线上线下相结合的机械工程控制基础实验教学模式探索

张静

摘 要：针对机械工程控制基础实验教学普遍存在的理论授课与实验脱节、实验过程刻板僵化、教学与考核形式单一等问题，提出一种线上线下相结合的实验教学模式。该模式针对课程痛点，从课前预习、课上实操、课后复习全方位入手，应用线上平台、翻转课堂等手段，提升实验课堂教学效果。实践证明，学生学习的主动性明显提高，加深对实验相关理论知识的理解，课程成绩有所提高。

关键词：机械工程控制基础 实验教学 线上线下相结合

1 引言

实验教学是工科专业学生培养的重要组成部分，担负锻炼学生实践能力、培养学生创新意识、发现问题和解决问题的能力的任务，为培养有卓越工程实践能力的高级复合型、应用型和创新型现代工程技术人才提供支撑。[1-2]机械专业学生普遍反映机械工程控制基础课程内容理论性强、不易理解、学习难度非常大，课程实验环节在教学过程中应当起到打破学生的理论知识和实际应用之间壁垒的作用，让学生将晦涩难懂的控制理论与鲜活生动的控制过程相关联，真正理解控制理论基础课程学习的实际意义，激发学习兴趣[3-4]。现有的实验教学设置与教学方案不能达成这一教学目标，为了让实验环节充分发挥化繁为简、有难到易的启发学习作用，本文提出一种线上线下相结合的教学模式。

2 机械工程控制基础实验的特点

机械工程控制基础作为一门主要的专业基础课，涉及到控制原理与系统，先修课程为高等数学、大学物理、理论力学、电工电子技术、机械原理和机械设计等课程，后续课程为测试技术、液压与气压传动、液压控制系统、微机原理与接口技术、机电一体化系统设计、数控机床，整个课程在专业学习中起着重要的承接作用。课程内容偏重理论，主要阐述以高等数学为工具对物理系统的稳定性、准确性以及快速性进行定性和定量的分析，并导出对系统控制指标的调整和改进的理论和方法。教学过程多数被复杂的理论推导占据，内容抽象、学生不易理解吸收，即表现为难教又难学。以往的教学计划中先进行大量的纯理论讲解，从基础控制理论中的公式推导开始，让学生在学习之初理解十分困难，很难激发出学期兴趣，学习过程充满困惑。虽然在对应理论课程后安排4课时实验，由于理论讲解和实验内容相对独立，实验课前预习由于缺乏指引很难开展，导致课上教学开展困难，学生缺少主动思考，很难充分理解实验对应的理论知识点，实验效果欠佳。因此，针对机械工程控制基础实验难教难学、难预习、难理解的特点，对实验教学方式进行探索和改进，提出了线上线下相结合的模式，对应复杂难懂的理论知识点定制直观的小实验，充分利用互联网教学平台、多媒体、云存储等现代技术手段，在授课中应用启发式教学、翻转课堂等手段，利用有针对性的实验内容击破学生理论学习困难的屏障，将理论教学和实验环节有机融合，提升教学效果。

3 《机械工程控制基础》课程实验教学存在的问题

3.1 理论授课和实验脱节

傳统的控制理论基础教学安排中理论课教学在课程总课时中占比90%，理论授课教师专注与知识点讲解和繁琐的公式推到，很少结合实验教学部分进行铺垫。由于课程内容理论性强，由于缺乏针对性的实验启发教学环节，学生很难在实验前真正掌握实验相关的知识点，头脑中只留有抽象且不清晰的理论知识，缺乏对实验环节所用器材、实验原理及目的的感性认识，造成理论授课和实践环节关联不紧密。由于理论和实验的脱节，只得在课上对相关知识进行讲解，以便学生能进行实验操作，动手实验的环节进一步被压缩，实验的预期效果大打折扣。

3.2 课前预习不足，实验步骤僵化

原有实验课程仅要求学生针对实验原理、目的和步骤进行预习，课前检查预习情况仅能通过查看实验报告上是否完成原理和步骤的书写，无法保证学生真正理解并掌握实验相关的知识。没有循序渐进的课前铺垫过程，预习效果无法达到独立完成实验的要求。预习的过程应该设置在理论授课的过程中，让理论课的中讲解内容为实验预热。实验设置内容固定，课上不同小组完成的内容完全一致，没能充分锻炼学生的仿真能力，进而没有自主设计和创新的机会。在实验操作中学生依照指导书上的步骤逐一完成，机械化的完成操作，缺少独立思考和自由发挥、创造的空间。课堂上的操作往往不够熟练，实验过程程式化、对实验设备的使用不够熟练，课堂中学习的积极性不高，严重影响实验效果。

3.3 教学与考核形式单一

机械工程控制基础以往的实验教学中一直延续着老师教学生学的传统教学方式，课堂按照课前简单预习，课堂讲解，学生按指导书操作，课后完成实验报告的形式进行。学生一直是被动接受的一方，教学的形式过于单一。对于实验课程的考核也独立于理论课程的其他考核部分，占总成绩的10%，主要依据学生的预习、课堂表现、实验报告综合给分，分别占实验成绩的10%，40%，50%。预习和课堂表现两部分成绩很难进行合理量化，由于实验内容单一、步骤结果基本固定，实验报告存在抄袭问题，导致实验成绩区分度很小。单一的教学与考核形式既不能调动学生学习的主动性、也无法起到激励学生的作用。

