和现代设计方法，将原有的手绘式零件设计与校核改为CAD/CAE设计、图纸绘制与有限元计算校核；二是期末考试题目，由以往的选择题、填空题、判断题和论述题结构，改为全部为论述题，且题目自设计与维修案例中引出相应的考点，以从实际出发考查学生对基础理论的理解程度。

（三）超星PBL模块安排

超星PBL教学环节的具体实施措施如下。

1.分组安排。将翻转课堂与课程实践结合在一起，将所有选课学生（共34人）分成6个小组，每组5～6人，每个小组集中于一个发动机重要零部件（如活塞、曲轴、连杆、机体、缸盖和气门等）的设计理论介绍、结构设计和校核，且给予每名学生不同的任务。具体如下：（1）小组第一名学生的任务是结合讲义，组织10分钟左右的PPT讲义，介绍各自零部件的发动机内的工作条件、设计要求、材料选择、结构设计与校核方法等基本理论；（2）小组第二名学生对所选取的部件进行结构设计和三维造型，并输出相应的CAD零件图；（3）小组第三名学生对所构建的三维造型进行网格划分和静态下的应力校核，输出应力云图等关键结果；（4）小组第四名学生基于前一名学生的网格模型，进行零部件的模态分析，计算零部件在无约束和有约束条件下的振动频率与振幅；（5）剩余的一名或两名学生对上面几名学生的工作进行汇总，并制作10分钟的PPT在课堂上进行讲述。

2.过程记录。每组的第一名讲述设计理论的学生，在课程进行到相应章节时，首先进行讲述，其他学生可对讲述不清楚或不理解的内容进行提问，由该名学生进行初步回答，授课教师补充；零部件的设计和校核过程由相应学生在课下完成，并及时将相应结果上传到PBL系统中，以便指导教师和其他学生参考；课程最终结束时，由每组汇总的学生进行集中讲述，所有学生对其讲述内容进行提问和评判。

3.任务评价。所有任务完成后，对任务完成情况进行三级评价：第一级为组内互评，由小组内部成员间相互匿名打分，占总分的20%；第二级为组间互评，由各组组长代表对其他组的任务完成情况予以匿名打分，占总分的30%；第三级由授课教师对每个小组的整体情况分别予以评判，占总分的50%。相应的评分标准见表1。

三、教学效果评估与问题分析

（一）课程学习总体效果评估

据“理工智课+超星PBL”系统统计，课程章节总计分为12个任务点，学习总次数达到4 681次。从任务点的统计结果上看，大部分学生对每个知识点都进行了学习，说明学生整体上具有较强的自主学习和管控能力。

本实验选取动力工程专业2016—2019级的四个班级作为实验对照组，对2016级本科生采用传统教学方式（PPT讲授）进行“汽车发动机设计”课程教学，对2017—2019级本科生采用理工智课和PBL耦合的新教学方法，将四个年级的共四个班学生的考试成绩进行比较和统计分析，2016级至2019级的均值分别为61.89、79.78、73.97、70.55，标准差分别为7.128、6.101、8.831、5.066。由此可以看出，在实行新教学方法的班级，平均分都超过了70分，明显高于传统教学的班级，这说明新的教学方法可以显著提升“汽车发动机设计”课程的教学效果。

（二）问题分析

由分析可知，“理工智课+超星PBL”耦合的教学方法可以显著提升教学效果，但随着时间推进，教学效果又呈现逐年下降的趋势，这是因为教学改革降低了学生需要完成的总学分量，但是要完成的课程数量反而增加了，学生对于新教学方式的新鲜程度和配合程度都有所降低。

结语

经过连续的教学实践，由数据的分析对比可以发现“理工智课+超星PBL”教学模式能有效提升学生的学习效果，说明该模式优于传统的教学模式，有助于学生对专业知识的掌握和学习效率的提高，这对提高学生的专业学习兴趣和教师的专业教学水平等有着积极的现实意义。而新教学模式效果的逐年降低又说明在信息化改革突飞猛进的今天，教师要不断学习，不断更新教学方式方法，以便更好地适应新时代下的教学工作。

参考文献

［1］周广猛，刘伍权，董素荣，等.“以学生为中心”的工程类课程在线教学探索：以“内燃机构造”课程为例［J］.高等教育研究学报，2021，44（2）：72-76.

［2］谢翌，阮登芳，胡建军，等.《内燃机设计》的教学创新与实践［J］.教育教学论坛，2018（42）：105-106.

［3］郭鹏江，刘瑞祥，齐晓霓，等.基于目标导向的内燃机设计课程混合式教学改革［J］.科教文汇（下旬刊），2019（30）：80-81.

［4］汤东，雎志轩，魏胜利.基于雨课堂与PBL耦合的混合教学模式课程研究［J］.科学咨询（教育科研），2021（6）：112-113.

Exploration on Teaching Reform of Internal Combustion Engine Design Course Based on Science and Technology Wisdom Class + Superstar PBL

GUO Guan-luna， YAO Hui-xianb

（a. School of Automotive Engineering， b. Blasting Magazine Editorial Office， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China）

Abstract： With the development of information technology， China’s higher education is developing in the direction of information technology. This puts forward new requirements for the teaching mode of “Internal Combustion Engine Design” course， and proposes the coupling teaching mode of “science and technology wisdom class + superstar PBL”， which organically integrates the principles of PBL and science and technology wisdom course and carries out new exploration of the teaching mode of this course. Through the comparative analysis of teaching results， it is found that the coupled teaching mode of “science and technology wisdom class + Superstar PBL” can significantly improve students’ learning effect， which has positive practical significance for mechanical teaching. The teaching mode remains unchanged， students’ learning effect shows a trend of decreasing year by year， so teachers should constantly improve their teaching ability and improve their teaching methods.

Key words： information construction; process evaluation; Internal Combustion Engine Design; teaching reform