疫情期间基于OBE“机械原理”翻转课堂教学实践*

孙福佳，吴恩启，王新华，汪昌盛

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

“机械原理”是机械设计制造及其自动化专业必修的专业大类基础理论课程，课程主要研究机器与机构基础理论和方法及各种机械的一般共性问题。 先修课程有高等数学、机械工程制图、大学物理、理论力学等，后续课程有机械设计、机械制作等。 本课程的任务是使学生掌握机构、结构、运动学和机械动力学的基础知识和基本内容。

目前，“机械原理” 课程教学方案进行了不少改革，但依然面临着极大的挑战，疫情期间，教育部提出停课不停学，线下变线上，如果仍然采用传统方式讲授，学生状态比较难调整，容易对课程产生枯燥乏味之感。 “机械原理”理论教学中，课程知识点多，原理难，内容广，共性问题比较抽象，传统教学方式只能点到为止，很难把问题讲透，没有时间和学生交流互动；传统填鸭式教学，以老师讲授为主，课后学生觉得老师讲了很多，但真正掌握的却不多，学习效果差强人意。 疫情期间由于物理空间隔离，讲授过程难以把控学习效果，因此，如何充分调动学生学习积极性，变被动学习为主动思考，让学生学明白，学以致用，并喜欢“机械原理”课程变成线上课程教学的重要目标。 通过之前线下课程的教学实践和摸索，疫情期间，“机械原理”采用翻转课堂教学模式，以提高学生学习主观能动性。 翻转课堂是指重新调整课堂内外的时间，学生利用业余时间学习教师创建的视频讲解内容，等上课时再交流，将学习的决定权从教师转移给学生。

1 基于OBE 理论的“机械原理”教学

成果导向教育（OBE）是以学习成果为导向的一种工程教育理念，认为教学设计与教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，也通常被称能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育[1]。 通过“机械原理”课程的学习，使学生具备确定运动方案、分析和设计机构的基本方法和基本能力，要求学生在知识、能力和素质方面达到的目标为：1） 掌握“机械原理”的基础知识和基本概念，掌握机械常用机构的特点、分类、基本组成、工作原理，明确常用机构在机械制造业中的重要地位和作用。2）理解常用机械机构的原理，机构设计中的基本理论与方法，重点掌握机构自由度及机构运动简图，连杆机构、凸轮机构和齿轮机构的工作原理及分析。 了解间歇机构等其他常用机构的工作原理。 3） 了解并掌握机械的运转及其速度波动的调节，机械的平衡，了解并掌握机械运动方案设计，工艺动作过程构思与运动协调设计，使学生具备拓展机械设计知识，达到可以自如解决复杂程度的机构运动设计问题的能力。 4）通过课程的学习，学生能综合运用机械原理的知识和分析方法，针对机械工程领域的实际问题，具有拟定机械运动方案，分析和设计合理机构的能力。“机械原理” 课程的目标体系与工程认证对学生毕业要求指标 1.3、2.1、2.3、3.1、4.2 和 12.1 的培养有关。 与本课程相关的毕业要求指标点和课程目标如表1 所示。

表1 “机械原理”课程目标与毕业要求指标点矩阵图

根据机械工程专业学生毕业要求指标，结合“机械原理”课程达成目标，对教师能为学生做什么，学生能学到什么，具体调研情况分析如表2 所示。

表2 “机械原理”课程调研情况

基于OBE 理念的 “机械原理” 课程教学已经实施多年，学生评价反馈持续向好，但也存在一些问题，比如教学过程中，有些抽象问题不够直观，理论讲解偏多，学生积极性还是有所欠缺；部分案例教学不够优化，学生兴趣不大，比较难调动学生积极性；考核评价机制有待提高，需强化平时考核，弱化期末卷面成绩等[2]。

2 翻转课堂教学实践

受新冠疫情影响，“机械原理” 课程全部改为线上学习，采用腾讯会议和超星平台进行远程教学。 超星平台是基于慕课的新一代网络教学平台，教师可以在此平台利用庞大资源建立线上课程，但由于网络服务器延迟，难以进行翻转课程教学，因此实时互动采用腾讯会议。