4 线上线下相结合的《机械工程控制基础》实验教学设计

4.1 教学思路

根据机械类专业人才培养和学科发展的需要，紧跟控制领域前沿技术和智能制造对人才的迫切需求，机械工程控制基础作为一门专业基础课程为今后进一步学习和从事机械自动化相关工作奠定基础[5-6]。鉴于课程本身理论性强、难于理解，实验教学服务于整个课程的教学目标，通过实验教学提升学生学习兴趣，把抽象的理论具象化，一定程度上降低学习理解难度。在控制理论基础实验课程教学过程中充分发挥线上平台的优势，创造更多学生课前预习和课后学习的机会，减少教师课上的理论讲解环节，通过课前对知识点、实验器材使用的充分学习，在课上采用翻转课堂的方式，把课堂更多的交给学生，把学生放在学习的主体位置。充分的课前准备工作有助于提高效率，在有限的时间内设置更多学生可以进行自主设计和创新的实验项目，把传统的验证性实验转变成设计型实验与研究型实验。

4.2 教学模式设计

针对本科机械工程控制基础实验教学，结合线上线下两种教学手段，通过实验的直观性一定程度上降低控制工程理论的理解难度，在理论课中穿插实验相关内容的视频实例起到实验预习的效果，提升实验的教学效果。

把实验课前准备工作植入到理论授课中，提前录制好与理论课讲解知识点对应的实验小视频，在课上辅助讲解和课后拓展训练。循序渐进的对学生进行启发，为实验课程预热的同时将实验认知准备工作以润物无声的形式渗透在日常教学中，弥补实验课时少的不足，强化学生理论和实际直接的认知链接能力，从而帮助学生理解理论课堂讲解的知识，起到理论讲述和实践课程相互促进、互为补充的作用。把包括课上课后使用的知识点视频、演示文稿、课前思考题、设备使用操作视频指南等所有课程相关资料上传到线上平台，以便学生充分进行课前预习，利用线上平台预习，通过设置思考题便于学生自查预习效果，也使教师在上课前掌握学生的预习情况。由于充分的预习，以翻转课堂的形式完成实验的理论介绍[7-8]，以学生为主，让学生自主发问，变教授为探讨，以4-6人的小组为单位布置实验项目，加强课上学生之间的交流学习、启发学生自主思考问题、设计方案的能力，加深对相关知识的的理解。借助平台上丰富的资料和小组同学的深入交流，学生可以更好的完成实验课堂现场操作并完成相关参数的设置与试凑并进行记录。在线上平台完成实验报告和测试题的过程中可以结合线上视频和课件对实验进行梳理与总结，设置调查问卷了解学生对实验的评价真实反馈教学效果和出现的问题。通过对实验报告、测试题以及调查反馈结果进行综合分析，不断优化教学内容设置和教学模式

设计。

4.3 教学成效

机械工程控制基础实验室每学年对机械设计制造和工业工程两个专业共计200余名同学开展教学工作，实施线上线下相结合的实验教学模式后，学生的预习效果明显提高。课前思考题回答准确率从50.2%提升到85.3%，实验时基本能够掌握实验仪器的使用方法。通过与学生访谈得知，由于课前通过理论课程植入的实验例程和线上平台充足的预习资料，学生对实验课程的兴趣和期望明显提升，对机械工程控制基础课程的理解进一步加深。经过一个学年的实践，学生的实验成绩有一定程度的提升。

5 结语

本文通过线上线下相结合的方式对机械工程控制基础实验教学的模式进行探索研究，有效提高学生学习机械工程控制基础实验相关内容的效率，培养了学生把理论和实践相结合的能力，用实践检验理论知识，用实验现象溯源实验原理，强化知识理解。这种教学模式提高了学生对问题进行综合分析、提出系统解决方案的能力，使学生既懂得理论又具有一定的工程实践能力，符合现阶段人才培养的要求。文中提出的教学模式不仅限于机械工程控制基础课程的实验教学，也可以适用于其他理论性强难于理解的其他工科课程的实验教学，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]王敏.机电控制工程基础层次化在线实验教学探讨[J]. 现代计算机，2020，No.702（30）：89-92.

[2]杜坡，孙凤，段振云，等.“六化一体”工程实训运行模式的探索与实践[J].实验技术与管理，2020，v.37;No.286（06）：209-213.

[3]卢洋藩，刘芙，陈立新.线上线下相结合的大型仪器相关实验课程教學模式研究[J].实验科学与技术，2020，v.18;No.101（04）：117-121.

[4]孙玲，李一辰.控制工程基础混合式教学研究[J].教育教学论坛，2020，No.498（52）：250-252.

[5]王洁，谷艳玲，刘慧芳，等.机械类课程评价机制的改革与实践[J].教育教学论坛，2018，No.371（29）：229-230.

[6]张建新，郭亮，刘燕娜，徐云.新工科背景下测控专业特色实验室构建[J].实验技术与管理，2020，v.37;No.292（12）：273-277.

[7]王晓燕，胡福年，丁启胜.一种基于LabVIEW的传感器与测量技术实验平台设计与实践[J].工业和信息化教育，2019，No.82（10）：63-67+72.

[8]汤赫男，王世杰，赵铁军，等.基于慕课与翻转课堂的机械设计实验教学[J].机械设计，2018，35（S2）：406-408.