楊揚 張國忠 周勇 吳擎 李明震

[摘 要]針對新工科背景下，學(xué)生、教師、企業(yè)對工科專業(yè)課程提出的新要求，課題組分析了高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度的工科專業(yè)課程的建設(shè)思路，提出“引出來—畫出來—做出來—用起來”四部曲，綜合在線開放課程與案例研究式學(xué)習(xí)開展線上線下混合教學(xué)模式，切實提升課程質(zhì)量和教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]新工科;在線開放課程;線上線下混合;案例研究式學(xué)習(xí)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0062-04

一、新工科對教學(xué)提出的新挑戰(zhàn)

面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展新需求[1]，新工科建設(shè)對教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有機械類專業(yè)在人才培養(yǎng)知識體系中主要存在以下教學(xué)困境：課程內(nèi)容陳舊、重復(fù)，工科基礎(chǔ)理論晦澀難懂;在當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)建設(shè)要求下對新興產(chǎn)業(yè)所亟須的新實踐技能培訓(xùn)不足，實踐與理論知識脫節(jié);在人才培養(yǎng)模式中存在主動性、針對性、多樣性不足;教學(xué)過程以教師為中心，教學(xué)數(shù)據(jù)難以把控，教學(xué)效果難以保證等。學(xué)生提出有些專業(yè)課程內(nèi)容過于簡單，他們“吃不飽”，學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力不足，“不知道為何而學(xué)”;任課教師提出部分專業(yè)課程內(nèi)容過于陳舊，老教師感覺“自己幾十年前上學(xué)時學(xué)的和現(xiàn)在教給學(xué)生的沒有變化”;公司企業(yè)提出學(xué)校所教的知識與它們的需求發(fā)生嚴(yán)重脫節(jié)，“剛畢業(yè)的學(xué)生什么也干不了，需要重新培訓(xùn)”。在這種形勢下，建設(shè)高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度——“兩性一度”的金課課程，成了迫在眉睫的事情。

金屬切削原理及刀具是機械大類專業(yè)的專業(yè)選修課，為后續(xù)的專業(yè)課程如金屬切削機床、機械制造工藝學(xué)和其他專業(yè)課程及選修課提供必要的基礎(chǔ)知識。本課程主要研究金屬切削變形過程及規(guī)律，探索刀具在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過這門課的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握金屬切削過程中切削變形、切削力、切削熱及切削溫度、刀具磨損、刀具切削角度對切削過程的影響理論等。

二、課程改革的思路

打造高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度的課程，強調(diào)知識能力素質(zhì)的有機融合，要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維;課程內(nèi)容要反映前沿性和時代性，教學(xué)形式要呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果要具有探究性和個性化;同時，課程應(yīng)有一定的難度，學(xué)生需要跳一跳才能夠得著，教師備課和學(xué)生課下都有較高要求。

本文以金屬切削原理及刀具課程為例，探討在新工科背景下，如何針對學(xué)生、教師、企業(yè)的新需求來進(jìn)行課程改革，思路如下。

（一）理論與實踐結(jié)合

工科專業(yè)課程強調(diào)理論與實踐的緊密結(jié)合，基礎(chǔ)知識、動手能力、工程素質(zhì)缺一不可。針對這些課程特點，理論知識的學(xué)習(xí)要與實驗、金工實習(xí)、數(shù)控加工技術(shù)等實踐課程結(jié)合開展。

以刀具角度的相關(guān)知識為例，正交平面參考系、刀具標(biāo)注角度和刀具工作角度是這個知識點的重要內(nèi)容，因其需要學(xué)生具有空間想象力并進(jìn)行實際操作，可以通過數(shù)控加工技術(shù)中的對刀過程加強學(xué)生對參考系的空間立體認(rèn)識;通過機械制造基礎(chǔ)實驗中的刀具角度測量實驗，增強學(xué)生對于刀具三維空間的感性認(rèn)識;通過金工實習(xí)中的車外圓加深學(xué)生對刀具工作角度的理解。

（二）虛擬與現(xiàn)實聯(lián)合

工科專業(yè)課程晦澀難懂，很多工程實際學(xué)生根本沒有接觸過，因為沒有客觀條件把教室搬到工廠一線。因此可以充分運用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境增強現(xiàn)實、虛擬仿真、人工智能等信息技術(shù)，通過增強信息、動態(tài)感知、沉浸交互、身臨其境、模擬操作等提高教學(xué)效率，增強教學(xué)效果。