教师通过微信群和超星通知提早一天告知课程内容，腾讯会议ID，通过超星后台监测学生观看和学习视频的讲解内容情况，并及时提醒。 超星平台包括课程内容（视频+PPT）、活动、统计、资料、通知、作业、考试、分组任务、讨论、管理等模块。 学生利用业余时间完成课程内容；通过活动模块完成签到、投票、抢答主题讨论等；统计模块包括班级统计、资源统计、课程报告，用于后台统计；资料模块包括课程资料、题库、作业库、试卷库等；课前预习情况和课后测试通过考试模块实现；学生作业上传、教师批改通过作业模块； 每节课讨论主题通过讨论模块课前发布。 通过腾讯会议，课堂变成了教师与学生之间以及学生与学生间的互动场所，用于答疑解惑、辩论探讨和知识运用等，充分调动学生主观能动性，取得了比较好的教学效果[3]。

通过疫情期间“机械原理”翻转课程教学实践，结合期末学生评教和督导评价，翻转课程教学方式取得了比较好的教学效果。 具体实施方案如下：1） 精心设计课前、课中、课后的教学内容和教学进度，课程教学组成员精心录制教学视频和设计学习任务单、 课前课后测试讨论等，确保最大限度提高学生上课积极性。 2）“机械原理” 课程概念、公式、图表繁多，原理理解比较困难，通过教具、动画、多媒体、虚拟样机、软件程序等多种方式，丰富教学手段，以提高学生积极性和主观能动性。 3） 课程教学组还负责大学生机械创新比赛，因此教学过程中结合比赛内容，以赛促学，将比赛中用到的机械原理结合作品进行讨论，极大地提高了学生学习兴趣[4]。 4）教学组承担多项国家纵向与企业横向项目，课程中融入科研项目经验与学生分享，学生更有工程概念。5）“机械原理”课程评价考核体系更加强化平时，弱化期末考试，重视工程实践，弱化应试。

3 “机械原理”翻转课堂讨论教学案例

第9 章凸轮机构及其设计一节，课前学生观看录制视频学习，通过超星后台监测学习情况，通过课前测试强化视频观看效果。 并布置课程讨论： 组织学生针对尖顶、滚子、平底凸轮设计过程进行讨论，通过自学，提问，讨论、分析等方法调动学生的主观能动性，教、学、做融为一体，使学生成为课堂的主体。

课程教学中，以班上某同学创意设计《鸽食翠园间》为案例进行讨论教学，该同学场景设定为一个机器人坐在公园长凳上喂食鸽子，众鸽百态，如图1 所示。

图1 鸽食翠园间

作品设计一个机器人外观模型和四个鸽子模型，机器人模型的右手肢体将能运动，两个鸽子头部将上下运动，一个鸽子翅膀将挥动以及一个鸽子头部将转动。 机器人运动机构使用凸轮机构推动，挥翅膀鸽子运动机构使用曲柄连杆机构推动，两个吃食鸽子运动机构使用凸轮结构推动，转头鸽子运动机构使用一种简单的间歇机构。

在讲授过程中，引导学生找出所学机构，画出运动简图，计算自由度，使用哪些凸轮，分析凸轮运动规律，根据运动规律如何设计凸轮。 以鸽子喂食过程为例，通过组织学生讨论，发表各自意见，在教师的引导下，详细设计出凸轮机构及凸轮曲线，使得机器人的头部往复抬高，嘴部一张一合，并带动右臂来回挥动，产生喂食鸽子形态。 该案例是凸轮设计的重点，也是难点。通过同学中的例子讨论，培养了学生使用已学简单知识解决未学复杂问题的能力。

该案例设计了动画VR 模型，在课程教学中，学生可以利用VR 头盔详细观看动画演示。 将 “机构运动分析”“机构结构分析”“凸轮设计”融合到课程讨论中，对学生进行分组讨论，每3～4 人一组，制定项目任务，提出相关联的知识点，以锻炼学生的专业能力、方法能力、社会能力为目的，引导学生提出问题，查找相关资料，自行解决并记录。 利用超星平台，统计本章学习情况，纳入平时成绩中。 教师应让学生从机械，枯燥的“学答”向“学问”转变，以问题为导向，引导学生探索性学习，从“学会”向“会学”转变，成为学习的主人。

4 结束语

疫情期间，基于学习成果为导向理念，本课题小组设计了“机械原理”翻转课程教学方式，采用超星平台+腾讯会议，精心设计课前、课中、课后教学各环节，通过学生和督导评价，虽然疫情期间师生物理距离隔离，也取得了良好教学效果。