以金屬切削過程的學(xué)習(xí)為例，其中涉及復(fù)雜的物理過程，尤其是肉眼很難見到的力、熱等物理現(xiàn)象，即使是實際的加工過程也難以直接觀察到?？梢圆捎肁dvantEdge仿真軟件，讓學(xué)生通過計算機仿真模擬，得到加工過程中的溫度云圖、受力分布圖、形變過程圖等，對金屬切削過程中的力、熱、速度、形變等有一個動態(tài)的、感性的認(rèn)識。

（三）教學(xué)與科研融合

工程實際的項目要求學(xué)生具備解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。在教學(xué)中融入范圍廣、難度大、耗時長的科研項目，是進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力的有效手段。學(xué)生在參與項目的學(xué)習(xí)過程中，不僅要綜合運用所掌握的知識、方法、技術(shù)，而且要從系統(tǒng)的角度處理好局部與整體、個人與集體的關(guān)系，完成項目還要注重對已掌握知識的集成和對知識的創(chuàng)新。

以切削參數(shù)的合理選擇為例，結(jié)合在研項目，讓學(xué)生綜合建模、仿真、實驗和優(yōu)化等不同理論知識，從切削參數(shù)的大致范圍—單目標(biāo)選擇—多目標(biāo)選擇，開展遞進(jìn)式研究，進(jìn)行探究性與個性化學(xué)習(xí)。通過科研案例的引入，學(xué)生不僅對知識理論有了更深刻的理解，認(rèn)知能力和完成實際項目的能力得到提高，而且能夠表現(xiàn)出更好的交流溝通能力和團(tuán)隊合作精神。

（四）線上與線下混合

信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為創(chuàng)新工程教育教學(xué)方法創(chuàng)造了極佳的條件，需要在新工科專業(yè)人才培養(yǎng)中予以充分利用。可以以“融通兩個空間”為手段，創(chuàng)新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，最大限度地發(fā)揮線上線下、課內(nèi)課外以及教師、學(xué)生在教與學(xué)上的作用[2]。

在金屬切削原理及刀具這門課中，課題組的教師對整門課的知識點進(jìn)行了梳理和重構(gòu)，錄制課程的微視頻，并已在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)上線。有了這些線上資源，學(xué)生可以不限場地、不限時間地進(jìn)行學(xué)習(xí)，拓展了原有的單一的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、“引出來—畫出來—做出來—用起來”四部曲

在課程改革思路的指導(dǎo)下，為了實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實聯(lián)合和教學(xué)與科研融合，本文設(shè)計了“引出來—畫出來—做出來—用起來”四部曲的教學(xué)模式。以切削參數(shù)的合理選用為例，四部曲教學(xué)模式脈絡(luò)設(shè)計如圖1所示。

為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力，從大一學(xué)生剛?cè)雽W(xué)開始，我們就通過新生項目課為他們打下基礎(chǔ)，以大國重器為切入口，“引出來”學(xué)生的學(xué)術(shù)夢想，讓他們意識到制造的重要性、制造中占比最大的加工方式——切削的重要性，以及硬件條件確定的情況下，軟件條件——切削參數(shù)的重要性。圖學(xué)類課程的設(shè)置，目的是培養(yǎng)和增強學(xué)生的空間想象與構(gòu)圖能力，可以把切削過程示意圖、切削三要素關(guān)系圖以及空間的切削刀具角度圖“畫出來”。通過軟件課和各類實驗、實習(xí)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以自己動手，把刀具角度、切削過程仿出來、“做出來”，如通過金工實習(xí)車削加工外圓，通過數(shù)控加工技術(shù)銑削加工平面。最后，在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中，綜合運用前面所學(xué)的知識、方法、技術(shù)，增加課程挑戰(zhàn)度，以項目貫穿，讓學(xué)生通過集成和創(chuàng)新各類知識，初步得到優(yōu)化的切削參數(shù)組合，或獲得多目標(biāo)pareto解集，進(jìn)而“用起來”，最終指導(dǎo)實際生產(chǎn)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、線上線下混合教學(xué)模式

在線開放課程作為一流本科課程建設(shè)的重要組成部分，其發(fā)展和應(yīng)用對高等教育教學(xué)改革產(chǎn)生了深刻的影響，促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的大范圍共享，是教育部貫徹落實十九大精神、努力寫好高等教育奮進(jìn)之筆的一項重要舉措。混合式教學(xué)模式是一種將在線開放課程與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來的“線上”+“線下”新型教學(xué)模式。通過融通線下與線上兩個空間，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，充分實現(xiàn)“以教為主”向“以學(xué)為主”轉(zhuǎn)變、“以課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變。

（一）基于在線開放課程的教學(xué)模式總體設(shè)計

結(jié)合工科專業(yè)課程的教學(xué)特點，借鑒其他院校的 SPOC 教學(xué)模式[2]，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院（以下簡稱“我院”）充分利用教學(xué)平臺資源，將基于在線開放課程的金屬切削原理及刀具線上線下混合教學(xué)模式設(shè)計為如圖2所示。

在線課前教學(xué)主要是基于中國大學(xué)MOOC網(wǎng)的SPOC平臺開展教學(xué)活動，教師根據(jù)課程教學(xué)的既定目標(biāo)及內(nèi)容，組織課程教學(xué)的相關(guān)工作，包括教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、微視頻制作、課前測試設(shè)置、課前學(xué)生自學(xué)任務(wù)和小組團(tuán)隊任務(wù)設(shè)計以及在網(wǎng)上開展討論與評價、回答學(xué)生問題等。課程團(tuán)隊將整門課程內(nèi)容進(jìn)行梳理和重構(gòu)，重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，制作對應(yīng)課程簡介、課程大綱、學(xué)時、微課視頻、網(wǎng)絡(luò)作業(yè)、在線答疑、參考文獻(xiàn)等，使用文檔、網(wǎng)頁、圖片、視頻等形式，將與課程相關(guān)的內(nèi)容、知識的邏輯結(jié)構(gòu)層次分明地表現(xiàn)出來。課程團(tuán)隊將知識點進(jìn)行濃縮和凝練，制作了30節(jié)微視頻，每個視頻10分鐘左右，同時劃分單元，設(shè)計每節(jié)測試題和單元測試題，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)、移動學(xué)習(xí)。為方便學(xué)習(xí)者自測對知識點的掌握情況，我們精心設(shè)計了多道測試題目，以金屬切削原理及刀具線上課程為例，編寫與提供包括隨堂討論36題、隨堂測驗45題、單元測驗1264題、單元作業(yè)124題、考試181題，共1650道經(jīng)典題目。學(xué)生觀看視頻、自主學(xué)習(xí)、完成個人測試并反饋問題，充分發(fā)揮主觀能動性。

課堂中2個學(xué)時的線下教學(xué)主要是教師反饋線上問題、組織和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂討論、開展隨堂測試、案例研究式學(xué)習(xí)、最后進(jìn)行總結(jié)和評估4個模塊。其中案例研究式學(xué)習(xí)是線下教學(xué)的核心組成部分，將在下一小節(jié)重點闡述。根據(jù)課程要求，學(xué)生可以掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，自主選擇在線學(xué)習(xí)的時間和地點，控制學(xué)習(xí)內(nèi)容與進(jìn)度，這更加強調(diào)賦予學(xué)生個性化、完整、深度的學(xué)習(xí)體驗，對學(xué)生進(jìn)行更加嚴(yán)格的認(rèn)證和評估，提高了課程完成率和學(xué)習(xí)質(zhì)量，同時也提高了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和獨立完成科研的能力。學(xué)生作為教學(xué)主體，將在課堂上主動交流線上學(xué)習(xí)的問題，基于教師給出的案例展開討論與研究，以小組為單位，團(tuán)隊協(xié)作，給出實際問題的解決方案，并在組間進(jìn)行成果匯報與交流，最后完成自評與學(xué)伴互評。

（二）基于案例的研究式學(xué)習(xí)

基于案例的研究式學(xué)習(xí)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中以案例為分析研究對象，通過對案例的分析和討論，提出學(xué)生自己解決問題的思路和方案，并進(jìn)行方案比較、交流和評價的學(xué)習(xí)方式[3]。

基于案例的研究式學(xué)習(xí)過程大致如圖3所示。

在切削參數(shù)的合理選擇這個知識點的學(xué)習(xí)過程中，課程團(tuán)隊引入國家自然科學(xué)基金項目——基于變復(fù)雜度近似模型的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究，將數(shù)控銑削加工中的工藝參數(shù)優(yōu)化作為案例，提煉總結(jié)，供學(xué)生討論與學(xué)習(xí)。

先通過線上的案例介紹，讓學(xué)生了解數(shù)控銑削加工的基本過程與原理，為了加強學(xué)生的感性認(rèn)識，我們加入仿真與物理實驗的對比，明確優(yōu)化目標(biāo)為溫度、成本，優(yōu)化參數(shù)為切削三要素——切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量，約束條件為切削力和表面粗糙度等。鼓勵學(xué)生課前進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，讓學(xué)生了解案例的背景、性質(zhì)、結(jié)果和相關(guān)理論、方法、技術(shù)，查找相似案例并做對比分析。最后學(xué)生再結(jié)合自制的微視頻以及AE仿真軟件教程視頻與編程軟件視頻等開展自主學(xué)習(xí)。

線下教學(xué)主要包括自由小組討論、不同優(yōu)化方案間的課堂交流以及最后教師對各組案例的分析、建議進(jìn)行點評和總結(jié)。啟發(fā)學(xué)生由淺入深開展遞進(jìn)式研究，例如從參考切削參數(shù)選擇原則確定切削參數(shù)的大致范圍，到采用傳統(tǒng)方法的單目標(biāo)切削參數(shù)選擇，再到采用智能優(yōu)化算法的多目標(biāo)切削參數(shù)選擇，進(jìn)行探究性與個性化學(xué)習(xí)。

在這種基于案例的研究式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生將了解到作為真正的工程師所將面臨的復(fù)雜境地和艱難抉擇，這不僅能加深他們對知識的理解，而且能讓他們掌握知識的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)，有助于訓(xùn)練和提高學(xué)生在復(fù)雜環(huán)境下解決實際工程問題的能力和進(jìn)行決策的能力。

（三）教學(xué)過程數(shù)據(jù)獲取與控制

根據(jù)教學(xué)大綱重新規(guī)劃和安排線上SPOC的授課進(jìn)度計劃，每次課前發(fā)布教學(xué)公告，布置對應(yīng)小節(jié)的視頻、測驗題與討論題等預(yù)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生于課前在SPOC上討論區(qū)回帖貼出課前預(yù)習(xí)總結(jié)與問題。每次備課期間，教師都要總結(jié)與整理學(xué)生的預(yù)習(xí)回帖，掌握與監(jiān)督預(yù)習(xí)進(jìn)度。同時，針對學(xué)生的回帖情況，教師也要重新梳理出重難點，制作前測習(xí)題，在課堂直播時，通過慕課堂或雨課堂發(fā)布，讓學(xué)生限時完成。教師要統(tǒng)計分析課堂前測習(xí)題完成情況，根據(jù)錯題率進(jìn)行難點問題的重點講解。對于課前預(yù)習(xí)時反映較多的難點，教師應(yīng)發(fā)布進(jìn)階類客觀習(xí)題、難點知識點的拓展應(yīng)用主觀討論題或隨機抽簽選擇學(xué)生進(jìn)行難點問題應(yīng)用分析，以考查學(xué)生的掌握情況。教師還要定期梳理學(xué)生在SPOC上的視頻觀看、隨堂測驗、單元測驗的完成情況，課前預(yù)習(xí)回帖情況與課堂前測習(xí)題和討論題回復(fù)情況，以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，跟蹤監(jiān)督所有學(xué)生的整個學(xué)習(xí)進(jìn)程，保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

五、結(jié)束語

以理論與實踐結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實聯(lián)合、教學(xué)與科研融合和線上與線下混合為建設(shè)思路，本文提出了“引出來—畫出來—做出來—用起來”四部曲的教學(xué)模式。通過建設(shè)中國大學(xué)MOOC網(wǎng)的在線開放課程金屬切削原理及刀具，結(jié)合案例研究式學(xué)習(xí)，探索開展線上線下混合教學(xué)模式，并給出了具體的應(yīng)用案例。之后，我們將會更深入地整理該模式的反饋與評價，不斷持續(xù)改進(jìn)。同時，針對企業(yè)在新工科背景下提出的難題，我們還將繼續(xù)探索如何與企業(yè)需求進(jìn)行對接，尋求高科技、高精度、高質(zhì)量、高效率的教學(xué)模式。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 吳巖.新工科：高等工程教育的未來：對高等教育未來的戰(zhàn)略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2] 白東梅.基于SPOC與翻轉(zhuǎn)課堂的線上線下交互反饋在內(nèi)科護(hù)理學(xué)教學(xué)中的模式改革研究[J].護(hù)理研究，2019（16）：2858-2861.

[3] 林健.面向卓越工程師培養(yǎng)的研究性學(xué)習(xí)[J].高等工程教育研究，2011（6）：5-15.

[責(zé)任編輯：陳 明]

[收稿時間]2020-06-08

[基金項目]教育部首批“新工科”研究與實踐項目“基于多學(xué)科交叉融合的農(nóng)林院校農(nóng)業(yè)工程人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（GK-117）。

[作者簡介]楊揚（1987-），女，湖南人，博士，副教授，研究方向：數(shù)控銑削工藝、工藝參數(shù)優(yōu)化方法。張國忠（1971-），男，湖北人，博士，教授，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化與自動化。周勇（1976-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：農(nóng)業(yè)機械性能設(shè)計及測控。吳擎（1988-），女，湖北人，博士，副教授，研究方向：智能優(yōu)化算法及工程應(yīng)用。李明震（1980-），男，湖北人，博士，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)智能裝備。